УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ЦИФРОВОГО ТЕРМОСТАТА И ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО МНОГОПОЗИЦИОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2000 года по МПК G05D23/00 F23N5/20 

Настоящее изобретение относится к устройству управления электронного цифрового термостата и его использованию в многопозиционном устройстве управления температурой холодильных и обогревающих систем.

Уровень техники
Электрические устройства управления в холодильных/обогревающих системах в основном содержат термостат, пусковое реле двигателя и средство защиты от перегрузок, которые управляют работой двигателя. Более крупные модели также включают таймер и простое логическое средство для управления электрическим нагревателем (для автоматического размораживания). Некоторые дорогие модели включают также один или несколько электромагнитов или двигателей для управления вентиляторами/средствами отклонения воздушного потока для автоматического поддержания температуры в дополнительных отделениях аппарата.

Обычно используемые устройства для измерения и управления температурой в термостатах состоят из:
1). Капиллярных трубок, заполненных газом/жидкостью, в которых происходящее с изменением температуры расширение/сжатие газа/жидкости используется для определения/управления температурой.

2). Биметаллических элементов, в которых изгиб/деформация биметаллической полоски из двух металлов с сильно отличающимися коэффициентами теплового расширения используется для определения воспринимаемой ими температуры.

3). Гофрированных трубок, растягиваемых расширяющимся газом/жидкостью, которые, в свою очередь, перемещают механический контакт и включают электрическую схему при заданном значении измеряемой величины.

4). Изгибающихся биметаллических полосок, выполняющих функции подвижных механических выключателей, управляющих электрической схемой.

Эти обычные методы/средства имеют следующие недостатки:
а) Неточность и несовершенство измерения температуры
в) Низкая надежность.

Также известны аналоговые устройства термостатов, см., например, патенты США NN 3666973, 4119835, 4137770, 4290481, 4638850, 5520327, 5528017 и 5592989. Однако им свойственны следующие недостатки:
1) Тенденция к температурному и временному дрейфу.

2) Отклонения в работе от узла к узлу из-за влияния допусков на параметры и характеристики комплектующих элементов.

3) Восприимчивость к шумам.

Известно также использование кремниевого диода в качестве датчика температуры, см., например, патент США N 4137770, в котором для определения температуры используется смещенный в прямом направлении кремниевый диод, включенный в мостовую схему. Аналоговый термостат, описанный в этом патенте США, пригоден только для фиксированной температуры стабилизации и не может использоваться для изменяющейся температуры стабилизации. Кроме того, при использовании кремниевого диода для измерения температуры возникают трудности с его калибровкой в диапазоне температур. Эти ограничения не были учтены в упомянутом патенте США.

Также используются и электронные цифровые термостаты. Эти термостаты были описаны, например, в патентах США NN 5329991, 5107918, 4948044, 4799176, 4751961 и 4669654. Однако в этих электронных цифровых термостатах используются дорогие термочувствительные элементы, такие как термисторы, термопары или платиновые резисторные термометры. Для этих чувствительных элементов требуются сложные и дорогие схемы сопряжения. Все это делает эти термостаты неприемлемыми для применения в холодильниках, за исключением наиболее дорогих их моделей. Кроме того, многие преимущества электронных термостатов, такие как повышенная надежность работы, не могут быть в полной мере реализованы при использовании совместно с обычными пусковым реле, средством защиты от перегрузок, таймером размораживателя и др. Замена каждого из этих элементов их электронными эквивалентами, внедрение энергосбережения или других полезных для потребителя функций показала свою экономическую эффективность только в наиболее дорогих моделях холодильных агрегатов.

Обычные средства защиты от перегрузок основаны на использовании одного из следующих принципов построения:
а) Биметаллические элементы, в которых изгиб/деформация биметаллической полоски из двух металлов с сильно отличающимися коэффициентами теплового расширения определяет воздействующую на них температуру. Размеры и форма биметаллической полоски определяют температуру, при которой происходит тепловое размыкание, выполняющее функцию защиты от перегрузки.

б) Резисторы с положительным температурным коэффициентом (ПТК), электрическое сопротивление которых после определенной "пороговой" температуры начинает резко увеличиваться с ростом температуры, при этом такой резистор снижает ток в электрической цепи до незначительной величины.

Оба эти способа имеют недостатки. Биметаллическое средство защиты от перегрузки представляет собой механически перемещающийся элемент, при работе которого происходит искрение при каждом разрыве электрической цепи, сопровождающееся электрическими помехами, а также коррозией контактов.

Резисторы с ПТК подвержены постоянным термоциклам "нагрев-охлаждение", создающим термические напряжения и снижающим надежность. В тоже время, электрические и температурные характеристики резисторов с ПТК требуют согласования с нагрузкой для обеспечения правильной работы электрической схемы. Это ограничивает возможности способа, который в лучшем случае является компромиссом с точки зрения эффективности, так как точное согласование характеристик резисторов с ПТК и нагрузки возможно в редких случаях.

Аналогично обычные способы реализации функции пускового реле и сопутствующие проблемы состоят в следующем:
а) Использование обычного механического реле и присущих ему проблем искрения контактов и пониженной надежности, возникающей из-за использования механического контакта для соединения/разъединения электрической цепи.

б) Применение резисторов с положительным температурным коэффициентом (ПТК), которое связано с теми же проблемами, что возникают при использовании элементов с ПТК для защиты от перегрузки.

Обычный таймер размораживателя в холодильной системе представляет собой электромеханический механизм или таймер с двигателем. Поскольку такой таймер содержит постоянно движущиеся части и искрящие электрические контакты, его надежность весьма ограничена.

Помимо проблем, перечисленных выше, обычные электрические устройства управления в холодильных системах оказываются громоздкими и даже дорогими при осуществлении функций регулировки температуры в нескольких зонах, что желательно в больших холодильных системах. Фактически реализация ряда желательных функций, введение которых обеспечивает энергосбережение и другие полезные для потребителя особенности, оказывается невыполнимой при использовании таких механизмов управления.

Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является преодоление указанных выше недостатков и обеспечение возможности создания электронного цифрового термостата, отличающегося дешевизной, эксплуатационной безопасностью и надежностью.

Другой задачей настоящего изобретения является создание единого компактного электронного многопозиционного устройства управления с использованием упомянутого электронного цифрового термостата, в котором устранены все отмеченные выше недостатки и который, будучи недорогим, обладает преимуществами ныне существующих дорогих электронных устройств управления.

Для достижения указанной задачи в настоящем изобретении предлагается устройство управления электронного цифрового термостата, который включает:
- термодатчик на p-n переходе,
- источник постоянного тока для формирования постоянного тока через термодатчик,
- выход термодатчика соединен с аналого-цифровым преобразователем для формирования цифрового выходного сигнала,
- упомянутый выходной цифровой сигнал подается на схему коррекции чувствительности и смещения датчика, использующую калибровочные данные, хранящиеся в энергонезависимом блоке памяти,
- скорректированный выходной сигнал с выхода схемы коррекции подается на один вход, по крайней мере, одного цифрового компаратора, а на другой вход каждого цифрового компаратора поступает цифровое опорное значение сигнала от упомянутого энергонезависимого блока памяти или регулируемого средства управления,
- выходной сигнал каждого из упомянутых цифровых компараторов фильтруется с помощью цифровых фильтров шумов для подавления случайных шумовых выбросов и запоминается в управляющем регистре-защелке, сообщая его входу состояние "установка/сброс", когда выходной сигнал цифрового компаратора соответствует состоянию "истинный", для приведения в действие средства в приборе потребителя/промышленном агрегате, регулирующего температуру.

Выходной сигнал упомянутого управляющего регистра-защелки подается на выходную схему запуска и защиты, которая постоянно следит за состоянием нагрузки и отключает цепи запуска от твердотельных ключей, если в упомянутом приборе (изделии) потребителя/промышленном агрегате (изделии) возникла перегрузка. Под состоянием перегрузки понимаются перегрев, перегрузка по току и выбросы пусковых токов. Соответственно выходная схема запуска и защиты включает схему защиты от перегрева и контроля за температурой нагрузки, схему защиты от перегрузки по току и схему "мягкого пуска". Схема защиты от перегрузки по току контролирует протекающий через нагрузку ток, а схема "мягкого пуска" обеспечивает эффективный пуск нагрузки с пониженным напряжением в первый момент включения, тем самым снижая пусковой ток, создаваемый в нагрузке, в случае, если нагрузкой является электромотор или нагреватель.

Узел индикации температуры соединен с одним из входов упомянутого цифрового компаратора(ов), на который поступает сигнал со схемы коррекции чувствительности и смещения, а переключатель выбора режима обеспечивает выборочную индикацию либо измеряемой температуры, либо заданного ее значения, соответствующего оцифрованному сигналу с потенциометра/кнопочного выключателя.

Для регулировки пределов устанавливаемой температуры регулируемое средство управления включено последовательно с аналого-цифровым преобразователем и позволяет изменять значение цифрового сигнала, подаваемого на цифровой компаратор через мультиплексор. Упомянутое регулируемое средство управления представляет собой потенциометр либо кнопочный выключатель, который соединен со схемой демпфирования (сглаживания) переходных процессов включения и цифровым счетчиком для подавления выбросов переходного процесса включения и для увеличения/уменьшения значения на выходе цифрового счетчика, выход которого соединен со входом цифрового мультиплексора, который задает, какой сигнал использовать в качестве опорного для цифрового компаратора - сигнал с потенциометра/кнопочного выключателя, задаваемый пользователем (потребителем), либо значение, хранящееся в энергонезависимом блоке памяти.

Выход цифрового коммутатора переключается по сигналу с переключателя выбора режима, проходящего через схему сглаживания переходных процессов включения.

Упомянутый цифровой компаратор сравнивает измеренную и скорректированную температуру с заданным ее значением и вырабатывает сигнал "истинный"/"ложный" для установки/сброса управляющего регистра-защелки, после того, как в фильтре шумов подавлены случайные шумовые выбросы.

На один из цифровых компараторов подается сигнал заданной фиксированной величины из энергонезависимого блока памяти, а на другой цифровой компаратор подается опорный сигнал либо из энергонезависимого блока памяти, либо от регулируемого средства управления потребителя, в зависимости от положения переключателя выбора режима, с помощью которого производится переключение.

Источник питания, используемый для электропитания устройства управления электронного цифрового термостата, в предпочтительном варианте выполнения состоит из емкостной балластной цепи, обеспечивающей малые потери мощности, на выходе которой включен стабилизатор напряжения, выпрямитель и фильтрующая цепь для получения постоянного напряжения. Упомянутый источник питания постоянного тока обеспечивает выходное напряжение в интервале 3-6 В.

Генератор тактовых сигналов подключен к каждой схеме устройства управления электронного цифрового термостата для создания тактовых сигналов, необходимых для работы каждой схемы. Упомянутый генератор тактовых сигналов представляет собой кварцевый генератор, работающий в диапазоне частот 4 - 8 МГц.

Вся схема управления выполнена в виде заказной интегральной схемы специального применения (ИССП) для создания миниатюрного и недорогого термостата, которая не включает в себя чувствительный элемент, потенциометр/кнопочный выключатель регулируемого средства управления потребителя, переключатель выбора режима, узел индикации температуры и твердотельный ключ.

В других вариантах выполнения упомянутой ИССП она не содержит энергонезависимый блок памяти, генератор тактовых сигналов и источник питания, что позволяет расширить возможности энергонезависимого блока памяти при хранении данных о температуре и осуществлять сопряжение с дисплеями различных типов и размеров в одном устройстве. Другие варианты выполнения ИССП также не содержат выходную схему запуска и защиты, чтобы иметь возможность использовать более мощный твердотельный ключ или предоставить дополнительные возможности управления в устройствах с многопозиционной регулировкой температуры.

Для достижения второй задачи настоящее изобретение предлагает электронный узел многопозиционного регулирования температуры, содержащий:
- несколько устройств управления электронного цифрового термостата в соответствии с описанным выше, имеющих общий энергонезависимый блок памяти для хранения опорных и калибровочных значений, для регулирования температуры в заданном числе мест в холодильных/нагревательных системах, в котором
- выходы управляющих регистров-защелок упомянутых управляющих узлов электронного цифрового термостата подключены к логической схеме, использующей данные, хранящиеся независимо в упомянутом энергонезависимом блоке памяти электронного цифрового термостата, которая по выбору подключает выходы к одной или более выходной схеме запуска и защиты, причем упомянутые выходные схемы запуска и защиты через твердотельные ключи обеспечивают работу нагрузки и контроль за ее состоянием,
- центральный узел управления, соединенный с:
1) каждым из упомянутых выходов управляющих регистров-защелок устройства управления электронного цифрового термостата и входами упомянутых выходных схем запуска и защиты для подключения или отключения упомянутых устройств управления электронного цифрового термостата и выходов упомянутых схем запуска и защиты, в зависимости от комбинации сигнала на выходе устройства управления электронного цифрового термостата и управляющего сигнала от потребителя, поступающего с потенциометра или цифровых счетчиков, а также при возникновении нарушений в работе,
2) узлом таймеров системы, который вырабатывает времязадающие сигналы для включения/выключения одной или более из упомянутых выходных схем запуска и защиты в специальных режимах работы,
3) схемой пусковых реле, которая вырабатывает сигналы, необходимые для управления одной или более из упомянутых выходных схем запуска и защиты, когда должна включаться упомянутая нагрузка.

Выходные схемы запуска и защиты, вне зависимости от их числа, имеют каждая в своем составе схему защиты от перегрева и контроля за температурой нагрузки, схему защиты от перегрузки по току и схему "мягкого пуска", причем схема защиты от перегрузки по току контролирует ток через нагрузку, а схема "мягкого пуска" обеспечивает эффективный пуск нагрузки с пониженным напряжением в первый момент включения, тем самым снижая пусковой ток, создаваемый в нагрузке при включении в том случае, если нагрузкой является электромотор или нагреватель.

Упомянутый центральный узел управления является логической схемой для выполнения специальных функций, таких как автоматическое размораживание и быстрое замораживание в случае холодильников и циклы нагрева заданной продолжительности в случае систем нагрева.

Узел индикации подключен к выходу одного из упомянутых устройств управления электронного цифрового термостата для индикации температуры.

По крайней мере один кнопочный выключатель соединен через схему сглаживания переходного процесса включения и цифровой счетчик со входом упомянутого центрального узла управления для формирования сигнала управления потребителя, необходимого для управления упомянутым электронным устройством многопозиционного регулирования температуры.

Вся схема управления выполнена в виде заказной интегральной схемы специального применения (ИССП) для создания миниатюрного и недорогого электронного устройства многопозиционного регулирования температуры, в которой не содержатся термодатчики устройств управления электронных цифровых термостатов, кнопочные выключатели задания переменных параметров потребителем, переключатель выбора режима, узел индикатора температуры, источник питания и твердотельные ключи.

В другом варианте выполнения упомянутая ИССП не содержит также энергонезависимого блока памяти и источник питания, что обеспечивает дополнительные возможности памяти для хранения данных о температуре и позволяет осуществлять сопряжение с дисплеями различных типов и размеров.

Перечень фигур чертежей
Далее описание изобретения будет сопровождаться ссылками на прилагаемые чертежи:
Фиг. 1 показывает устройство управления электронного цифрового термостата в соответствии с настоящим изобретением, в котором для регулировки устанавливаемого значения температуры используется потенциометр.

Фиг. 1(а) показывает выходную схему запуска и защиты в устройстве управления электронного цифрового термостата.

Фиг. 2 показывает другой вариант осуществления устройства, в котором для изменения значения заданной температуры используется кнопочный выключатель.

Фиг. 3 показывает бестрансформаторный источник питания, используемый для электропитания устройства электронного термостата.

Фиг. 4 показывает применение устройства управления электронного цифрового термостата.

Фиг. 5 показывает вариант осуществления изобретения, в котором вся схема управления выполнена в виде интегральной схемы специального применения (ИССП), не содержащей термодатчик, потенциометр/кнопочный выключатель регулятора установки температуры потребителем, переключатель выбора режима, индикатор температуры и твердотельный ключ.

Фиг. 6 показывает другой вариант осуществления изобретения в виде ИССП, в котором энергонезависимый блок памяти, генератор тактовых сигналов и источник питания постоянного тока не входят в состав ИССП.

Фиг. 7 показывает еще один вариант осуществления изобретения в виде ИССП, в котором энергонезависимый блок памяти, генератор тактовых сигналов, источник питания постоянного тока и выходная схема запуска и защиты не входят в состав ИССП.

Фиг. 8 показывает электронный узел многопозиционного регулирования температуры, в котором используется пять устройств управления электронного цифрового термостата, имеющих общий энергонезависимый блок памяти.

Фиг. 8(а) показывает выходную схему запуска и защиты в электронном устройстве многопозиционного регулирования температуры.

Фиг. 9 показывает применение электронного устройства многопозиционного регулирования температуры в холодильнике с тремя отдельными камерами.

Фиг. 10 показывает применение электронного устройства многопозиционного регулирования температуры в кофейном торговом автомате.

Фиг. 11 показывает вариант осуществления изобретения, в котором вся схема, за исключением термодатчиков элементов, переключателей, источника питания постоянного тока, твердотельных ключей и узла индикатора, выполнена в виде интегральной схемы специального применения (ИССП).

Фиг. 12 показывает вариант осуществления, в котором вся схема, за исключением термодатчиков устройства управления электронного цифрового термостата, переключателей, источника питания постоянного тока, твердотельных ключей, энергонезависимого блока памяти и узла индикатора, выполнена в виде интегральной схемы специального применения (ИССП).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг. 1 и 1(а) элемент (1) представляет собой термодатчик, состоящий из одного полупроводникового p-n перехода (т.е. диода). Источник постоянного тока (2) создает для упомянутого термодатчика (1) ток смещения. Сигнал от термодатчика (1), который представляет собой аналоговое постоянное напряжение, линейно уменьшающееся с повышением температуры, преобразуется в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе (3). Выходной цифровой сигнал подстраивается с учетом смещения и чувствительности чувствительного элемента цифровой схемой коррекции чувствительности и смещения (4) в соответствии с корректирующими коэффициентами, поступающими на нее от энергонезависимого блока памяти (19). Скорректированный цифровой сигнал подается на цифровые компараторы (5 и 6). На входы каждого цифрового компаратора наряду с цифровыми сигналами от схем коррекции чувствительности и смещения (4) также подаются сигналы, соответствующие опорным значениям. На цифровой компаратор (5) подается сигнал фиксированного значения от энергонезависимого блока памяти (19), а другой цифровой компаратор (6) получает свой опорный сигнал либо от энергонезависимого блока памяти (19), либо от регулировочного устройства потребителя (12), в зависимости от положения "включено/выключено" переключателя выбора режима (16). В том случае, если регулировочным средством потребителя является потенциометр (12), постоянное напряжение с потенциометра подается на аналого-цифровой преобразователь (14), который переводит его в цифровую форму, пригодную для цифрового компаратора (6). Потенциометр (12) запитывается от источника постоянного тока (13), чтобы обеспечить отсутствие влияние на сигнале с потенциометра флуктуаций напряжения источника питания. Выход аналого-цифрового преобразователя (14) подключен к цифровому мультиплексору (15), который задает, какой сигнал используется цифровым компаратором (6) в качестве опорного отключающего сигнала, - задаваемый пользователем сигнал с потенциометра либо сигнал с фиксированным значением из энергонезависимого блока памяти. Цифровой мультиплексор (15) управляется сигналом с выхода переключателя выбора режима (16), пропущенного через схему сглаживания переходного процесса включения (17). Выходные сигналы обоих цифровых компараторов (5 и 6) проходят через цифровые фильтры шумов (7 и 8) для подавления случайных шумовых выбросов, а затем поступают на входы управляющего регистра-защелки (9), который управляет выходной схемой запуска и защиты (10). Выходная схема запуска и защиты (10), включающая в себя схему "мягкого запуска" (10A), схему защиты от перегрева и контроля за температурой нагрузки (10B) и схему защиты от перегрузки по току (10C), управляет твердотельным ключом (11) для включения соответствующего средства в приборе потребителя/промышленном агрегате для корректировки температуры либо минимизации перегрузок от пусковых токов, если нагрузкой является электромотор или нагреватель, а также для защиты от перегрева и перегрузки по току. Сигнал с выхода цифровой схемы коррекции чувствительности и смещения (4) также выводится на узел индикации (18), где показывается измеряемая температура. Генератор тактовых сигналов (20) и источник питания (21) соединены со всей схемой так, как показано на фиг. 1.

В варианте, показанном на фиг. 2, изменяемый сигнал управления потребителя создается не потенциометром (12), а кнопочным выключателем (22). Сигнал с кнопочного выключателя (22) подается на схему сглаживания переходного процесса включения (23), с выхода которой при каждом нажатии кнопки кнопочного выключателя, поступает импульс на цифровой счетчик (24), в котором формируется значение, соответствующее выбранной управляющей предельной величине, подаваемое далее на цифровой компаратор (6) через цифровой мультиплексор (15), который задает, какой сигнал поступит на вход цифрового компаратора (6), - сигнал с выхода цифрового счетчика (24) или сигнал фиксированной величины от энергонезависимого блока памяти (19). Цифровой мультиплексор (15) управляется сигналом переключателя выбора режима (16), прошедшим через схему сглаживания переходного процесса включения (17).

На фиг. 3 показан бестрансформаторный источник питания (21) на напряжение от 3 до 6 B, используемый для питания устройства управления электронного цифрового термостата. Емкостная балластная цепь (25) в сочетании с цепью стабилизации напряжения на стабилитроне (26) понижает высокое входное напряжение переменного тока. Полученное низкое напряжение переменного тока затем выпрямляется диодом (27) и фильтруется конденсатором (28). Низкое напряжение постоянного тока описанного источника используется для питания схемы.

На фиг. 4 показано применение устройства управления электронного цифрового термостата. Термодатчик (1) помещен внутрь прибора (29), температуру которого нужно регулировать (например, холодильник в случае бытовых приборов или кожух охлаждения двигателя в случае применения в промышленности/на транспорте). Термодатчик (1) расположен вне устройства управления электронного цифрового термостата (30). Устройство (31), которое включается устройством управления электронного цифрового термостата для осуществления корректировки температуры, - мотор компрессора в случае холодильника или вентилятор обдува радиатора/насоса охлаждающей жидкости в случае двигателя с воздушным или жидкостным охлаждением, также расположено отдельно.

На фиг. 5 показано осуществление схемы управления устройства управления электронного цифрового термостата в виде заказной интегральной схемы специального применения (ИССП) (32), что обеспечивает одновременно миниатюрность конструкции и ее дешевизну. Термодатчик (1) подсоединен к ИССП. Аналогично твердотельный ключ (11) включен на выходе ИССП. Переключатель выбора режима (16) и кнопочный выключатель (22) для выбора источника задания температуры отключения и установки предельного значения температуры также по отдельности подключены к ИССП. Узел индикации (18) прямо подключен к ИССП и управляется ей непосредственно.

На фиг. 6 показан другой вариант осуществления с использованием ИССП (33), в котором энергонезависимый блок памяти (19), генератор тактовых сигналов (20) и источник питания (21) выведены из состава ИССП для увеличения емкости энергонезависимого блока памяти и обеспечения сопряжения с индикаторами различных типов и размеров. Увеличенная емкость энергонезависимого блока памяти позволяет хранить больше данных о температуре.

На фиг. 7 показан еще один вариант осуществления схемы управления устройства управления электронного цифрового термостата в виде ИССП (34), в которой выходная схема запуска и защиты (10) также вынесена из интегральной схемы для обеспечения работы более мощных твердотельных ключей, чей рабочий ток превышает ток, который может быть получен с одного чипа. Это позволяет управлять значительно более мощными нагрузками.

Описание работы:
Термодатчик, состоящий из одного полупроводникового диода с p-n переходом (1), при протекании через него тока смещения, формируемого источником постоянного тока (2), формирует постоянное напряжение, которое уменьшается прямо пропорционально увеличению измеряемой температуры. Это постоянное напряжение подводится на вход аналого-цифрового преобразователя (3). Аналого-цифровой преобразователь формирует цифровой сигнал, значение которого равно постоянному напряжению на его входе. Этот цифровой сигнал поступает на цифровую схему коррекции чувствительности и смещения, которая корректирует его с учетом смещения и чувствительности чувствительного элемента с использованием корректировочного коэффициента, поступающего в цифровой форме из энергонезависимого блока памяти (19). В результате формируется сигнал, значение которого соответствует скорректированной измеренной температуре. Этот сигнал, соответствующий скорректированной измеренной температуре, подается на один из входов каждого из цифровых компараторов (5 и 6). На другой вход цифрового компаратора (5) подается "опорный" сигнал фиксированного значения из энергонезависимого блока памяти (19). Значение сигнала, соответствующего скорректированной измеренной температуре, поступающего с выхода цифровой схемы коррекции чувствительности и смещения (4), сравнивается с "опорным" значением в цифровом компараторе (5) и в результате вырабатывается сигнал "истинный"/"ложный". С выхода цифрового компаратора (5) сигнал подается на цифровой фильтр шумов (7) для подавления случайных выбросов. Отфильтрованный сигнал с выхода цифрового фильтра шумов (7) поступает на вход "сброс" управляющего регистра-защелки (9). Если выход цифрового компаратора (5) находится в состоянии "истинный", ему соответствует состояние "сброс" управляющего регистра-защелки.

На другой цифровой компаратор (6) "опорное" значение поступает либо от энергонезависимого блока памяти (19), либо от регулировочного средства потребителя (12) в зависимости от состояния переключателя выбора режима (16), с помощью которого производится выбор. В том случае, если регулировочным средством потребителя (регулируемым средством управления) является потенциометр (12), напряжение постоянного тока с потенциометра попадает на аналого-цифровой преобразователь (14), который преобразует его в цифровую форму, пригодную для цифрового компаратора (6). Напряжение на потенциометр поступает от источника постоянного тока (13), чтобы исключить влияние на выходной сигнал потенциометра флуктуаций напряжения источника питания. Выход аналого-цифрового преобразователя (14) подключен к цифровому мультиплексору (15), который задает, какой сигнал будет использован в качестве "опорного" цифровым компаратором (6), - регулируемый потребителем сигнал с потенциометра (12) либо сигнал с постоянным значением из энергонезависимого блока памяти (19).

Если вместо потенциометра (12) управляющий сигнал потребителя формируется кнопочным выключателем (22), сигнал от него сначала проходит через схему сглаживания переходного процесса включения (23) для подавления выбросов переходного процесса включения, а затем используется для увеличения/уменьшения значения сигнала в цифровом счетчике (24). Сигнал с выхода цифрового счетчика далее поступает на вход цифрового мультиплексора (15), который задает, какой сигнал будет использоваться в качестве "опорного" цифровым компаратором (6), - регулируемый потребителем сигнал с кнопочного выключателя (22) либо сигнал с постоянным значением из энергонезависимого блока памяти (19).

Цифровой мультиплексор (15) управляется сигналом от переключателя выбора режима (16) после его обработки в схеме сглаживания переходного процесса включения (17) для подавления выбросов переходного процесса включения. В цифровом компараторе (6) сравнивается откорректированное значение измеренной температуры с "опорным" значением и вырабатывается выходной сигнал "истинный"/"ложный", который после фильтрации случайных шумовых выбросов в цифровом фильтре шумов (8) используется для "установки" управляющего регистра-защелки (9).

Управляющий регистр-защелка (9) вырабатывает цифровой сигнал, который включает/выключает выходную схему запуска и защиты (10). Выходная схема запуска и защиты (10) вырабатывает сигналы, требующиеся для отпирания твердотельного ключа (11), которым включается соответствующее средство в приборе потребителя/промышленной установке для корректировки температуры. Выходная схема запуска и защиты (10), в состав которой входит схема защиты от перегрева и контроля за температурой нагрузки (10B) и схема защиты от перегрузки по току (10C), постоянно следит за состоянием нагрузки и отключает твердотельный ключ (11), если возникает перегрев или перегрузка по току. В состав выходной схемы запуска и защиты входит также схема "мягкого пуска" (10А), которая обеспечивает эффективный пуск нагрузки с пониженным напряжением в первый момент включения, тем самым снижая пусковой ток, создаваемый в нагрузке, в том случае, если нагрузкой является электромотор или нагреватель.

Выход схемы коррекции чувствительности и смещения (4) также подключен к узлу индикации (18), на котором показывается измеряемая температура. К входу узла индикации (18) подключен переключатель выбора режима (не показан), с помощью которого для индикации может быть выбрана либо измеряемая температура, представленная сигналом на выходе цифровой схемы коррекции чувствительности и смещения (4), либо заданное потребителем "опорное" значение температуры, выраженное сигналом на выходе двоичного коммутатора (15). Схема генератора тактовых сигналов (20), в которой используется кварцевый генератор в диапазоне частот 4 - 8 МГц, формирует все тактовые сигналы, а источник питания (21) обеспечивает напряжения и токи, необходимые для работы всех частей схемы устройства управления электронного цифрового термостата.

На фиг. 8 и 8(а) показан электронный узел многопозиционного регулирования температуры, в котором элементы (35) и (39) представляют собой термодатчики на одном p-n переходе (т.е. диоды), подключенные к устройствам управления электронного цифрового термостата от (40) до (44), имеющим общий энергонезависимый блок памяти (75), в которой хранятся "опорные" значения и калибровочные коэффициенты. Выходы управляющих регистров-защелок устройств управления электронного цифрового термостата соединены с логической схемой (45), использующей данные, хранящиеся независимо в упомянутом энергонезависимом блоке памяти (75), которая по выбору соединяет эти выходы со входами одной или более выходных схем запуска и защиты (с 46 по 50). Выходные сигналы с каждой из выходных схем запуска и защиты поступают на твердотельные ключи (с 51 по 55), которые включают/выключают нагрузку (например, компрессор холодильника, электромотор, вентилятор, нагреватель размораживателя и т. п. ). Выходные схемы запуска и защиты, вне зависимости от их числа, содержат схему "мягкого пуска" (46A), схему защиты от перегрева и контроля за температурой нагрузки (46B) и схему защиты от перегрузки по току (46C), обеспечивающие
- эффективный пуск нагрузки с пониженным напряжением в первый момент включения, тем самым снижая пусковой ток, создаваемый в нагрузке, в том случае, если нагрузкой является электромотор или нагреватель;
- защиту от перегрева или перегрузки по току.

Центральный узел управления (71) по выбору включает или выключает устройства управления электронного цифрового термостата с (40) по (44) и выходные схемы запуска и защиты с (46) по (50) при возникновении нарушений в работе, а также в особых режимах работы (например, "размораживание" и "быстрое замораживание" в случае холодильника).

Сигналы управления потребителя формируются с помощью одного или более кнопочных выключателей (от 56 до 60), расположенных на панели управления устройства. Сигналы от каждого кнопочного выключателя проходят через схемы сглаживания переходного процесса включения (от 61 до 65) для подавления случайных выбросов и далее используются для изменения значений в цифровых счетчиках (с 66 по 70). С выходов цифровых счетчиков, соединенных со входами центрального узла управления (71), поступают от потребителя команды управления работой электронного устройства многопозиционного регулирования температуры. Выходы таймерного узла системы (72), который содержит электронные таймеры для осуществления специальных функций, таких как автоматическое размораживание и быстрое замораживание, сигнализация открытой дверки, автоматическая переустановка после нарушения работы, в случае использования его в холодильнике, или "таймер наполнения водой", "таймер наполнения молоком", автоматическое включение в заданное время, автоматическое выключение в заданное время в случае использования в кофейном автомате, соединены со входами центрального узла управления (71) и передают сигналы управления, в соответствии с которыми происходит включение или выключение устройств управления электронного цифрового термостата с (40) по (44) и выходных схем запуска и защиты с (46) по (50).

Узел пусковых реле (73) содержит схему, которая по сигналу таймера включает пусковую обмотку электромотора с двумя обмотками, такого как мотор компрессора холодильника. Этот сигнал проходит через центральный узел управления (71) на один из узлов выходной схемы запуска и защиты.

Генератор тактовых сигналов (74), работающий в диапазоне 4 - 8 МГц, используется для формирования тактовых сигналов, необходимых для работы каждой схемы электронного устройства многопозиционного регулирования температуры. Упомянутый генератор тактовых сигналов аналогичен используемому в устройстве управления электронного цифрового термостата.

В энергонезависимом блоке памяти (75) хранятся все управляющие и калибровочные значения, необходимые для устройств управления электронного цифрового термостата и упомянутой логической схемы.

Для питания электронного устройства многопозиционного регулирования температуры используется источник питания (76). Упомянутый источник питания соединен со всеми внутренними схемами и блоком [вышеупомянутого электронного устройства многопозиционного регулирования температуры] устройства и аналогичен используемому в устройстве управления электронному цифровомуо термостату.

К выходу одного из устройств управления электронного цифрового термостата подключен узел индикации (77).

На фиг. 9 показано применение электронного устройства многопозиционного регулирования температуры в трехкамерном холодильнике (78), в котором используется пять устройств управления электронного цифрового термостата и пять выходных схем запуска и защиты. Три термодатчика (с 79 по 81), установленные в каждой из трех камер, измеряют температуру окружающей среды в каждой из них. Кроме того, четвертый термодатчик (82), помещенный в кожухе компрессора (84), следит за температурой компрессора для осуществления функции защиты от перегрева. Пятый термодатчик (83), установленный рядом с нагревательным элементом размораживателя, обеспечивает точное поддержание температуры в течение цикла размораживания. Каждое устройство управления электронного цифрового термостата следит за температурой в той камере, где он установлен, и сравнивает измеренное значение с заданными значениями температуры "включения" и "выключения", при этом выходные схемы запуска и защиты соответствующей камеры включаются, когда температура в камере достигает заданного предела "включения", и выключаются, когда температура достигает предельного значения "выключения". Выходы пяти твердотельных ключей (с 51 по 55) соединены с силовой обмоткой мотора компрессора, с пусковой обмоткой мотора компрессора, с нагревательным элементом размораживателя, с вентилятором N 1 (86), установленным в одной камере холодильника, и вентилятором N 2 (87), установленным в другой камере холодильника.

На фиг. 10 показано использование электронного устройства многопозиционного регулирования температуры в торговом кофейном автомате (89), в котором применено три устройства управления электронного цифрового термостата и три выходных схемы запуска и защиты. Термодатчик (90), установленный на сосуде из нержавеющей стали (91) с водой для кофе, измеряет температуру воды в процессе ее нагрева. Второй и третий датчики (92) и (93), установленные в кожухах раздаточных насосов горячей воды (94) и молока (95), следят за температурой насосов для защиты от перегрева.

Выходы трех твердотельных ключей (с 51 по 53) присоединены к нагревателю (96), упомянутому раздаточному насосу горячей воды (94) и упомянутому раздаточному насосу молока (95) для отслеживания заданной температуры.

На фиг. 11 показано осуществление электронного устройства многопозиционного регулирования температуры, отличающееся миниатюрностью и дешевизной, с использованием заказной интегральной схемы специального применения (ИССП) (97), в котором датчики от (35) до (39) устройств управления электронного цифрового термостата, управляемого потребителем кнопочного выключателя от (56) до (60), источник питания постоянного тока (76) и твердотельные ключи от (51) до (55) не входят в состав интегральной схемы.

На фиг. 12 показан другой вариант осуществления электронного устройства многопозиционного регулирования температуры с использованием ИССП (98), в котором датчики от (35) до (39) устройств управления электронного цифрового термостата, управляемые потребителем кнопочные выключатели от (56) до (60), источник питания постоянного тока (76), твердотельные ключи от (51) до (55) и энергонезависимый блок памяти (75) не входят в состав ИССП, что позволяет увеличить объем памяти и осуществить сопряжение с дисплеями различных типов и размеров.

Описание работы:
Несколько устройств управления электронного цифрового термостата (с 40 по 44), имеющих общий энергонезависимый блок памяти (75), контролируют температуру в разных заданных точках окружающего пространства. Выходы управляющих регистров-защелок каждого из упомянутых устройств управления электронного цифрового термостата подключены к логической схеме (45), использующая данные, хранящиеся независимо в упомянутом энергонезависимом блоке памяти (75), которая избирательно соединяет их со входами одной или более выходных схем запуска и защиты (с 46 по 50). Каждое устройство управления электронного цифрового термостата следит за температурой в той камере, где он установлен, сравнивает ее с заданной температурой "выключения" или "включения" и включает соответствующую выходную схему запуска и защиты, когда измеряемая температура достигает заданного предела "включения", выключая ее, когда измеряемая температура достигает предела "выключения". Входы упомянутых схем запуска и защиты (с 46 по 50) подсоединены ко входам твердотельных ключей (с 51 по 55), через которые выходные схемы запуска и защиты управляют работой и следят за состоянием нагрузки (вентилятор, компрессор, нагреватель, насос или электромагнитный клапан холодильной/обогревательной системы). Вне зависимости от их числа любая из выходных схем запуска и защиты (46) включает в себя схему "мягкого пуска" (46A), схему защиты от перегрева и контроля за температурой нагрузки (46B) и схему защиты от перегрузки по току (46C), которые обеспечивают
- эффективный пуск нагрузки с пониженным напряжением в первый момент включения, тем самым снижая пусковой ток, создаваемый в нагрузке в случае, если нагрузкой является электромотор или нагреватель
- защиту от перегрева и перегрузки по току.

Центральный узел управления (71) получает от потребителя управляющие значения от кнопочных выключателей (с 56 по 60) после прохождения сигналов от них через схемы сглаживания переходного процесса включения (с 61 по 65), подавляющие выбросы переходного процесса, и цифровые счетчики (с 66 по 70), формирующие значения в цифровом коде. На упомянутый центральный узел управления также поступают сигналы от узла таймеров системы (72), который вырабатывает времязадающие сигналы для включения/выключения одной или более из упомянутых выходных схем запуска и защиты в специальных режимах работы, и, кроме того, от схемы пускового реле (73), которая формирует сигналы, необходимые для подачи включающих импульсов на пусковые обмотки мотора при включении. Упомянутый центральный узел управления на основе значений его входных сигналов формирует управляющие сигналы включения/выключения для каждого устройства управления электронного цифрового термостата и выходной схемы запуска и защиты, тем самым осуществляя управление работой всего электронного устройства многопозиционного регулирования температуры, а также управляет работой в специальных режимах (например, "размораживание" и "быстрое замораживание" в случае холодильника).

Изобретения относятся к области автоматики и могут быть использованы в холодильных или обогревающих системах. Техническим результатом является повышение точности и надежности. Первое изобретение содержит термодатчик, аналого-цифровой преобразователь, цифровой компаратор, энергонезависимый блок памяти, источник постоянного тока, схему коррекции и цифровой фильтр шумов. Второе изобретение включает в свой состав блоки первого изобретения и, кроме того, логическую схему и общий энергонезависимый блок памяти опорных и калибровочных значений. 2 с. и 17 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство управления электронного цифрового термостата, содержащее термодатчик, аналого-цифровой преобразователь, по меньшей мере, один цифровой компаратор и блок памяти, отличающееся тем, что термодатчик представляет собой термодатчик на p-n переходе, блок памяти является энергонезависимым, а устройство содержит источник постоянного тока для формирования постоянного тока через термодатчик, выход термодатчика соединен с аналого-цифровым преобразователем для формирования цифрового выходного сигнала и подачи его на схему коррекции значений чувствительности и смещения термодатчика с использованием калибровочных данных из энергонезависимого блока памяти, выход схемы коррекции соединен с одним входом, по крайней мере, одного цифрового компаратора, другой вход получения опорного цифрового значения которого связан с упомянутым энергонезависимым блоком памяти или с регулируемым средством управления, цифровой фильтр шумов отфильтровывания выходного сигнала цифрового компаратора и управляющий регистр-защелку запоминания выходного сигнала цифрового компаратора и перевода входа управляющего регистра-защелки в состояние "установка/сброс" в зависимости от выходного сигнала соответствующего цифрового компаратора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход упомянутого управляющего регистра-защелки соединен с выходной схемой запуска и защиты непрерывного наблюдения за состоянием нагрузки и отключения твердотельного ключа при возникновении перегрузки. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что упомянутая выходная схема запуска и защиты содержит схему защиты от перегрева и контроля за температурой нагрузки, схему защиты от перегрузки по току и отслеживания величины протекающего через нагрузку тока и схему "мягкого пуска" обеспечения эффективного пуска нагрузки с пониженным напряжением в первый момент включения. 4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что регулируемое средство управления предназначено для подачи напряжения постоянного тока, преобразованного в цифровую форму на цифровой компаратор. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что регулируемым средством управления является потенциометр или кнопочный выключатель, соединенный со схемой демпфирования переходного процесса включения, выполненной с возможностью подачи импульса на цифровой счетчик, причем выход цифрового счетчика или упомянутого потенциометра соединен со входом цифрового мультиплексора выбора опорного сигнала для цифрового компаратора в виде сигнала управления пользователя с кнопочного выключателя или потенциометра или постоянного значения из энергонезависимого блока памяти. 6. Устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что оно выполнено в виде интегральной схемы специального применения, а термодатчик, потенциометр или кнопочный выключатель, твердотельный ключ, переключатель выбора режима и узел индикации температуры подключены к интегральной схеме и расположены от нее отдельно. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что энергонезависимый блок памяти, схема тактового сигнала и источник постоянного тока расположены отдельно от упомянутой интегральной схемы. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что выходная схема запуска и защиты расположена отдельно от упомянутой интегральной схемы. 9. Устройство по п.1 или 8, отличающееся тем, что источник питания состоит из емкостной балластной цепи с малыми потерями, после которой для получения напряжения постоянного тока расположены стабилизатор напряжения, выпрямитель и фильтрующая цепь. 10. Устройство по п.1 или 9, отличающееся тем, что узел индикации температуры соединен с одним из входов, по крайней мере, одного цифрового компаратора, вход которого связан с выходом схемы коррекции чувствительности и смещения, а переключатель выбора режима связан с цифровым выходом регулируемого средства управления с возможностью избирательной индикации либо измеряемой температуры, либо ее опорного значения. 11. Электронное устройство многопозиционного регулирования температуры для управления температурой и заданном числе мест в холодильных или обогревательных системах, содержащее устройства управления электронными цифровыми термостатами по пп.1 - 10, общий энергонезависимый блок памяти опорных и калибровочных значений и центральный узел управления, отличающееся тем, что оно содержит логическую схему, выполненную с возможностью избирательного соединения выходов управляющих регистров-защелок устройств управления электронными цифровыми термостатами, по меньшей мере, с одной выходной схемой запуска и защиты в ответ на данные, полученные из упомянутого энергонезависимого блока памяти, причем упомянутые выходные схемы запуска и защиты выполнены с возможностью управления посредством твердотельных ключей нагрузкой и отслеживания ее состояния, центральный узел управления соединен с каждым из упомянутых выходов управляющих регистров-защелок устройств управления электронными цифровыми термостатами и входами упомянутых выходных схем запуска и защиты для включения или выключения устройств управления электронными цифровыми термостатами и упомянутых выходных схем запуска и защиты в зависимости от комбинации выходного сигнала устройства управления электронного цифрового термостата и сигнала управления пользователя с регулируемого средства управления и в зависимости от возникающих нарушений работы, центральный узел управления также соединен с узлом таймеров системы, предназначенным для вырабатывания времязадающих сигналов для включения или выключения одной или более из упомянутых выходных схем запуска и защиты в специальных режимах работы, и соединен со схемой пускового реле для формирования сигналов управления, по меньшей мере, одной выходной схемой запуска и защиты при включенном режиме упомянутой нагрузки. 12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что каждая из выходных схем запуска и защиты включает в себя схему защиты от перегрева и контроля за температурой нагрузки, схему защиты от перегрузки по току отслеживания величины тока, проходящего через нагрузку, и схему "мягкого пуска" обеспечения эффективного пуска нагрузки с пониженным напряжением в первый момент включения. 13. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что центральный узел управления представляет собой логическую схему для выполнения специальных функций, например автоматическое размораживание и быстрое замораживание в случае холодильников, и циклы нагрева через заданные промежутки времени в случае систем нагрева. 14. Устройство по любому из пп.11 - 13, отличающееся тем, что оно содержит генератор тактовых сигналов формирования тактовых сигналов работы каждого блока устройств управления электронными цифровыми термостатами. 15. Устройство по любому из пп.11 - 14, отличающееся тем, что оно содержит узел индикации температуры, соединенный с выходом одного из упомянутых устройств управления электронного цифрового термостата, для индикации измеренной или опорной температур посредством переключателя выбора режима. 16. Устройство по любому из пп.11 - 15, отличающееся тем, что оно содержит, по крайней мере, один управляемый пользователем кнопочный выключатель, соединенный через схему демпфирования переходного процесса включения и цифровой счетчик со входом упомянутого центрального узла управления для подачи управляющего сигнала пользователя, необходимого для управления упомянутым электронным устройством многопозиционного регулирования температуры. 17. Устройство по любому из пп.11 - 16, отличающееся тем, что оно выполнено в виде интегральной схемы, а термодатчики устройств управления электронного цифрового термостата, все кнопочные выключатели, переключатель выбора режима, узел индикации температуры и твердотельные ключи расположены от нее отдельно. 18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что энергонезависимый блок памяти, генератор тактовых сигналов и источник питания расположены отдельно от указанной интегральной схемы. 19. Устройство по п.17, отличающееся тем, что выходная схема запуска и защиты расположена отдельно от упомянутой интегральной схемы.

Приоритет по пунктам:
16.12.97 по пп.1, 2, 4 - 9, 11, 13 - 19;
30.04.98 по пп.3, 10, 12.