Регулирование температуры.

Температура является показателем термодинамического состояния системы и исполь-зуется как выходная координата при регулировании тепловых процессов. Динамические ха-рактеристики объектов в системах регулирования температуры зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата. Поэтому общие рекомендации по выбору АСР температуры сформулировать невозможно, и требуется анализ каждого конкретного процесса.

К общим особенностям АСР температуры можно отнести значительную инерционность тепловых процессов и промышленных датчиков температуры. Поэтому одна из основных за-дач при проектировании АСР температуры – уменьшение инерционности датчиков.

Рассмотрим, например, динамические характеристики термометра в защитном чехле

(рис. 3.10).

1 2 3 θ₃θ₂θ₁

θ₀	^θ2		^θ1		^θ2	θ₃	^θ4


^θ0		^θ3		^θ4

θ₄

а б

Рис. 3.10.Принципиальная(а)и структурная(б)схемы термометра:

1 –защитный чехол; 2 –воздушная прослойка; 3 –стенка термометра; 4 –рабочая жидкость.

Структурную схему термометра можно представить как последовательное соединение четы-рех тепловых емкостей (рис. 3.10, б): защитного чехла 1, воздушной прослойки 2, стенки тер-мометра 3 и собственно рабочей жидкости 4. Если пренебречь тепловым сопротивлением ка-ждого слоя, то все элементы можно аппроксимировать апериодическими звеньями 1-го поряд-ка, уравнения которых имеют вид:

M _j c_pj ^d_dt^θ^j =α _j₁F_j₁(θ_j₋₁−θ_j )−α _j ₂ F_j ₂(θ_j −θ_j₊₁) ,

j =

;

θ₅=0

1,4

или

dθ _j

+θ

= k

+ k

j1 j−1

j 2 j +1

где

^M j ^c pj

T_j =

;

^α j1 ^Fj1^−α j 2 ^Fj 2

(3.1)

^α j1 ^Fj1

^α j 2 ^Fj 2

^k j1⁼

; k _j ₂ =

;

^α j1 ^Fj1^−α j 2 ^Fj 2

M_j – масса соответственно чехла, воздушной прослойки, стенки и жидкости; c_pj – удельные теплоемкости; α_j₁, α_j₂ – коэффициенты теплоотдачи; F_j₁, F_j₂ – поверхности теплоотдачи.

Как видно из уравнений (3.1), основными направлениями уменьшения инерционности датчиков температуры являются:

− повышение коэффициентов теплоотдачи от среды к чехлу в результате правильного выбора места установки датчика; при этом скорость движения среды должна быть мак-

симальной; при прочих равных условиях более предпочтительна установка термомет-23

ров в жидкой фазе (по сравнению с газообразной), в конденсирующемся паре (по срав-нению с конденсатом) и т. п.;

− уменьшение теплового сопротивления и тепловой емкости защитного чехла в результа-те выбора его материала и толщины;

− уменьшение постоянной времени воздушной прослойки за счет применения наполни-телей (жидкость, металлическая стружка); у термоэлектрических преобразователей (термопар) рабочий спай припаивается к защитному чехлу;

− выбор типа первичного преобразователя; например, при выборе термометра сопротив-ления, термопары или манометрического термометра необходимо учитывать, что наи-меньшей инерционностью обладает термопара в малоинерционном исполнении, наи-большей – манометрический термометр.

Регулирование рН.

Системы регулирования рН можно под-	pH
		III
разделить на два типа, в зависимости от требуе-

мой точности регулирования. Если скорость из-
менения рН невелика, а допустимые пределы ее				I

колебаний достаточно широки, применяют пози-
ционные системы регулирования, поддерживаю-			II
щие рН в заданных пределах: рН_н ≤ рН ≤ рН_в. Ко
		G₁
второму типу относятся системы, обеспечиваю-
Рис. 3.11.Зависимость величины рН от
щие регулирование процессов, в которых требу-
расхода реагента.

ется точное поддержание pH на заданном значении (например, в процессах нейтрализации). Для их регулирования используют непрерывные ПИ– или ПИД–регуляторы.

Общей особенностью объектов при регулировании рН является нелинейность их стати-ческих характеристик, связанная с нелинейной зависимостью рН от расходов реагентов. На рис. 3.11 показана кривая титрования, характеризующая зависимость рH от расхода кислоты G₁. Для различных заданных значений рН на этой кривой можно выделить три характерных участка: первый (средний), относящийся к почти нейтральным средам, близок к линейному и характеризуется очень большим коэффициентом усиления; второй и третий участки, относя-щиеся к сильно щелочным или кислым средам, обладают наибольшей кривизной.

На первом участке объект по своей статической характеристике приближается к релей-ному элементу. Практически это означает, что при расчете линейной АСР коэффициент уси-ления регулятора настолько мал, что выходит за пределы рабочих настроек промышленных регуляторов. Так как собственно реакция нейтрализации проходит практически мгновенно, динамические характеристики аппаратов определяются процессом смешения и в аппаратах с перемешивающими устройствами достаточно точно описываются дифференциальными урав-

нениями 1-го порядка с запаздыванием. При этом, чем меньше постоянная времени аппарата, тем сложнее обеспечить устойчивое регулирование процесса, так как начинают сказываться инерционность приборов и регулятора и запаздывание в импульсных линиях. Для обеспечения устойчивого регулирования рН применяют специальные системы. На рис. 3.12, а показан пример системы регулирования рН с двумя регулирующими клапанами.

1	^G1	^G2	ξ
	2				2


	PDC		1

	3				x⁰
					P
			0 x_PH	x⁰− x⁰+	^xPB ^xP
а			б	P	P

Рис. 3.12.Пример системы регулирования рН:

а –функциональная схема; б –статические характеристики клапанов(1, 2 –регули-рующий клапан; 3 – регулятор рН).

Клапан 1, обладающий большим условным диаметром, служит для грубого регулиро-вания расхода и настроен на максимальный диапазон изменения выходного сигнала регулято-ра [x_рн,x_рв] (рис. 3.12, б, кривая 1). Клапан 2, служащий для точного регулирования, рассчитан на меньшую пропускную способность и настроен таким образом, что при x_р = x⁰_р + он пол-ностью открыт, а при x_р = x⁰_р - – полностью закрыт (кривая 2). Таким образом, при незначи-тельном отклонении рН от рН⁰, когда x⁰_р - ≤ x_р ≤ x⁰_р + , степень открытия клапана 1 прак-тически не изменяется, и регулирование ведется клапаном 2. Если |x_р - x⁰_р|, клапан 2 остается в крайнем положении, и регулирование осуществляется клапаном 1.

На втором	и третьем участках	pH	pH	pH = k₂ G₁	+α₂
статической характеристики (рис. 3.12,

б)ее линейная аппроксимация справед-
лива лишь в очень узком диапазоне из-			pH = k₀	G₁
менения рН, и в реальных условиях

ошибка регулирования за счет линеари-
зации может	оказаться	недопустимо	pH ⁰+δ		pH = k₁ G₁+α₁
большой. В этом случае более точные	pH ⁰
pH ⁰−δ			G₁
результаты дает кусочно-линейная ап-

проксимация	(рис.	3.13),	при которой			_G0	G

линеаризованный	объект	имеет пере-	Рис. 3.13.Кусочно-линейная аппроксимация ста-
менный коэффициент усиления.	тической характеристики объекта при регулиро-
вании рН.

На рис. 3.14 приведена структур-ная схема такой АСР. В зависимости от рассогласования рН, включается в работу один из ре-

гуляторов, настроенный на соответствующий коэффициент усиления объекта.

G₁	Объект	pH

pH ⁰

R₀	(≤)	pH		≤ δ



			(>)
	(+)
R₂	sign( pH −δ)

^R1

(−)

Рис. 3.14.Структурная схема системы регулиро-вания рН с двумя регуляторами.

<4 567 8 9 10 >

Дата добавления: 2015-11-06; просмотров: 1659;