ДИСКРЕТНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ЗАДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1996 года по МПК H05B1/02 

Изобретение относится к электротехники и может быть использовано в электронных регуляторах температуры и термостатах для установки значения заданной температуры, а также в бытовых электронагревательных приборах, в частности, в электроутюгах.

Известен задатчик температуры (заявка СССР G 05 D 23/19 N 4858059/24 (086084) Устройство для регулирования температуры), используемый также в бытовом электроутюге, содержащий задающий диск, соединенный с осью потенциометра-датчика, отсчетный индекс, закрепленный на корпусе, шкалу, содержащую индексы отсчета задаваемой температуры в виде одной, двух и трех точек. Собственно задатчик температуры потенциометр включен в мостовую схему, измерительная диагональ которой соединена со входами первого компаратора, подключенного через ограничитель напряжения ко второму компаратору, соединенному с делителем напряжения питания и через ключевые элементы с управляющим ходом симистора, цепь анод-катод которого соединена последовательно с нагревательным элементом и источником питания. Поворотом движка потенциометра-датчика изменяется разность потенциалов в измерительной диагонали мостовой схемы и происходит управление включением первого компаратора и установка заданной температуры, которая обрабатывается терморегулятором.

Недостатками известного устройства являются:
наличие механического скользящего контакта потенциометра, не позволяющего точно задать необходимую температуру;
значительная межвитковая погрешность потенциометра из-за его малых размеров и необходимого большого значения сопротивления в связи с установкой его на входе компаратора;
недостаточная надежность задатчика в связи с наличием электромеханических и механических деталей, находящихся в постоянном движении в области с высокой температурой, так как такой задатчик устанавливается обычно над подошвой электроутюга, имеющей температуру (100 200)^oC;
низкая разрешающая способность, связанная с видом индикации заданной температуры, формой шкалы и индекса отсчета, что не позволяет задать температуру точно;
Так, шаговые, конструктивные погрешности и погрешность потенциометра (неточность установок, межвитковая погрешность и др.) приводят к тому, что по ГОСТ 307-81 установлена полная погрешность задавания температуры задатчиком такого типа ±20^oC для температуры регулирования 90^oC и ±30^oC для температуры регулирования 175^oC.

Это в свою очередь не позволяет задать температуру, необходимую для качественной обработки ткани в электроутюге или приготовления продукта в электропечи и т.п.

Наиболее близким по существу является задатчик температуры по заявке Японии N 2-35600 кл. D 06 F 75/26, используемый в электроутюге (ИСМ 55-6-91: c. 42). Устройство содержит задающий блок в виде набора кнопок-выключателей, соединенных каждая последовательно с резистором, термоэлемент, схему управления нагревателем, которая сравнивает выходные сигналы термодатчика и задающего блока и в соответствии с заданной температурой управляет подачей тока в нагревательный элемент, схему определения необходимой температуры, которая срабатывает, если выходной сигнал термодатчика попадает в стандартный температурный диапазон, установленный по выходным сигналам задающего блока, который содержит индикатор низкой температуры и индикатор высокой температуры, схему управления тиристором, который через реле включает или выключает нагревательный элемент.

Недостатками известного устройства являются:
значительное число кнопок-выключателей задатчика температуры, число которых определяется числом задаваемых точек регулирования;
недостаточная информативность задатчика, связанная с пассивным видом индикации в виде нажатой кнопки и свечением двух одних и тех же светодиодов при любом значении заданной температуры, что вызывает необходимость постоянной сравнительной оценки факта достижения любой заданной температуры по загоранию светодиодов с фактом задания именно нужной температуры по нажатой кнопке. Такая оценка неудобна и вызывает дополнительную утомляемость и дискомфорт;
недостаточная надежность из-за большого числа механических элементов-выключателей;
ограниченные возможности увеличения числа точек задавания температуры, т. к. каждая кнопка занимает определенное место, связанное с размерами руки потребителя, что принципиально не позволяет сократить размеры задающего блока;
наличие временной неопределенности от момента нажатия кнопки с заданной температурой до момента включения светодиода сигнализации.

Изобретение решает задачу повышения точности установки заданной температуры, улучшения потребительских свойств задатчика температуры за счет реверсивного управления задаваемой температурой с оценкой этого значения по индикатору и формированием сигнала управления электронным терморегулятором.

Технический результат, достигаемый предлагаемым устройством, заключается:
в возможности дискретного увеличения и уменьшения заданной температуры прямым управлением двумя кнопочными выключателями;
в повышении точности установки заданной температуры на входе электронного терморегулятора за счет использования реверсивного счетчика и цифроаналогового преобразователя (ЦАП);
в улучшении потребительских свойств за счет автоматической начальной установки реверсивного счетчика в начальное (нулевое) состояние, индикации этого состояния и формирования нулевого сигнала на выходе ЦАП, автоматически отключающего нагревательный элемент через электронный терморегулятор.

Технический результат предлагаемого устройства достигается тем, что в дискретный электронный задатчик температуры, содержащий первый кнопочный выключатель, соединенный с первым резистором и первым входом блока установки температуры, индикатор, генератор импульсов, введены второй кнопочный выключатель, соединенный со вторым резистором и вторым входом блока установки температуры, первый и второй выходы которого соединены соответственно с С-входом и входом реверса реверсивного счетчика, выходы которого через первый и второй дешифраторы подключены соответственно к индикатору и цифроаналоговому преобразователю, соединенному с первым входом электронного терморегулятора, второй вход которого соединен с датчиком температуры, имеющим тепловую связь с нагревательным элементом, соединенным последовательно с источником питания и цепью анод-катод тиристора, управляющий электрод и анод которого подключены к выходам электронного терморегулятора, R-вход реверсивного счетчика соединен с блоком начальной установки, а третий вход блока установки температуры соединены с генератором импульсов.

Существенными признаками заявленного устройства, отличительными от прототипа, являются:
второй кнопочный выключатель, соединенный со вторым резистором и вторым входом блока установки температуры;
реверсивный счетчик, С-вход и вход реверса которого соединены с выходами блока установки температуры;
блок начальной установки, соединенный с R-входом реверсивного счетчика;
цифроаналоговый преобразователь, соединенный через второй дешифратор с выходом реверсивного счетчика и первым входом электронного терморегулятора; ко второму входу которого подключен датчик температуры, имеющий тепловую связь с нагревательным элементом;
соединение индикатора через первый дешифратор с выходами реверсивного счетчика;
При нажатии первой кнопки блока управления блок установки температуры устанавливает по входу ±1 реверса счетчик в режим сложения, и импульсы от генератора импульсов через блок установки температуры изменяют состояние счетчика до тех пор, пока нажата первая кнопка. Выходной код счетчика преобразуется первым дешифратором в позиционный код индикатора и вторым дешифратором в двоичный код для преобразования его в цифроаналоговом преобразователе в постоянное напряжение, соответствующее ступенчатому изменению двоичного кода. Это напряжение, пропорциональное заданной температуре, сравнивается в электронном терморегуляторе с напряжением, формируемым от датчика температуры. Электронный терморегулятор включает тиристор, если сигнал с датчика температуры меньше напряжения с выхода ЦАП и выключает его при превышении сигнала с датчика температуры.

Для уменьшения величины заданной температуры нажимают второй кнопочный выключатель, при этом блок установки температуры формирует сигнал установки реверсивного счетчика в режим вычитания, и импульсы на его С-входе уменьшают выходной код счетчика. На индикаторе засвечивается светодиод с меньшим номером, а на выходе ЦАП ступенчато уменьшается напряжение, пропорциональное заданной температуре. Электронный терморегулятор автоматически отслеживает изменение напряжения, соответствующего заданной температуре.

Блок начальной установки при включении питания формирует короткий импульс установки счетчика по R-входу в начальное (нулевое) состояние, при этом через первый дешифратор засвечивается первый светодиод, обозначающий выключенное состояние электронного терморегулятора, так как ЦАП при этом формирует нулевое напряжение на выходе, которое приводит к отключению тиристора.

Наличие первого кнопочного выключателя на увеличение, а второго кнопочного выключателя на уменьшение заданной температуры позволяет без выключения питания по индикатору задавать ступенчато любое значение заданной температуры от минимального значения до максимального, при этом на первом входе электронного терморегулятора формируется точное напряжение, обеспечивающее точную отработку терморегулятором заданного значения температуры.

В частном случае выполнение электронного задатчика температуры по п. 2 формулы изобретения технический результат заключается в повышении удобства оценки заданной температуры в виде десятичного трехразрядного числа, что позволяет исключить таблицы идентификации величины температуры с номером светящегося элемента индикатора. Этим улучшается внешний вид и потребительские качества изделия с предлагаемым задатчиком температуры.

Технический результат предлагаемого устройства в частном случае выполнения по п. 2 формулы изобретения достигается тем, что индикатор выполнен трехразрядным десятичным, а первый дешифратор выполнен в виде преобразователя двоичного кода в семисегментный код индикатора.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 пример реализации схемы блока установки температуры.

Дискретный электронный задатчик температуры содержит генератор импульсов 1, первый 2.1 и второй 2.2 кнопочные выключатели, первый 2.3 и второй 2.4 резисторы, составляющие блок управления 2, блок установки температуры 3, двоичный реверсивный счетчик 4, блок начальной установки 5, первый 6 и второй 7 дешифраторы, индикатор 8, цифроаналоговый преобразователь 9, датчик температуры 10, электронный терморегулятор 11, симистор 12, нагревательный элемент 13, тепловую связь 14, источник питания 15.

Блок управления 2 (фиг. 1) содержит кнопку увеличения заданной температуры 2.1, кнопку уменьшения заданной температуры 2.2, резисторы 2.3, 2.4.

Индикатор 8 (фиг. 1) содержит первый 8.1, n-ный 8.n светодиоды индикации ступеней заданной температуры.

Блок установки температуры 3 (фиг. 2) содержит элемент И 3.1, 3.2, инвертор 3.3, элемент И 3.4, элементы задержки 3.5 3.7, элемент ИЛИ 3.8, триггер 3.9.

Генератор импульсов 1 предназначен для формирования низкочастотных периодических импульсов, например, частоты 2 Гц, определяющих время перехода на следующую ступень заданной температуры, и соединен с первым входом блока установки температуры 3.

Генератор импульсов 1 может быть выполнен, например, на основе симметричного мультивибратора.

Блок управления 2 предназначен для изменения величины заданной температуры в сторону ее увеличения или уменьшения и соединен с первым и вторым входами блока установки температуры 3.

Кнопочный выключатель 2.1 служит для увеличения величины заданной температуры, при нажатии на него положительный потенциал подается на первый вход блока 3.

Кнопочный выключатель 2.2 служит для уменьшения величины заданной температуры, при нажатии на него положительный потенциал подается на второй вход блока 3.

Резисторы 2.3 и 2.4 предназначены для подачи нулевого потенциала на входы 1 и 2 блока 3 при разомкнутых кнопках 2.1 и 2.2.

Блок установки температуры 3 предназначен для:
создания сигнала приоритета при одновременном нажатии кнопок увеличения и уменьшения заданной температуры;
для формирования сигнала реверса двоичного счетчика 4 и импульсных сигналов изменения его состояния, и соединен первым выходом с С-входом счетчика 4, а вторым выходом со входом ±1 управления реверсом счетчика 4.

Блок установки температуры 3 может быть выполнен, например, по схеме фиг. 2.

Третий вход блока 3, на который подаются импульсы с генератора импульсов 1, соединен с первыми входами элементов И 3.1 и 3.2, на эти входы подаются импульсы с генератора импульсов 1.

На первый вход блока 3 подается сигнал на увеличение, а на второй вход - на уменьшение заданной температуры с блока 2.

Элемент И 3.1 разрешает прохождение импульсов на S-вход триггера 3.9 при нажатии кнопки 2.1 (увеличение), а элемент И 3.2 разрешает прохождение импульсов на R-вход триггера 3.9 при нажатии кнопки 2.2 (уменьшение).

Элемент И 3.4 запрещает прохождение этих импульсов на R-вход триггера 3.9 при одновременном нажатии кнопок 2.1 и 2.2. Таким образом устанавливается приоритет кнопки, которая нажата позже.

Триггер 3.9 фиксирует направление изменения указанной температуры в сторону ее увеличения (нажата кнопка 2.1) или в сторону уменьшения (нажата кнопка 2.2). Его выход соединен со вторым выходом блока установки температуры 3, соединенным со входом реверса счетчика 4.

Выходы элементов И 3.1 и 3.4 через элементы задержки 3.6 и 3.7 и элемент ИЛИ 3.8 соединены с первым выходом блока установки температуры 3.

Элементы задержки 3.6 и 3.7 необходимы для того, чтобы импульсы с выхода элемента ИЛИ 3.8 поступили на счетный вход реверсивного счетчика 4 после того, как а его входе ±1 реверса установится потенциал с выхода триггера 3.9, определяющий направление счета.

Элементы задержки 3.5 3.7 могут быть выполнены на интегрирующей RC-цепочке, входом которой служит резистор, а выходом точка соединения резистора и конденсатора.

Реверсивный счетчик 4 соединен R-входом с блоком начальной установки 5, счетным С-входом с первым выходом блока 3, а входом ±1 реверса со вторым выходом блока 3. Выход счетчика 4 соединен с первым 6 и вторым 7 дешифраторами.

Счетчик 4 предназначен для счета и фиксации импульсов, поступающих на его счетный С-вход, число которых и порядок следования определяют задаваемую с помощью кнопок 2.1 или 2.2 температуру.

Счетчик 4 может быть выполнен на основе двоичного счетчика или кольцевым.

Блок начальной установки 5 соединен с R-входом установки в нуль счетчика 4 и предназначен для начальной (нулевой) установки счетчика 4. Он может быть выполнен в виде дифференцирующей RC-цепи, подключенной к источнику питания элементов устройства. Конденсатор дифференцирующей цепи соединяется с плюсом источника питания, резистор с общей шиной, а точка соединения конденсатора и резистора является выходом блока начальной установки 5. При включении питания устройства дифференцирующая RC-цепь формирует короткий положительный импульс, который с выхода блока 5 подается на R-вход счетчика 4 и устанавливают его в нулевое состояние.

Дешифратор 6 предназначен для преобразования выходного кода счетчика 4 в позиционный код для индикатора 8 и соединен с индикатором 8.

Выполнение дешифратора 6 зависит от типа счетчика 4. Если в качестве счетчика 4 используется кольцевой счетчик, то дешифратор 6 представляет собой провода связи, соединяющие разряды кольцевого счетчика с разрядами индикатора 8.

Если в качестве счетчика 4 используется двоичный счетчик, то дешифратор 6 преобразует двоичный код счетчика 4 в позиционный код индикатора 8.

В частном случае выполнения устройства по п. 2 формулы изобретения дешифратор 6 выполнен как преобразователь двоичного кода в трехразрядный семисегментный цифровой код.

Дешифратор 7 предназначен для преобразования выходного кода счетчика 4 в n-разрядный двоичный код ЦАП 9. Если счетчик 4 выполнен как двоичный счетчик, то дешифратор 7 представляет собой провода связи n-разрядной выходной шины счетчика 4 с n-разрядной входной шиной ЦАП 9.

Индикатор 8 предназначен для индикации заданной температуры.

Индикатор 8 может быть выполнен в виде n-разрядного светодиодного позиционного индикатора, например, в виде 8-разрядного. Свечение светодиода соответствует одному состоянию счетчика 4. При нулевом состоянии счетчика 4 включен первый светодиод, при состоянии счетчика 4 001 включен второй и т.д. Нулевое состояние счетчика соответствует режиму включения питания, при котором сигналом сброса с блока начальной установки 5 счетчик 4 устанавливается в начальное состояние. Каждому изменению состояния счетчика 4 соответствует включение следующего светодиода. Таким образом, если весь задаваемый температурный диапазон разбит на восемь частей, то свечению одного из восьми светодиодов соответствует определенная заданная температура.

В частном случае выполнения устройства по п. 2 формулы изобретения индикатор может быть выполнен в виде n-разрядного десятичного индикатора, например, трехразрядного, тогда дешифратор 6 преобразует код счетчика 4 в трехразрядный семисегментный код.

Цифроаналоговый преобразователь 9 предназначен для формирования на выходе устройства постоянного напряжения, пропорционального задаваемой температуре, и преобразует двоичный код на выходе дешифратора 7 в аналоговое постоянное напряжение. ЦАП 9 связан с первым входом электронного терморегулятора 11, второй вход которого соединен с датчиком температуры 10.

Датчик температуры 10 предназначен для определения температуры нагревательного элемента 13 и имеет с ним тепловую связь 14. Датчик температуры может быть выполнен, например, на основе терморезистора или термодиода.

Электронный терморегулятор 11 предназначен для сравнения заданной температуры, полученной в виде постоянного напряжения на выходе ЦАП 9, и фактической температуры, полученной на выходе датчика температуры 10 в виде изменения сопротивления терморезистора, и для формирования сигнала управления тиристором 12 для включения и выключения нагревательного элемента 13.

Электронный терморегулятор 11 может быть выполнен, например, по заявке N 4858059/24 (086084) Устройство для регулирования температуры (положительное решение ВНИИГПЭ от 30.07.91).

Тиристор 12 предназначен для подключения нагревательного элемента 10 к источнику питания 15 во включенном состоянии и для отключения его в выключенном состоянии и соединен последовательно с нагревательным элементом 13 и источником питания 15 цепью анод-катод. Управляющий электрод и анод тиристора 12 соединены с выходом электронного терморегулятора 11.

Электронный задатчик температуры работает следующим образом.

При включении питания блок начальной установки 5 устанавливает счетчик 4 в нулевое состояние, на индикаторе 8 засвечивается светодиод 8.1 первого разряда, показывающий, что электронный задатчик температуры включен, и на выходе ЦАП 9 устанавливается нулевой потенциал. Электронный терморегулятор выключен, тиристор 12 также выключен, и нагревательный элемент 13 отключен от источника питания 15. Так как кнопочные выключатели 2.1 и 2.2 не нажаты, то элементы И 3.1 и 3.2 блока 3 закрыты, и импульсы, формируемые генератором импульсов 1, не поступают на выход блока 3.

При нажатии кнопки 2.1 на увеличение заданной температуры элемент И 2.1 открывается, и импульсы с выхода генератора импульсов 1 поступают на S-вход триггера 3.9 и устанавливают его в единичное состояние, которое со второго выхода блока 3 устанавливает реверсивный счетчик 4 по входу ±1 в режим сложения входных импульсов, которые поступают с первого выхода блока 3. Каждый входной импульс счетчика 4 изменяет его состояние, которое дешифрируется дешифратором 6 и индицируется соответствующим светодиодом на индикаторе 8. При засвечивании светодиода, соответствующего выбранному значению заданной температуры, кнопку 2.1 отпускают. Выходной код (состояние) счетчика 4 дешифрируется дешифратором 7 и преобразуется цифроаналоговым преобразователем 9 в постоянное напряжение, поступающее на первый вход терморегулятора 11. Так как это напряжение больше, чем сигнал с датчика температуры 10, терморегулятор 11 включает тиристор 12, и нагревательный элемент 13 подключается к источнику питания 15 и нагревается до тех пор, пока по тепловой связи 14 датчик температуры 10 не сформирует сигнал, соответствующий заданному напряжению с выхода ЦАП 9. Терморегулятор 11 отключит тиристор 12, и нагревательный элемент 13 отключится от источника питания 15.

Для уменьшения величины заданной температуры нажимают кнопку 2.2, открывается элемент 3.2 и через открытый элемент И 3.4 импульсы с выхода генератора импульсов 1 поступают на R-вход триггера 3.9. и устанавливают его в нулевое состояние. Нулевой потенциал с выхода триггера 3.9 (выход 2 блока 3) устанавливает реверсивный счетчик 4 в режим вычитания, и выходные импульсы с первого выхода блока 3 уменьшает код на выходе счетчика 4. На индикаторе 8 засвечивается светодиод с меньшим значением заданной температуры, а на выходе ЦАП 9 уменьшается величина выходного напряжения. Сигнал с выхода датчика температуры 10, поступающий от нагретого элемента 13 становится больше напряжения с выхода ЦАП 9, терморегулятор 11 отключает тиристор 12, и нагревательный элемент 13 охлаждается до заданного значения температуры, после чего процесс регулирования температуры повторяется автоматически.

Сущность изобретения: устройство содержит первый кнопочный выключатель, первый резистор, блок установки температуры, индикатор и генератор импульсов и вновь введенные второй кнопочный выключатель, второй резистор, реверсивный счетчик, первый и второй дешифраторы, цифроаналоговый преобразователь, электронный терморегулятор, тиристор, нагревательный элемент, источник питания, блок начальной установки. Технический результат изобретения заключается в возможности реверсивной установки заданной температуры двумя кнопочными включателями, в повышении точности установки заданной температуры и в улучшении потребительских свойств устройства с использованием электронного задатчика температуры. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Дискретный электронный задатчик температуры, содержащий первый и второй кнопочные выключатели, соединенные с первым и вторым резисторами соответственно, терморегулятор, второй вход которого подключен к датчику температуры, имеющему тепловую связь с нагревательным элементом, соединенным последовательно с источником питания и цепью анод-катод тиристора, управляющий электрод и анод которого подключены к выходам терморегулятора, и индикатор, отличающийся тем, что в него введены блок установки температуры, к первому и второму входам которого подключены первый и второй кнопочные выключатели, генератор импульсов, выход которого подключен к третьему входу блока установки температуры, реверсивный счетчик, С-вход которого и R-вход соединены с первым и вторым выходами блока установки температуры соответственно, первый и второй дешифраторы, входы которых подключены к выходам реверсивного счетчика, а выход первого дешифратора подключен к индикатору, цифроаналоговый преобразователь, входы которого подключены к выходам второго дешифратора, а выход к первому входу терморегулятора, блок начальной установки, соединенный с R-входом реверсивного счетчика. 2. Задатчик температуры по п.1, отличающийся тем, что индикатор выполнен трехразрядным десятичным, а первый дешифратор в виде преобразователя двоичного кода в семисегментный трехразрядный код.