2.3. Электрическая печь

Электрическая печь предназначена для создания внутри своей каме­ры температуры в пределах до 160°С. Изменение температуры возможно осуществлять либо посредством периодического подключения и отклю­чения нагревательного элемента от питающей сети, либо посредством из­менения силы тока, протекающего через него. Характер коммутации на­гревательного элемента определяется принципом работы регулятора Р и исполнительного механизма ИМ.

2.4. Устройство и назначение термопары

В качестве датчика температуры в исследуемой системе использует­ся хромель-копелевая термопара с пределом измерений от 0°C до 400°С. Термопары - это приборы, использующие для работы явление термоэлек­тричества, которое проявляется в следующих случаях: соприкасаются два различных проводника с одинаковой температурой; концы одного про­водника имеют разную температуру. Объясняется это тем, что концен­трация электронов в проводнике зависит как от его вида, так и от темпе­ратуры. На практике используются оба явления.

На рис. 2,а показано схематическое изображение термопары, со­стоящей из двух термоэлектродов: А и В. При различных температурах спаев t₁-e_AB (t₁); в спае 2 при температуре t₂-e_AB(t₂). Результирующая термо-э.д.с. равна их разности, а именно

E_AB(t₁,t₂)=e_AB(t₁)-e_AB(t₂) (2.1)

Рис. 2. Схема подсоединения термопары

Очевидно, что при одинаковой температуре спаев t₁=t₂ результи­рующая термо-э.д.с. равна нулю.

Спай, помещенный в измеряемую среду, называется рабочим или горячим, а второй называется свободным или холодным. Для измерения термо-э.д.с. в месте свободного спая цепь разрывают и включают измери­тельный прибор. Включение необходимых при этом дополнительных проводников и самого прибора величины термо-э.д.с. не изменяет при ус­ловии, что места их соединений с термопарой имеют одинаковую темпе­ратуру. На рис.2,б показана схема соединения измерительного прибора с термопарой.

2.5. Автоматический потенциометр

В работе используется одноточечный автоматический потенциометр типа ПСР1, предназначенный для измерения, записи и регулирования одной величины. Ранее указывалось, что потенциометр представляет собой совокупность различных по своим функциям элементов, а именно изме­рительной схемы, усилителя и регулятора. Рассмотрим его принцип действия.

В потенциометрах применяются компенсационные измери­тельные схемы, использующие так называемый нулевой метод отсчета.

На рис.3а. показана компенсационная измерительная схема, где Е -э.д.с. известного источника G₁; R₁ - реохорд, регулируемое сопротивле­ние; Е_X - э.д.с. измеряемого источника (ею может быть термо-э.д.с. тер­мопары); R_X -сопротивление измеряемого источника э.д.с; А - измери­тельный прибор; r₀-сопротивление части реохорда, находящейся под движком.

а) б)

Рис. 3. Реализация схемы измерения

Для приведенной схемы можно записать следующие выражения:

(2.2)

где I₁ - ток, протекающий в контуре известной э.д.с. Е₁;

I₂ - ток, протекающий в контуре изменяемой э.д.с. Е_A через прибор А;

I_Р - результирующий ток, протекающий в общей ветви обоих конту­ров, т.е. через r₀.

Очевидно, что

I_P=I₁+I₀. (2.3)

С учетом (2.3) из первого выражения (2.2) получаем

(2.4)

Подставляя (2.3) и (2.4) во второе выражение (2.2) получаем

(2.5)

При нулевом методе отсчета добиваются нулевых показаний изме­рительного прибора, что в нашем случае возможно осуществить переме­щением движка реохорда. При равенстве тока в измерительном контуре нулю (I₀=0) будем иметь

. (2.6)

Т.е. измеряемая э.д.с. Е* может быть оценена по величине переме­щения движка реохорда, определяющего сопротивление r₀.

Важным условием получения точности и стабильности измерений является постоянство тока I₁, которое может нарушаться с изменением Е. Поэтому более совершенной является схема, показанная на рис. 3,б, где введен нормальный элемент G2, э.д.с. которого Енэ строго постоянна, пе­реключатель SB, дающий возможность в положении "контроль" (К) под­ключать к измерительному прибору э.д.с. нормального элемента, а в по­ложении "измерение" (И) - э.д.с. термопары Е,,. Сопротивление R3 - срав­нительное, постоянное, R2 - переменное сопротивление в цепи источника Е, дающее возможность регулировать ток I₁.

В случае правильного выбора I₁ падение напряжения на R3 в режиме «контроль» уравновешивается э.д.с. G2 и через прибор ток не течет. В противном случае необходимо изменить положение движка R2 до полно­го исчезновения тока через измерительный прибор. В потенциометре ПСР1 эта операция выполняется в режиме «контроль» автоматически.

В потенциометрах вместо прибора А в измерительную схему включают усилитель А, назначением которого является преобразование сигнала рассогласования постоянного тока в сигнал переменного тока и усиление его по напряжению и мощности до такого уровня, чтобы оказа­лось возможным управлять реверсивным двигателем. Для выполнения указанных функций в состав усилителя А входит ряд устройств (рис.4). Первое - вибрационный преобразовательный каскад (Пр), представляю­щий собой электромеханическое устройство, предназначенное для преоб­разования сигнала постоянного тока в сигнал переменного тока частотой 50 Гц, фаза которого зависит от знака сигнала рассогласования на выходе измерительной схемы, а амплитуда - от величины этого рассогласования.

Рис. 4. Структурная схема усилителя

С выхода преобразователя сигнал поступает на вход трехкаскадного усилителя напряжения (УН) и далее на фазочувствительный каскад уси­ления мощности (УМ). Усилитель мощности нагружен на управляющую обмотку реверсивного двигателя (М). При условии сигнала на входе УМ обе лампы, на которых он собран, работают по очереди и через обмотку управления течет ток с частотой пульсаций 100 Гц. Сетевая же обмотка двигателя питается от сети 50 Гц. Вследствие различия частоты питания обоих обмоток ротор двигателя не вращается.

При наличии же на входе УМ сигнала той или иной фазы токи через лампы будут различны и в пульсирующем токе, протекающем через об­мотку управления двигателя, появится переменная составляющая с часто­той 50 Гц, амплитуда и фаза которой зависят от величины сигнала посто­янного тока и его полярности на выходе измерительной системы соответ­ственно. Ротор двигателя при этом будет вращаться со скоростью, зави­сящей от величины сигнала рассогласования, и в сторону, определяемую фазой того же сигнала.

Роль регулятора (Р) (см. рис.1) в потенциометре играет ревер­сивный двигатель (М) в совокупности с позиционным 2-х контактным ре­гулирующим устройством. Основными элементами регулирующего 2-х контактного устройства являются: контактная группа, профильные диски, задатчик и указатель задачи.

В работе используется только одна контактная пара регулирующего устройства SQ (рис. 5), которая оказывается замкнутой в том случае, если температура в печи ниже заданной, т.е. Ех меньше некоторой неизвест­ной величины. В противном случае эта контактная пара оказывается разомкнутой. Таким образом, в системе обеспечивается 2-х позиционное регулирование.

Рис. 5. Компоновка элементов лабораторного макета

2.5.4. В качестве исполнительного механизма (ИМ) непосредственно воздействующего на объект регулирования, в работе использовано реле K1 типа МКУ48 (см. рис. 5). Суть работы реле в роли исполнительного ме­ханизма заключается в том, что будучи запитанным через контактную па­ру регулирующего устройства оно оказывается под током только тогда, когда температура печи ниже заданной. При этом через контактную пару К1.1 реле замыкает цепь питания нагревательного элемента ЕК печи. По достижении заданной температуры контактная пара регулирующего уст­ройства SQ размыкается, реле обесточивается, нагревательный элемент отключается от питающей сети.