Лаборатория эспериментальной и технической петрологии МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40

Поддержание постоянными параметров опыта - наиболее обычная задача в экспериментальной петрологии. Если не требуется большая точность, можно подобрать напряжение на нагревателе, при котором для заданной температуры подаваемое тепло будет компенсироваться теплоотдачей. Для инерционных (например, автоклавных) печей и при использовании стабилизатора напряжения при этом достигается точность ± 15^о. Автоматическое регулирование основано на принципе обратной связи, т.е. воздействии измерительного прибора на объект регулирования. Если температура выше заданной, прибор отключает нагреватель, если ниже - включает, или, соответственно, увеличивает (уменьшает) подачу энергии на нагреватель. Регулировка температуры любым прибором сводится к изменению тока в цепи нагревателя.

Самая общая принципиальная схема автоматического регулирования:

задатчик	нуль-прибор	регулирующее устройство	печь	датчик

Задающее устройство служит для выработки сигнала, соответствующего требуемой температуре. Элемент сравнения (нуль-орган) производит сравнение сигналов, соответствующих заданному и измеренному значению температуры, и определяет их разность. Регулирующее устройство видоизменяет разностный сигнал, усиливает его и преобразует таким образом, чтобы изменить подачу энергии на нагревательную печь в определенной зависимости (по закону регулирования), обеспечивая при этом требуемое значение температуры с допустимой погрешностью в течение времени опыта.

В позиционных регуляторах сигнал регулирующего прибора производит включение или выключение нагревательной цепи. При снижении температуры в системе ниже заданного уровня реле прибора замыкаются, включая ток в управляющей обмотке магнитного пускателя (мощного реле), через контакты которого течет силовой ток в обмотку печи. В настоящее время такие реле используют исключительно для блокировки. Чаще вместо магнитного пускателя ставят простую электронную схему, в которой регулировка тока осуществляется управляемым тиристором путем бесконтактного прерывания и включения тока в обмотке печи, что повышает надежность схемы. Реле может не просто включать или выключать ток в силовой цепи, но переключать (попеременно включать) разные обмотки автотрансформатора, подающие на печь разные напряжения. Благодаря этому достигается более плавная регулировка температуры.

Обычно в экспериментальных установках используют двe термопары: регулирующую и измерительную. Первая осуществляет обратную связь печи с регулятором. Ее датчик (спай) помещают как можно ближе к нагревателю, чтобы сделать систему менее инерционной. Сигнал регулирующей термопары используют для поддержания температуры опыта постоянным. Для измерения же истинной температуры в рабочем объеме служат контрольно-измерительные термопары, рабочие спаи которых находятся либо непосредственно в рабочем объеме, либо поблизости от него, где температура отличается незначительно и на известную величину. Контрольные термопары подключают к измерительному прибору, имеющему такой же или более высокий класс точности, чем прибор - регулятор.

На ленте достаточно чувствительного самописца запись температуры реактора установки с позиционным регулятором имеет "синусоидальную", "пилообразную" форму. Точность регулировки температуры в этом случае тем не менее можно достичь при аккуратной работе ±5^о .

В отличие от описанной выше схемы "включено - выключено" современные регуляторы непрерывного действия, начало которым положил выпуск приборов ВРТ (высокоточных регуляторов температуры), не ждут, пока температура "уйдет" от заданной достаточно далеко (больше порога чувствительности прибора), а постоянно подбирают силу тока соответственно рассогласованию (разнице сигнала термопары и заданного), так что при достижении заданной температуры величина тока в цепи имеет величину, обеспечивающую подачу мощности, равной теплоотводу. Регулировка силы тока осуществляется по пропорционально-интегрально-дифференциальному (ПИД) закону блоком тиристоров - полупроводниковых диодов, которые могут менять силу тока, проходящего через них, в зависимости от частоты приложенного к ним управляющего напряжения. Соответственно ПИД-регулятор содержит усилитель, интегратор и дифференциатор. Обнаружив на своем входе рассогласование, усилитель в первый момент быстро, но строго дозированно изменяет подачу энергии на печь, компенсируя значительную часть рассогласования. Затем в работу вступает интегратор, который медленно приближает температуру к заданному значению. Дифференциатор, реагирующий на скорость изменения рассогласования, форсирует работу прибора, когда температура начинает быстро отклоняться от требуемой величины. Подобный регулятор обеспечивает точность поддержания температуры в печи не хуже ± 1° С.

Слабое место ВРТ - электромеханический преобразователь постоянного сигнала термопары (вибропреобразователь). Он часто загрязняется, контакты истираются и т. д. Существуют бесконтактные схемы электронного преобразования.

ПИД-регуляторы могут поддерживать температуру самых различных по своим тепловым свойствам объектов путем простой манипуляции тремя потенциометрами, изменяющими удельный вес П-, И- и Д-составляющих в законе регулирования. Для печей очень малой инерционности (например, в твердофазных установках, описанных ниже) быстрое реагирование регулятора на скачки температуры обеспечивается преобладанием дифференциальной составляющей. Наоборот, в автоклавных и других печах с большой теплоизоляцией инерционность велика. Для них кроме оперативного реагирования на скачки температуры необходимо сгладить тепловые импульсы в длительный промежуток времени, в связи с чем возрастает интегральная составляющая.

Рис. 89. Схема регулировки печи с двухсекционным нагревателем, осуществляемая одним прибором ВРТ.

Два нагревателя одной печи можно регулировать одним прибором ВРТ, используя в качестве делителя мощности автотрансформатор (рис. 89). Положением движков автотрансформатора подбирается соотношение напряжений на обмотках, обеспечивающее отсутствие или заданный градиент температуры в рабочем пространстве. Схема хороша еще тем, что можно установить предельное максимальное напряжение на обмотках печи. Даже при полностью открытом тиристоре печь в принципе не может быть перегрета выше некоторой температуры, чем достигается своеобразная "блокировка".

Кроме задач на поддержание определенной температуры перед исследователем возникают задачи изменения температуры по определенной программе, и тогда дело за программным регулятором. В последнее время наметилась тенденция к замене множества регулирующих приборов одним компьютером, способным регулировать и менять температуры по определенной схеме одновременно в 50 - 100 нагревателях. Кстати, для больших лабораторий это выгодно чисто экономически, так как стоимость компьютера на 100 нагревателей лишь в 2 - 3 раза больше, чем стоимость одного комплекта ВРТ. Кроме того, отпадает необходимость в большом числе самописцев: ЭВМ может запоминать температуры и отвечать на вопросы о температуре за определенный промежуток времени и т.д.

В заключение этого обзора регулирующих систем хочется напомнить, что не следует увлекаться погоней за лишней точностью регулирования, так как каждый градус отвоеванной точности приводит к резкому усложнению схемы прибора. И в основном точность эксперимента регламентируется не регулятором, а градиентами температуры в печи, в реакторе и т. д., а также точностью физико-химических методов анализа продуктов опытов. Так, например, при изучении многих минеральных равновесий мы можем определять составы минералов с точностью ± 2 мол. %. Температурная зависимость реакции такова, что подобная точность дает разницу в температуре 20⁰. Ясно, что регулировка температуры опыта ± 5^oбудет вполне достаточной при изучении данного равновесия.

Для гидротермальных экспериментов можно дать следующие оценки точности регулировки температуры (табл. 11).

Таблица 11. Оценка точности регулировки температуры в работах по экспериментальной петрологии.