УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДВУХПОЗИЦИОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2004 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к области автоматического регулирования температуры с использованием электрических средств. Оно может быть применено на объектах промышленного, транспортного, бытового, медицинского и сельскохозяйственного назначения.

Известны устройства для двухпозиционного регулирования температуры (см. патенты: РФ 2032209 С1, кл. G 05 D 23/19, 1995, Бюл. №9; РФ 2160920 С2, кл. G 05 D 23/19, 2000, Бюл. №35), в которых датчик температуры, обладающий пороговой функцией переключения, выполнен из измерительного моста с термометром сопротивления в одном из плеч, усилителя напряжения и пороговой схемы, содержащей компараторный или триггерный элементы.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является принятое за прототип устройство двухпозиционного регулирования температуры (см. патент РФ 2111525 C1, кл. G 05 D 23/19, 1998, Бюл. №14), содержащее последовательно включенные источник опорных напряжений, пороговый датчик температуры с заданным гистерезисом, ключевой блок и исполнительный блок.

Недостаток этого устройства заключается в ограниченности его функциональных и эксплуатационных возможностей, причинами которой является следующее:

- низкая точность из-за относительно низкой температурной чувствительности термометра сопротивления и низкого уровня сигнала на его выводах, а также из-за значительной суммарной погрешности, вносимой многоэлементной схемой сравнения, усиления и компарирования сигнала;

- низкая помехоустойчивость из-за высокой чувствительности термометра сопротивления к электромагнитным наводкам в соединительных проводах, соизмеримым с уровнем полезного сигнала;

- схемотехническая сложность, заключающаяся в относительной многоэлементности функциональных звеньев цепи обработки сигнала;

- ограниченность температурного контроля по дальности в процессе эксплуатации из-за зависимости сигнала термометра сопротивления от длины (сопротивления) его соединительных проводов;

- нерегулируемость температурного гистерезиса;

- конструктивно-технологическая сложность монтажа устройства в условиях эксплуатации из-за необходимости строгого нормирования соединительных проводов по длине.

Целью изобретения является расширение функциональных и эксплуатационных возможностей устройства при одновременном его упрощении.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно включенные источник опорных напряжений, пороговый датчик температуры с заданным гистерезисом, ключевой блок и исполнительный блок, введено реле, коммутирующее цепь положительной обратной связи между выходным управляющим напряжением и входным опорным напряжением (реле обратной связи), а датчик температуры выполнен из переменного резистора гистерезисной уставки (то есть, уставки температурного гистерезиса), потенциометра пороговой уставки (то есть, уставки температурного порога включения), термочувствительного S-диода, токоограничительного резистивного элемента, сглаживающего фильтра и нормально замыкающей контактной пары реле обратной связи, при этом входом датчика температуры является первая общая точка параллельно соединенных переменного резистора и контактной пары реле, вторая общая точка которых подключена к первому выводу потенциометра, второй вывод которого соединен с общей шиной, а движковый вывод соединен с первым электродом прямовключенного S-диода, вторым своим электродом подключенного к общей шине через резистивный элемент и к входу сглаживающего фильтра, выход которого является выходом датчика температуры, а реле подключено своим управляющим входом к выходу ключевого блока. При этом возможны два альтернативных варианта схемного решения устройства. В первом варианте источник опорных напряжений выполнен в виде генератора импульсного напряжения, а резистивный элемент - в виде одиночного резистора. Во втором варианте источник опорных напряжений выполнен в виде генератора постоянного напряжения, а резистивный элемент - в виде последовательно соединенных резистора и импульсного прерывателя.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.

Выполнение термочувствительного элемента датчика в виде S-диода (см. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - Москва: Радио и связь, 1990, с.207-208) позволяет совместить в одном элементе две функции - первичное преобразование температуры в электрический сигнал и компарирование этого сигнала, а также получить на выходе термочувствительного элемента достаточно мощный сигнал, не требующий усиления, что повышает точность и помехоустойчивость устройства при его схемотехническом упрощении. Выполнение источника опорных напряжений в виде генератора импульсного напряжения в первом варианте и введение импульсного прерывателя в цепь токоограничительного резистивного элемента во втором варианте обеспечивают импульсный режим работы S-диода, то есть режим его прямых и обратных переключений (включений и выключений) с частотой следования импульсов, что позволяет вести слежение за уровнем температуры непрерывно в автоматическом режиме. Применение сглаживающего фильтра позволяет преобразовать импульсное напряжение на выходе S-диода в двухпозиционной сигнал (U⁰, U¹), пригодный для управления ключевым блоком. Введение реле обратной связи, циклически переключающего уровни опорного напряжения в зависимости от фазы цикла “нагрев - охлаждение”, устраняет коммутационные автоколебания, то есть обеспечивает устойчивый гистерезисный режим работы устройства. Таким образом, наличие в предлагаемом техническом решении указанной совокупности признаков, отличающих его от прототипа, обуславливает появление в нем свойств, предопределяющих положительный эффект.

Изобретение поясняется иллюстрациями, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства, а на фиг.2а,б,в,г изображены диаграммы, поясняющие принцип его работы. На фиг.2а изображена вольт-амперная характеристика (ВАХ) S-диода; на фиг.2б - последовательность импульсов опорного напряжения; на фиг.2в - последовательность импульсов тока в цепи нагрузки S-диода; на фиг.2г - последовательность импульсов напряжения на нагрузке S-диода, напряжение на выходе сглаживающего фильтра и уровень напряжения срабатывания ключевого блока.

Устройство для двухпозиционного регулирования температуры, функциональная схема которого представлена на фиг.1, состоит из последовательно включенных источника 1 опорных напряжений, порогового датчика 2 температуры с заданным гистерезисом, ключевого блока 3, исполнительного блока 4 и подключенного управляющим входом к выходу блока 3 реле 5, а датчик 2 температуры содержит параллельно соединенные переменый резистор 6 и контактную пару реле 5, первая общая точка которых является входом датчика 2, потенциометр 7, подключенный первым своим выводом к второй общей точке параллельно соединенных резистора 6 и контактной пары реле 5, а вторым своим выводом подключенный к общей шине, прямовключенный термочувствительный S-диод 8, соединенный первым своим электродом с движковым выводом потенциометра 7, токоограничительный резистивный элемент 9, соединенный первым своим выводом с вторым электродом S-диода 8, а вторым своим электродом - с общей шиной, и сглаживающий фильтр 10, вход которого подключен к второму электроду S-диода 8, а выход является выходом датчика 2 температуры.

На фиг.2 приняты следующие обозначения: Е - опорное напряжение; I_S - ток S-диода; I^пк - ток переключения S-диода; I^уд, U^уд - ток и напряжение удержания S-диода; U_ni - пороговое напряжение переключения S-диода при t^о=t°_i (i=1, 2, 3); Е_ni - опорное пороговое напряжение переключения при t^о=t°_i; R - сопротивление нагрузочной цепи S-диода; I_R, U_R - ток и падение напряжения в нагрузочной цепи S-диода; U_к - напряжение срабатывания ключевого блока; U_ф - напряжение на выходе сглаживающего фильтра.

В зависимости от типа решаемой задачи устройство может быть выполнено в различных модификациях. При термостатировании путем периодического нагрева применяется вариант, сочетающий нормально открытый ключевой блок 3 и нормально замыкающую контактную пару реле 5. Для решения задач принудительного охлаждения применяется вариант, сочетающий нормально закрытый ключевой блок 3 и нормально размыкающую контактную пару реле 5. Иллюстрациями на фиг.1, 2 поясняется принцип работы устройства, выполненного в первой модификации.

Перед началом эксплуатации устройство калибруют (тарируют) по температуре, то есть устанавливают соответствие между температурой, принятой за базовую, например t°_го=27°С, и соответствующим этой температуре пороговым опорным напряжением переключения Е_п(27°С), а также устанавливают цену деления шкал потенциометра 7 и переменного резистора 6.

Работа устройства в составе терморегулятора (регулирующий орган-нагреватель на иллюстрациях не показан) осуществляется следующим образом.

Задается температурный диапазон термостатирования объекта, например от t°₂ до t°₃, где t°₂>t°₃, в предположении, что начальная температура объекта ниже нижней границы заданного диапазона: t°_нач<t°₃. Движком потенциометра 7 устанавливают на его выводе уровень опорного напряжения Е_п3, соответствующий нижней границе t°₃ заданного температурного диапазона, а движком переменного резистора 6 устанавливают величину падения напряжения на резисторе ΔЕ_г=Е_п3-Е_п2, соответствующую температурному гистерезису, то есть ширине заданного температурного диапазона: Δt°_г=t°₂-t°₃. Включают электропитание терморегулятора. Начинается процесс нагрева теплоносителя. Импульсное опорное напряжение стабилизированной амплитуды поступает с выхода источника 1 опорного напряжения через нормально замыкающую контактную пару реле 5 на потенциометр 7, выполняющий функцию задающего делителя напряжения. С движкового вывода потенциометра 7 импульсное опорное напряжение заданного уровня Е_п3 (см. фиг.2б) поступает на первый электрод термочувствительного S-диода 8. Так как, при t°_нач<t°₃ и Е_п=Е_п3 S-диод 8 находится в закрытом состоянии (см. ВАХ на фиг.2а), то в его нагрузке протекает импульсный ток низкого уровня, не превышающий уровень AD (см. фиг.2в). Напряжение, снимаемое с резистивного элемента 9, выполняющего функцию нагрузочного резистора S-диода, тоже имеет низкий уровень (U°_R). Этот уровень значительно ниже уровня срабатывания ключевого блока 3 (U°_R<U_K, см. фиг.2г). Поэтому ключевой блок 3 продолжает оставаться в нормально открытом состоянии и поддерживает (подтверждает) рабочий режим исполнительного блока 4 и, соответственно, режим нагрева теплоносителя. При этом высокий уровень тока на выходе нормально открытого ключевого блока 3 вызывает срабатывание реле 5 обратной связи, вследствие которого к сопротивлению верхнего плеча делителя напряжения (потенциометра 7) последовательно подключается сопротивление переменного резистора 6 гистерезисной уставки. В результате перераспределения напряжений в плечах делителя потенциал на движковом выводе потенциометра 7 падает на величину ΔЕ_г гистерезисной уставки, то есть пороговое опорное напряжение переключается с уровня Е_п3 уровень Е_п2 (см. фиг.1, фиг.2а, б). На ВАХ S-диода нагрузочная линия скачком смещается параллельно самой себе от точки D к точке А. В процессе нагрева теплоносителя в тот момент, когда его температура достигает верхнего значения t°₂ заданного диапазона, происходит переключение S-диода из закрытого состояния в открытое. Его ток I_s скачком перебрасывается с уровня I^пк (из точки А) на уровень I^уд (в точку В), а амплитуда импульсов тока I_R нагрузки скачком возрастает с низкого уровня AD до высокого уровня В (см. фиг.2в). Импульсное напряжение высокого уровня U1R

, снимаемое с нагрузочного резистивного элемента 9, после сглаживания фильтром 10 поступает на вход нормально открытого ключевого блока 3 и запирает его (см. фиг.2г). Исполнительный блок 4 и нагреватель выключаются и переходят в ждущий режим. Начинается процесс естественного охлаждения теплоносителя. При запирании ключевого блока 3 падение уровня тока на его выходе вызывает возвратное срабатывание реле 5, что приводит к закорачиванию переменного резистора 6 и возвращению опорного напряжения с уровня Е_п2 на более высокий уровень Е_п3 (см. фиг.2б). Ток S-диода и его нагрузки возрастает с уровня В до уровня С (см. фиг.2а, в). При этом незначительно возрастает запирающее напряжение на входе ключевого блока 3.

В процессе естественного охлаждения теплоносителя в тот момент, когда его температура опускается до нижнего уровня t°₃ заданного диапазона, происходит обратное переключение S-диода 8 из открытого состояния в нормально закрытое (на ВАХ S-диода переброс из точки С в точку D). Далее процесс “принудительный нагрев - естественное охлаждение” циклически повторяется по замкнутому гистерезисному контуру ABCD (см. фиг.2а).

Заявленное устройство испытано в составе автоматического регулятора температуры воздуха в жилом помещении. В испытанном устройстве в качестве первичного преобразователя температуры использована термочувствительная полупроводниковая S-диодная структура (см. Авторское свидетельство СССР №1739402. Полупроводниковая структура и способ управления проводимостью полупроводниковой структуры. Изобретения, 1992). Функциональные блоки в испытанном устройстве выполнены следующим образом: источник 1 опорных напряжений - в виде однополупериодной схемы выпрямления с амплитудной стабилизацией, ключевой блок 3 - в виде токового ключа на основе полевого транзистора, исполнительный орган 4 - в виде оптоэлектронного реле большой мощности марки 5П19ТМ, реле 5 - в виде герконового реле марки РЭС-80. В модификации устройства, содержащего генератор постоянного напряжения и импульсный прерыватель, в качестве последнего может быть применен импульсный светодиод, например, марки L - 36В1D. Выполнение функциональных блоков устройства и выбор параметров составляющих элементов могут варьироваться в зависимости от типа решаемой теплотехнической задачи.

Испытание показало, что заявленное устройство в отличие от известных обладает уникальными эксплуатационными возможностями. Его функциональные свойства не критичны к длине соединительных проводов чувствительного элемента. Вследствие этого температурный контроль может осуществляться в произвольно выбранной точке технологически доступного пространства в условиях интенсивного воздействия электромагнитных помех, а соединительные провода могут монтироваться совместно с силовой линией. Возможность задавать произвольную величину гистерезиса рабочей характеристики датчика температуры еще более расширяет область применимости устройства. Кроме того, в сравнении с аналогами заявленное устройство имеет более высокие точностные параметры (абсолютную погрешность порядка 0,1-0,2°С) и существенно более простое схемотехническое выполнение за счет сокращения количества функциональных элементов.

Изобретение относится к области автоматического регулирования температуры с использованием электрических средств и может быть использовано на объектах промышленного, транспортного, бытового, медицинского и сельскохозяйственного назначения. Техническим результатом является расширение функциональных и эксплуатационных возможностей устройства при одновременном его упрощении. Устройство содержит источник опорных напряжений, ключевой блок, исполнительный блок, реле обратной связи, пороговый датчик температуры с заданным гистерезисом, состоящий из переменного резистора, потенциометра, термочувствительного S-диода, сглаживающего фильтра, резистивного элемента. 2 ил.

1. Устройство для двухпозиционного регулирования температуры, содержащее последовательно включенные источник опорных напряжений, пороговый датчик температуры с заданным гистерезисом, ключевой блок и исполнительный блок, отличающееся тем, что в него введено реле обратной связи, а датчик температуры выполнен из переменного резистора гистерезисной уставки, потенциометра пороговой уставки, термочувствительного S-диода, токоограничительного резистивного элемента, сглаживающего фильтра и нормально замыкающей контактной пары реле обратной связи, при этом входом датчика температуры является первая общая точка параллельно соединенных переменного резистора и контактной пары реле, вторая общая точка которых подключена к первому выводу потенциометра, второй вывод которого соединен с общей шиной, а движковый вывод соединен с первым электродом прямовключенного S-диода, вторым своим электродом подключенного к общей шине через резистивный элемент и к входу сглаживающего фильтра, выход которого является выходом датчика температуры, а реле подключено своим управляющим входом к выходу ключевого блока.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник опорных напряжений выполнен в виде генератора импульсного напряжения стабилизированной амплитуды, а токоограничительный резистивный элемент выполнен в виде одиночного резистора.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник опорных напряжений выполнен в виде стабилизированного генератора постоянного напряжения, а токоограничительный резистивный элемент выполнен в виде последовательно соединенных резистора и импульсного прерывателя.