background image

Wersję elektroniczną opracował: 

mgr inż. Robert Fiuk 

REGULACJA TEMPERATURY W URZĄDZENIACH ELEKTROTERMICZNYCH 

 

1. Cel i zakres ćwiczenia 

 

Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  się  z  metodami  regulacji  temperatury  w 

urządzeniach  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 

ś

ciśle    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. 

background image

Wersję elektroniczną opracował: 

mgr inż. Robert Fiuk 

 

Rys. 1. Regulacja dwustawna temperatury:   a)  zmiany temperatury rzeczywistej 

r

ϑ

obiektu 

regulowanego i temperatury 

c

ϑ

,  czujnika członu pomiarowego;  b)   zmiany mocy grzejnej P 

 

W chwili,  gdy t = 0  temperatura rzeczywista obiektu wynosi 

ro

ϑ

. Temperatura ta  jest niższa 

niż temperatura zadana 

n

ϑ

,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 opóźnione 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 

1

n

ϑ

 i 

2

n

ϑ

 a sama nieczułość 

2

1

n

n

D

ϑ

ϑ

+

=

. Wyłączenie elementów grzejnych 

nastąpi  w  chwili,  gdy  czujnik  osiągnie  temperaturę 

1

n

n

ϑ

ϑ

+

  nie  oznacza  ono  zahamowania 

background image

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 

2

n

n

c

ϑ

ϑ

ϑ

=

.  Włączenie  elementów  grzejnych  nie  powoduje  natychmiastowego  wzrostu 

temperatury  rzeczywistej.  Wzrost  ten  zacznie  się  w  chwili,  gdy  energia  dostarczona 

przewyższy  wartość  strat  cieplnych  do  otoczenia.  Natomiast  wzrost  temperatury  czujnika 

nastąpi dopiero po  zrównaniu  się  temperatur 

c

ϑ

 i 

r

ϑ

Niezależnie  od odchyłek  owiązanych z  nieczułością regulatora, w układzie regulacji 

występują  również    odchyłki    spowodowane  bezwładnością  cieplną  pieca  oraz    nadwyżką 

mocy  grzejnej    nad  mocą  strat    cieplnych  do  otoczenia.  Na  rysunku  1  oznaczono  je  

symbolami    

1

∆Θ

 i  

2

∆Θ

.  

Z rysunku widać,  że rozrzut  temperatury 

(1) 

 

 

 

min

max

2

1

ϑ

ϑ

=

∆Θ

+

∆Θ

=

R

 

Przebieg  zmian    temperatury  w  czasie    pokazany  na  rysunku  1  odzwierciedla  istotę  

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  osłonach,    zawierają  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. 

background image

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.  

background image

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 

Td

1

  i  Td

2

  podgrzewane  oddzielnymi  grzejnikami  R

t1

  i  R

t2

.  Termometry  te  są  połączone 

przeciwsobnie,  tzn.  siły  termoelektryczne    w  nich  powstające  skierowane  są  przeciwnie.  Z 

chwilą  włączenia  elementów  grzejnych  w  piecu  następuje  Wyłączenie  grzejnika  R

t1

.W 

termoelemencie  Td

1

,  powstaje    siła  termoelektryczna  dodająca  się  do  siły  termoelektrycznej 

termoelementu  T.  Powoduje    to  przyspieszenie    wyłączenia  elementów  grzejnych,    które  to   

wyłączenie  jest  związane  z  włączeniem  grzejnika  R

t2

.  Siła  termoelektryczna  powstająca  w 

termoelemencie  Td

2

    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 

ϑ

  i  mocy  P  pieca  w  funkcji  czasu  w  układzie  bez  przystawki  sprzężenia 

zwrotnego. 

Na podstawie pomiarów sporządzić wykres 

ϑ

= f (t), z wykresu  wyznaczyć  należy 

następujące  wielkości: 

background image

Wersję elektroniczną opracował: 

mgr inż. Robert Fiuk 

a)

 

rozrzut temperatury pieca R; 

b)

 

strefę nieczułości regulatora D; 

c)

 

wartości odchyłek temperatury 

1

∆Θ

 i  

2

∆Θ

 

 

 

Rys. 4.  Schemat układu pomiarowego 

 

Następnie    należy  wyznaczyć    nastawy  przystawki      sprzężenia  zwrotnego.  Sposób 

postępowania jest następujący: wymagane  jest zmniejszenie rozrzutu temperatury o wartości 

(

1

∆Θ

 -D/2) i (

2

∆Θ

 -D/2).  W  tym celu należy obliczyć te różnice temperatur,  a z  tabeli 1  

odczytać  wartości  sił  termoelektrycznych,    odpowiadających  poszukiwanym  temperaturom. 

Tabela 

przedstawia 

charakterystykę 

termometryczną 

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-

10 

20 

30 

40 

50 

60 

70 

80 

90 

background image

Wersję elektroniczną opracował: 

mgr inż. Robert Fiuk 

tura 

°

Siła termoelektryczna w miliwoltach 

0,643 

1,436 

2,316 

3,251 

4,221 

5,224 

6,260 

7,379 

8,432 

9,570 

10,741 

11,935 

0,056 

0,717 

1,521 

2,408 

3,347 

4,319 

5,326 

6,365 

7,438 

8,545 

9,686 

10,86 

12,055 

0,113 

0,792 

1,607 

2,499 

3,442 

4,419 

5,429 

6,471 

7,547 

8,657 

9,802 

10,979 

12,175 

0,173 

0,869 

1,693 

2,592 

3,539 

4,518 

5,532 

6,577 

7,656 

8,770 

9,918 

11,098 

12,296 

0,235 

0,946 

1,780 

2,685 

3,635 

4,618 

5,635 

6,683 

7,766 

8,883 

10,035 

11,217 

12,416 

0,229 

1,025 

1,868 

2,778 

3,732 

4,718 

5,738 

6,790 

7,876 

8,997 

10,152 

11,336 

12,536 

0,364 

1,106 

1,956 

2,872 

3,829 

4,818 

5,842 

6,897 

7,987 

9,111 

10,269 

11,456 

12,536 

0,431 

1,187 

2,045 

2,966 

3,926 

4,909 

5,946 

7,005 

8,098 

9,225 

10,387 

11,575 

12,777 

0,500 

1,269 

2,135 

3,061 

4,024 

5,020 

6,050 

7,112 

8,209 

9,340 

10,504 

11,695 

12,897 

0,571 

1,352 

2,225 

3,156 

4,122 

5,132 

6,135 

7,220 

8,320 

9,455 

10,623 

11,815 

13,018 

100 

200 

300 

400 

500 

600 

700 

800 

900 

1000 

1100 

1200 

1300 

1400 

1500 

1600 

13,138 

14,337 

15,530 

16,716 

13,258 

14,457 

15,649 

13,378 

14,576 

15,768 

13,498 

14,696 

15,887 

13,618 

14,815 

16,006 

13,738 

14,935 

16,124 

13,858 

15,054 

16,243 

13,978 

15,173 

16,361 

14,098 

15,292 

16,479 

14,217 

15,411 

16,597 

 

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 

0,1 

0,2 

0,3 

0,4 

0,5 

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 

0,1 

0,2 

0,3 

0,4 

0,5 

Siła termoelektryczna w mV 

0,45 

0,72 

0,76 

0,81 

0,84 

0,89 

1,06 

1,38 

 

background image

Wersję elektroniczną opracował: 

mgr inż. Robert Fiuk 

Tabela 3. Wyniki Badań 

 

ϑ

 

Rodzaj 

regulacji 

Stan 

pieca 

°

Uwagi 

bez 

przystawki 

t

t

max

 

t

t

min 

 

 

 

 

 

n

ϑ

=…..

°

przystawką 

t

t

max

 

t

t

min

 

 

 

 

 

 

n

ϑ

=…..

°

 

4. Wyniki badań 

 

W  sprawozdaniu  należy  umieścić  wyniki  badań  zestawione  w  tabeli  3.  Cykl 

obserwacji wykonać pięciokrotnie. 

 

Do sprawozdania dołączyć wykres: 

ϑ

= 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.