Wersję elektroniczną opracował:
mgr inż. Robert Fiuk
REGULACJA TEMPERATURY W URZ
DZENIACH ELEKTROTERMICZNYCH
1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami regulacji temperatury w
urzÄ…dzeniach elektrotermicznych. Obiektem regulowanym jest piec sylitowy rurowy PSR
[28]. Ćwiczenie przewiduje wyznaczenie rozrzutu temperatury regulowanej, a następnie
zmniejszenie tego rozrzutu za pomocą przystawki cieplnego sprzężenia zwrotnego.
2. Wyjaśnienia podstawowe
Celem regulacji stałowartościowej w urządzeniach technicznych jest doprowadzenie
pewnej wielkości fizycznej, zwanej wielkością regulowaną, do z góry zadanej wartości i
utrzymanie tej wielkości na stałym poziomie. W przypadku urządzeń grzejnych wielkością
tą jest temperatura najczęściej temperatura wsadu.
Powszechnie stosowanym, choć nie jedynym sposobem regulacji, jest regulacja
nieciągła temperatury, W tym systemie regulacji zmiany temperatury powodują zmiany
wartości wejściowej, przy czym, wielkość nastawiana (moc grzejna.) przyjmuje kolejno
ściśle określone wartości. W najprostszym i najczęściej stosowanym systemie regulacji
nieciągłej moc grzejna przyjmuje dwie wartości - 0 lub P, a wiec jest to regulacja
dwustanowa.
Charakterystyczną cechą regulacji dwustanowej są powtarzające się okresy włączeń i
wyłączeń mocy grzejnej P, powodujące zmiany temperatury rzeczywistej obiektu
regulowanego w zakresie R, zwanym rozrzutem temperatury:
Rozrzut temperatury zależy od:
a) strefy nieczułości regulatora D, tj. najmniejszej zmiany wartości siły
termoelektrycznej, powodującej zadziałanie regulatora;
b) bezwładności cieplnej pieca;
c) bezwładności cieplnej czujnika termoelektrycznego;
d) nadwyżki mocy grzejnej pieca nad mocą strat cieplnych w danej temperaturze.
Przebieg regulacji dwustawnej przedstawiono na rys.1.
Wersję elektroniczną opracował:
mgr inż. Robert Fiuk
Rys. 1. Regulacja dwustawna temperatury: a) zmiany temperatury rzeczywistej Ńr obiektu
regulowanego i temperatury Ńc , czujnika członu pomiarowego; b) zmiany mocy grzejnej P
W chwili, gdy t = 0 temperatura rzeczywista obiektu wynosi Ńro . Temperatura ta jest niższa
niż temperatura zadana Ńn ,wiec elementy grzejne są włączone. Ponieważ przenoszenie ciepła
od elementów grzejnych do obiektu regulowanego, a następnie do czujnika pomiarowego od-
bywa się ze skończoną prędkością, wskazania członu pomiarowego są opóz
nione w stosunku
do zmian temperatury rzeczywistej. Wyłączenie elementów grzejnych nie następuje
natychmiast po osiągnięciu przez czujnik temperatury zadanej. Każde urządzenie
samoczynnej regulacji ma pewien zakres nieczułości, tzn. zadziałanie jego następuje dopiero
po wystąpieniu pewnej odchyłki temperatury. Odchyłki związane z nieczułością urządzenia
wynoszą "Ńn1 i "Ńn2 a sama nieczułość D = "Ńn1 + "Ńn2 . Wyłączenie elementów grzejnych
nastąpi w chwili, gdy czujnik osiągnie temperaturę Ńn +Ńn1 nie oznacza ono zahamowania
Wersję elektroniczną opracował:
mgr inż. Robert Fiuk
wzrostu temperatury rzeczywistej obiektu. Ciepło zakumulowane w elementach grzejnych
jest przekazywane do obiektu do czasu, gdy straty cieplne do otoczenia zaczną przeważać. Od
tej chwili rozpoczyna się stygnięcie obiektu i trwa tak długo, aż czujnik osiągnie temperaturę
Ńc = Ńn - "Ńn2 . Włączenie elementów grzejnych nie powoduje natychmiastowego wzrostu
temperatury rzeczywistej. Wzrost ten zacznie siÄ™ w chwili, gdy energia dostarczona
przewyższy wartość strat cieplnych do otoczenia. Natomiast wzrost temperatury czujnika
nastąpi dopiero po zrównaniu się temperatur Ńc i Ńr .
Niezależnie od odchyłek owiązanych z nieczułością regulatora, w układzie regulacji
występują również odchyłki spowodowane bezwładnością cieplną pieca oraz nadwyżką
mocy grzejnej nad mocÄ… strat cieplnych do otoczenia. Na rysunku 1 oznaczono je
symbolami "Åš1 i "Åš2 .
Z rysunku widać, że rozrzut temperatury
(1) R = "Ś1 + "Ś2 = Ńmax -Ńmin
Przebieg zmian temperatury w czasie pokazany na rysunku 1 odzwierciedla istotÄ™
zjawiska w sensie jakościowym, pewne uproszczenie wykresu polega na tym, że w
rzeczywistości przebiegi zmian temperatury nie są opisane równaniami liniowymi.
Rozrzuty temperatur w piecach; przemysłowych wyposażonych w regulatory
elektroniczne klasy 1,5 oraz w czujniki w osÅ‚onach, zawierajÄ… sio w granicach 30-60°C.
Takie wartości rozrzutu uniemożliwiają niekiedy prawidłowe prowadzenie procesów obróbki
cieplnej, wobec czego muszą być zmniejszone.
Urządzeniami służącymi do zmniejszania rozrzutu temperatury w regulacji
dwustawnej są przystawki sprzężenia zwrotnego. Schemat przystawki jednokierunkowej
sprzężenia zwrotnego przedstawiono na rysunku 2.
Wersję elektroniczną opracował:
mgr inż. Robert Fiuk
Rys. 2. Schemat przystawki jednokierunkowej sprzężenia zwrotnego; 1  przystawka, 2 
miernik regulator
Przystawka ta ma za zadanie przyspieszenie wyłączenia elementów grzejnych. Dzieje się tak
dlatego, że siła termoelektryczna powstająca w przystawce dodaje się do siły
termoelektrycznej czujnika członu pomiarowego. Tak skonstruowana przystawka nie ma
natomiast wpływy na chwilę włączania elementów grzejnych. Konsekwencją takiego
działania jest wystąpienie pewnej różnicy pomiędzy średnią temperaturą rzeczywistą a
temperaturą zadaną. Dla zapewnienia małych rozrzutów temperatury, jak również
temperatury rzeczywistej równej temperaturze zadanej, należy w tym układzie przyjąć
temperaturę zadaną nieco wyższą niż w układzie bez przystawki.
Wady tej praktycznie jest pozbawiony układ z przystawką dwukierunkową sprzężenia
zwrotnego. Schemat przystawki dwukierunkowej przedstawiono na rysunku 3.
Wersję elektroniczną opracował:
mgr inż. Robert Fiuk
Rys. 3 Schemat przystawki dwukierunkowej sprzężenia zwrotnego; 1  przystawka, 2 
miernik regulator
Sposób działania jest następujący: zostały w niej zastosowane dwa termometry dodatkowe
Td1 i Td2 podgrzewane oddzielnymi grzejnikami Rt1 i Rt2. Termometry te są połączone
przeciwsobnie, tzn. siły termoelektryczne w nich powstające skierowane są przeciwnie. Z
chwilą włączenia elementów grzejnych w piecu następuje Wyłączenie grzejnika Rt1.W
termoelemencie Td1, powstaje siła termoelektryczna dodająca się do siły termoelektrycznej
termoelementu T. Powoduje to przyspieszenie wyłączenia elementów grzejnych, które to
wyłączenie jest związane z włączeniem grzejnika Rt2. Siła termoelektryczna powstająca w
termoelemencie Td2 odejmuje się od siły termoelektryczna termoelementu T, co jest
przyczyną ponownego włączenia elementów grzejnych pieca.
3. Program ćwiczenia
Obiektem badanym jest piec sylitowy rurowy PSR-1. Pomiary należy przeprowadzić
w układzie przedstawionym na rysunku 4. Podczas ćwiczenia wyznacza się przebieg zmian
temperatury Ń i mocy P pieca w funkcji czasu w układzie bez przystawki sprzężenia
zwrotnego.
Na podstawie pomiarów sporządzić wykres Ń = f (t), z wykresu wyznaczyć należy
następujące wielkości:
Wersję elektroniczną opracował:
mgr inż. Robert Fiuk
a) rozrzut temperatury pieca R;
b) strefę nieczułości regulatora D;
c) wartości odchyłek temperatury "Ś1 i "Ś2 .
Rys. 4. Schemat układu pomiarowego
Następnie należy wyznaczyć nastawy przystawki sprzężenia zwrotnego. Sposób
postępowania jest następujący: wymagane jest zmniejszenie rozrzutu temperatury o wartości
( "Ś1 -D/2) i ( "Ś2 -D/2). W tym celu należy obliczyć te różnice temperatur, a z tabeli 1
odczytać wartości sił termoelektrycznych, odpowiadających poszukiwanym temperaturom.
Tabela 1 przedstawia charakterystykÄ™ termometrycznÄ… termoelementu PtRh-Pt.
Charakterystyka ta w zasadzie nie jest liniowa, jednak w przedziałach temperatur podanych
w tabeli poszukiwane wartości mogą być interpolowane. Po wyznaczeniu odpowiednich sił
termoelektrycznych należy wyznaczyć nastawy przystawki sprzężenia zwrotnego na
podstawie charakterystyki przystawki podanej w tabeli2. Następnie przystawkę należy
włączyć w obwód regulatora temperatury i ponownie przeprowadzić pomiary.
Pomiar siły termoelektrycznej czujnika temperatury wykonuje się za pomocą
miliwoltomierza z plamką świetlną (patrz rys. 3).
Pomiary wykonywać na tym samym poziomie temperatury zadanej i dla tej samej
mocy elementów grzejnych (przełącznik mocy pieca na szafie sterowniczej w pozycji 2 lub
3).
Tabela 1. Charakterystyka termometryczna termoelementu platynorod-platyna (Pt-Rh-Pt) wg
PN-95/M-53854
Tempera- 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Wersję elektroniczną opracował:
mgr inż. Robert Fiuk
Siła termoelektryczna w miliwoltach
tura °C
0 0 0,056 0,113 0,173 0,235 0,229 0,364 0,431 0,500 0,571
100 0,643 0,717 0,792 0,869 0,946 1,025 1,106 1,187 1,269 1,352
200 1,436 1,521 1,607 1,693 1,780 1,868 1,956 2,045 2,135 2,225
300 2,316 2,408 2,499 2,592 2,685 2,778 2,872 2,966 3,061 3,156
400 3,251 3,347 3,442 3,539 3,635 3,732 3,829 3,926 4,024 4,122
500 4,221 4,319 4,419 4,518 4,618 4,718 4,818 4,909 5,020 5,132
600 5,224 5,326 5,429 5,532 5,635 5,738 5,842 5,946 6,050 6,135
700 6,260 6,365 6,471 6,577 6,683 6,790 6,897 7,005 7,112 7,220
800 7,379 7,438 7,547 7,656 7,766 7,876 7,987 8,098 8,209 8,320
900 8,432 8,545 8,657 8,770 8,883 8,997 9,111 9,225 9,340 9,455
1000 9,570 9,686 9,802 9,918 10,035 10,152 10,269 10,387 10,504 10,623
1100 10,741 10,86 10,979 11,098 11,217 11,336 11,456 11,575 11,695 11,815
1200 11,935 12,055 12,175 12,296 12,416 12,536 12,536 12,777 12,897 13,018
1300 13,138 13,258 13,378 13,498 13,618 13,738 13,858 13,978 14,098 14,217
1400
14,337 14,457 14,576 14,696 14,815 14,935 15,054 15,173 15,292 15,411
1500 15,530 15,649 15,768 15,887 16,006 16,124 16,243 16,361 16,479
16,597
1600 16,716 - - - - - - - -
-
Liczby poniżej linii poziomej oznaczają wartości siły termoelektrycznej w zakresie
krótkotrwałej pracy elementu
Tabela 2.a Charakterystyki przystawki cieplnego sprzężenia zwrotnego
Przystawka sprzężenia dodatniego
Nastawienie skali 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1 2
Siła termoelektryczna w mV 0,57 0,68 0,71 0,74 0,77 0,80 0,97 1,32
Tabela 2.b Charakterystyki przystawki cieplnego sprzężenia zwrotnego
Przystawka sprzężenia ujemnego
Nastawienie skali 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1 2
Siła termoelektryczna w mV 0,45 0,72 0,76 0,81 0,84 0,89 1,06 1,38
Wersję elektroniczną opracował:
mgr inż. Robert Fiuk
Tabela 3. Wyniki Badań
Rodzaj Stan t U I P Uwagi
Ń
regulacji pieca
s V A W
°C
bez tz
Ńn =& ..°C
przystawki tmax
tw
tmin
z tz
Ńn =& ..°C
przystawkÄ… tmax
tw
tmin
4. Wyniki badań
W sprawozdaniu należy umieścić wyniki badań zestawione w tabeli 3. Cykl
obserwacji wykonać pięciokrotnie.
Do sprawozdania dołączyć wykres: Ń = f (t) oraz P = f(t) dla regulacji bez sprzężenia
zwrotnego i z sprzężeniem zwrotnym oraz obliczenia nastaw przystawki. W wnioskach
ocenić jakość regulacji przy zastosowaniu przystawki cieplnego sprzężenia zwrotnego.