УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2009 года по МПК G05D23/19 

Устройство для стабилизации температуры изделия относится к областям электротехники, электроники и теплотехники и может быть использовано по своему непосредственному назначению, а именно - для автоматического нагревания и поддержания температуры элементов, деталей конструкции, узлов электроники, температуры в микротермостатах, поля температур различных протяженных объектов и т.п. в ситуациях, когда температура изделия должна превышать температуру окружающей среды.

Известен стабилизатор температуры, использующий биметаллические пластины с контактами, размыкающимися при достижении заданной температуры, использующийся, например, в утюгах.

Однако такой стабилизатор температуры обладает малым ресурсом работы и низкой точностью поддержания температуры.

Известны устройства для стабилизации (регулирования) температуры изделия, содержащие задатчики температуры, датчики температуры, усилители, исполнительные устройства и нагреватели от очень сложных [1] до очень простых [2].

Несмотря на значительную разницу в исполнении этих устройств, они обладают пониженной надежностью и для них обязательно требуются для стабилизации температуры непосредственно нагреватели. При этом в таких устройствах размещение датчиков температуры, нагревателей и регуляторов вблизи друг друга обычно затруднительно. За счет этого появляется ошибка в определении температуры, запаздывание в контуре стабилизации температуры и возможен перегрев. Кроме того, эти устройства ненадежны в принципе: в них возможны дефекты деталей, которые приведут к невозможности как включить, так и выключить нагреватель и стабилизируемая по температуре аппаратура может выйти из строя. А при коротком замыкании нагревателя может выйти из строя само устройство, вывести из строя источник питания. В связи с этим такие устройства стабилизации температуры изделия не могут быть применены для использования по назначению в особо ответственных системах, например в составе космических аппаратов либо для поддержания в заданных пределах температуры реагентов в сложных технологических процессах.

Наиболее близким по исполнению (прототипом) может быть признано одно из упомянутых устройств [2], содержащее цепи питания, соединенные последовательно датчик температуры, усилитель, подключенные к цепи питания, и транзистор, при этом выход транзистора образует выход устройства для подключения нагревателя. Роль задатчика температуры в прототипе выполняет усилитель устройства, выполненный в виде триггера Шмидта и имеющий порог срабатывания и порог отпускания по входному напряжению. Эти пороги по отношению к сигналам с датчика температуры соответствуют диапазону стабилизации температуры изделия. Изменение порогов срабатывания триггера Шмидта позволяет изменять диапазон заданных температур.

Однако, как было указано ранее, это устройство ненадежно и обладает функциональными недостатками - возможностью перерегулирования, особенно при системе управления, имеющей гистерезис и запаздывание, а также возможностью катастрофического отказа при выхода из строя самого регулятора, либо при коротком замыкании в нагревателе.

Задача предложения - увеличение надежности устройства стабилизации температуры изделия путем исключения вероятности перегрева или катастрофического выхода из строя при одном любом отказе в устройстве либо в нагревателе и расширение функциональных возможностей устройства за счет резервирования, обеспечения возможности совмещения роли регулятора температуры и нагревателя в одном моноблоке и увеличения быстродействия.

Эта задача решается тем, что в устройство для стабилизации температуры изделия, содержащее цепи питания устройства, последовательно соединенные датчик температуры, усилитель, подключенные ко второй цепи питания, и транзистор, выход которого совместно с первой цепью питания образует выход устройства для подключения нагревателя, введены последовательно соединенные второй датчик температуры, второй усилитель, подключенные к третьей цепи питания, и генератор тока, при этом выход генератора тока включен последовательно с упомянутым транзистором и подключен к общей цепи питания устройства.

Кроме того, вторая и третья цепи питания выполнены в виде стабилизированных источников питания.

Кроме того, первый и второй датчики температуры, транзистор и генератор тока выполнены с минимальным переходным тепловым сопротивлением в виде моноблока на теплопроводящей поверхности, предназначенной для теплообмена с корпусом изделия, на котором устройство устанавливается.

На чертеже представлена блок-схема устройства для стабилизации температуры изделия, каждый блок которой для примера проиллюстрирован схемой электрической принципиальной, при этом на чертеже и в тексте применены следующие обозначения:

1 - датчик температуры,

2 - усилитель,

3 - второй датчик температуры,

4 - второй усилитель,

5 - генератор тока,

6 - вторая цепь питания,

7 - третья цепь питания,

N1 - первая цепь питания,

N2 - общая цепь питания,

N3 - выход устройства,

N4 - выход устройства,

R_H - нагреватель,

VT3 - транзистор,

Е - напряжение питания устройства,

GND - общая цепь питания.

Выполнены узлы устройства следующим образом.

Датчик температуры 1 образован делителем напряжения из терморезистора RT1 и резистора R2. Его выходное напряжение зависит от напряжения второй цепи питания 6, подаваемого на него, и от соотношения сопротивлений RT1/(RT1+R2), и, следовательно, от температуры терморезистора RT1. Усилитель 2 на транзисторах VT1 и VT2, выполненный по схеме триггера Шмидта, фактически является задатчиком температуры и одновременно - усилителем. Его режим задает пороги срабатывания и отпускания по напряжению, определяемые в первом приближении соотношениями сопротивлений резисторов R3/R4 и R3/R7 и напряжением питания, подаваемым на этот усилитель с выхода второй цепи питания, фактически - со стабилизатора напряжения 6. При этом пороги срабатывания триггера Шмидта и выходные напряжения датчика температуры 1 при заданных температурах должны соответствовать друг другу. Транзистор VT3 открывается по сигналу с выхода усилителя 2 (при срабатывании триггера Шмидта) напряжением с резистора R7.

Второй датчик температуры 3 образован делителем напряжения из резистора R10 и терморезистора RT2, подключенным к третьей цепи питания 7. Выходное напряжение этого датчика температуры зависит от напряжения на этой цепи питания 7 и соотношения сопротивлений R10/(RT2+R10) и, следовательно, от температуры терморезистора RT2. Второй усилитель 4 на транзисторе VT4 и резисторах R11-R13, подключенный также к третьей цепи питания, фактически - к стабилизатору напряжения 7, работает в нелинейном режиме: в зависимости от соотношения напряжений на эмиттере и базе этого транзистора он может быть полностью закрыт (при реальной температуре изделия выше максимально допустимой), работать в линейном режиме (температура изделия должна находиться в заданных пределах) или перейти в режим насыщения (при реальной температуре изделия ниже минимально допустимой). При этом на линейном участке выходной характеристики второго усилителя 4 его выходное напряжение на резисторе R13 изменяется от нуля до максимального значения, определяемого током транзистора VT4 и сопротивлением резистора R13. Начало и окончание работы транзистора VT4 второго усилителя 4 в линейном режиме и напряжения второго датчика температуры 3 при заданных температурах должны также соответствовать друг другу.

Устройство в целом обеспечивает поддержание температуры изделия в пределах

t_мин<t<t_макс,

где t - текущее значение температуры изделия,

t_мин - минимально допустимое значение температуры изделия,

t_макс - максимально допустимое значение температуры изделия.

Необходимо отметить, что любое хорошо спроектированное и изготовленное устройство в составе системы не сможет реализовать своих положительных качеств, если не учесть невидимые «мелочи». Применение предложенного устройства требует, чтобы был обеспечен хороший тепловой контакт датчика температуры и нагревателя с корпусом изделия. Для обеспечения этого первый и второй датчики температуры конструктивно должны быть выполнены с возможностью минимизации переходного теплового сопротивления между ними и корпусом изделия, на котором установлено устройство. Для этого они в составе предложенного устройства размещены на теплопроводящей поверхности (например, на материале, обладающем высокой теплопроводностью), плотно прилегающей к поверхности изделия. Это снижает запаздывание и обеспечивает точность при измерении температуры корпуса изделия. Транзистор VT3 также размещается на теплопроводящей поверхности. Необходимость этого рассматривается ниже.

Устройство в целом получает напряжение питания Е по первой цепи N1 относительно общей цепи N2 (GND). При этом для обеспечения надежности устройства и обеспечения заданной температуры в изделии целесообразно использовать в качестве второй и третьей цепей питания два независимых вторичных источника питания 6 и 7, в простейшем случае выполненных в виде параметрических стабилизаторов напряжения на резисторах R1 и R2 и стабилитронах VD1 и VD2, и подключенных к первой цепи питания N1 с напряжением Е, как показано на чертеже. Выполнять цепи питания раздельно необходимо потому, что при отказе, вызвавшем внезапное увеличение напряжения единственного источника питания (например, по типу обрыва в цепи стабилитрона), выходной ток устройства из-за возрастания управляющих напряжений на входах транзисторов VT3 и VT5 может значительно возрасти, при этом возникает вероятность перегрева изделия либо выхода из строя нагревателя. При высокой надежности гипотетического источника вторичного питания цепи питания могут быть объединены без потери надежности устройства по этой причине. Но высокую надежность одного источника питания обеспечить значительно сложнее, чем предусмотреть в устройстве два простейших стабилизатора напряжения. Кроме того, применение двух цепей питания с разными напряжениями позволяет проще обеспечить оптимальные выходные напряжения усилителей 2 и 4 для управления транзисторами VT3 и VT5.

Каждый из узлов 1-7 устройства может быть выполнен отлично от приведенного на чертеже. Исполнение их зависит от необходимого диапазона и требуемой точности поддержания температуры, предпочтительной для применения элементной базы, пристрастия разработчика к тем или иным техническим решениям и т.д. Каждый усилитель 2 и 4 может быть выполнен либо с линейной проходной характеристикой в диапазоне стабилизации температур (как второй усилитель 4), либо с гистерезисом (как первый усилитель 2), на транзисторах или на операционных усилителях. Существо предложения с точки зрения выполняемой им функции и надежности работы устройства не изменяется. При этом в первом случае стабилизатор температуры будет работать в линейном режиме, обеспечивая плавное поддержание (стабилизацию) температуры в пределах заданного диапазона температур, во втором случае оно будет исполнять роль двухпозиционного регулятора, включая нагреватель при заданном нижнем значении температуры и выключая его после нагрева до заданного верхнего значения температуры.

Рассмотрение работы устройства можно начать с гипотетической ситуации, когда произошел перегрев изделия, при этом t>t_макс, и усилители 2 и 4 по сигналам от своих датчиков температуры полностью сняли управляющие напряжения с силовых элементов VT3 и VT5.

При повышенной температуре сопротивления терморезисторов RT1 и RT2 имеют минимальные значения. При этом за счет уменьшения сопротивления терморезистора RT1 потенциал на базе транзистора VT1 приводит к его открыванию, транзистор VT2 закрывается, напряжение на резисторе R7 падает до нуля, и транзистор VT3 также закрывается. За счет уменьшения сопротивления терморезистора RT2 напряжение между базой и эмиттером транзистора уменьшается и транзистор VT4 также закрывается, при этом напряжение на его выходе на резисторе R13 упадет до нуля и транзистор VT5 генератора тока 5 также закроется. При закрытых транзисторах VT3 и VT5 ток через нагреватель R_н не течет и подогреваемое им изделие начинает остывать.

Для того чтобы процесс нагрева изделия начался снова, необходимо обеспечить включение обоих транзисторов VT3 и VT5. При этом последовательность их включения безразлична. Изменение состояния узлов устройства при показанном на чертеже исполнении происходит следующим образом. По мере остывания изделия и терморезисторов RT1 и RT2 их сопротивления возрастают. В соответствии с изменением сопротивлений терморезисторов RT1 и RT2 датчики температуры 1 и 3 изменяют свои выходные напряжения. Наступает момент, когда транзистор VT4 второго усилителя 4 начинает открываться, на резисторе R13 появляется напряжение, которое поступает на управляющий вход транзистора VT5 генератора тока 5. Однако ток через этот транзистор не течет, несмотря на увеличение управляющего сигнала на его управляющем электроде по мере остывания изделия, поскольку транзистор VT3 все еще закрыт.

По мере остывания изделия и терморезистора RT1 его сопротивление также возрастает. В соответствии с изменением сопротивления терморезистора изменяется напряжение на выходе датчика температуры 1 и наступает момент, когда транзистор VT1 первого усилителя 2 закрывается, а транзистор VT2 открывается и скачком подает напряжение с резистора R7 на управляющий электрод транзистора VT3 и этот транзистор также открывается. С этого момента начинает течь ток через нагреватель R_н, поскольку транзистор VT5 генератора тока 5 уже был открыт ранее (при более высокой температуре изделия). Напряжение с выхода второго усилителя 4 на управляющем входе транзистора VT5 в этот момент при минимальной температуре имеет максимальное значение, и ток генератора тока 5 на транзисторе VT5 и суммарная мощность, передаваемая нагревателю изделия, также будут иметь максимальное значение I_макс и Е·I_макс. С этого момента начинается нагревание изделия. Если при этом теоретически возможный ток нагревателя I_н=Е/R_н меньше максимально возможного тока I_макс генератора тока, то бóльшая часть напряжения питания Е будет приложена к нагревателю R_н.

По мере нагревания изделия сопротивление терморезистора RT2 уменьшается, изменяется выходной сигнал со второго датчика температуры 3, уменьшается выходной сигнал с выхода второго усилителя 4 на управляющий вход транзистора VT5 генератора тока 5, уменьшается выходной ток генератора тока 5 и уменьшается полная мощность, идущая на нагревание изделия. Вместе с уменьшением тока через нагреватель R_н уменьшается и падение напряжения на нем. При этом появляется заметное падение напряжения на транзисторе VT3, увеличивается выделяемая на нем мощность. Для того чтобы эта мощность не перегревала транзистор, а также шла на подогрев изделия, транзистор VT3 должен устанавливаться с минимальным переходным тепловым сопротивлением между его корпусом и корпусом устройства и далее - между корпусом устройства и корпусом изделия. Более того, целесообразно тепло, выделяемое остальными блоками и элементами устройства в целом, «утилизировать», т.е. через корпус устройства передать на корпус изделия. В этом случае ни один элемент устройства не будет перегреваться, поскольку корпус изделия в этой ситуации будет использоваться в качестве теплоотвода.

Далее, по мере уменьшения тока через нагреватель уменьшается суммарная мощность, идущая на нагревание изделия. В реальных условиях наступает состояние, когда мощность, рассеиваемая изделием, и мощность, поступающая на нагрев, окажутся равными. Наступает тепловое равновесие, которое может длиться сколь угодно долго. При этом температура изделия будет стабильна и находиться в заданном диапазоне температур.

Если мощность нагревания изделия будет для изделия все-таки достаточно велика и, несмотря на уменьшение общей мощности нагревания, температура изделия будет расти, то наступит состояние, когда усилитель 2 снимет напряжение управления со своего транзистора VT3, ток через нагреватель R_н пропадет. При правильном проектировании и регулировке устройства оба датчика температуры совместно со своими усилителями и независимо друг от друга должны обеспечивать процесс поддержания температуры изделия в заданных пределах. Это требуется для того, чтобы отказ устройства типа «короткое замыкание» одного из транзисторов VT3 или VT5 не привел к изменению теплового режима изделия.

Любой отказ любого одного из элементов данного устройства может привести только к одному виду отказов устройства целом, а именно - только к отказу типа «обрыв», т.е. к невозможности нагрева изделия. Отказ устройства типа «короткое замыкание» в предложенном устройстве при любом отказе одного элемента невозможен, и вот почему. Гипотетический отказ одного элемента может привести к включению (или пробою) одного из транзисторов VT3 или VT5, в то время как другой транзистор совместно со своим каналом управления датчик температуры - усилитель-транзистор VT5 (или VT3) будет работать нормально и выполнять поддержание температуры изделия в заданных пределах. При этом в случае короткого замыкания транзистора VT5 роль генератора тока перейдет к транзистору VT3, поскольку сопротивление R15 и остаточное сопротивление замкнутого (открытого) транзистора VT5 будут служить отрицательной обратной связью для транзистора VT3. Для обеспечения такого режима достаточно напряжение на управляющем электроде транзистора VT3 иметь несколько больше, чем на управляющем электроде транзистора VT5 генератора тока. Реализация такого режима в предложенном устройстве не должна вызывать никаких трудностей у разработчика, поскольку управление этими транзисторами производится от независимых цепей питания и напряжение на этих цепях может быть обеспечено исходя и из этих требований.

Предложенное устройство на отказ типа «обрыв» может быть задублировано вторым аналогичным устройством, установленным на изделии рядом с первым. При этом они могут работать как одновременно, так и поочередно. При поддержании поля температуры протяженных объектов, например, в технологической аппаратуре с обогревающей рубашкой, на которой может быть установлено заданное количество таких устройств, отказ обогревателя типа «обрыв» в одном из обогревателей может быть скомпенсирован соседними обогревателями, в то время как перегрев даже в одном месте может привести к неблагоприятным последствиям.

Предложенное устройство может нормально работать при частичном или полном (коротком) замыкании в цепи нагревателя R_н (такой режим работы устройства считается нормальным и предусмотрен схемой и конструкцией предложенного устройства). Для реализации этого режима вместо номинального сопротивления нагревателя между выходными контактами N3 и N4 устанавливается малое сопротивление или перемычка. В этом случае предложенное устройство работает следующим образом. В условиях пониженной температуры изделия, на котором установлено предложенное устройство в виде моноблока, по сигналам от двух датчиков температуры с помощью соответствующих усилителей включаются транзисторы VT3 и VT5, при этом транзистор VT5 генератора тока 5 обеспечивает определенный ток, например максимальный I_макс при минимальной температуре. Открытый транзистор VT3 этот ток пропускает без ограничения, но работает уже не в ключевом режиме, а в линейном, фактически - также в режиме генератора тока. В этом режиме между его выходными контактами (сток-исток либо коллектор-эмиттер) напряжение близко к напряжению питания Е за вычетом падения напряжения на генераторе тока (на резисторе R15 и транзисторе VT5). При этом на транзисторе VT3 выделяется мощность, близкая к максимальной мощности, отдаваемой источником питания с напряжением Е в данном режиме при максимальном токе I_макс. Транзистор VT3 начинает греться и через конструкцию устройства передавать тепло изделию, на котором установлено данное устройство, выполненное в виде моноблока. Суммарно изделию передается мощность, равная произведению Е·I_макс. В остальном процесс поддержания температуры изделия проходит по аналогии с изложенным выше, в том числе и по мощности нагревания.

Устройство также работоспособно при любом высокоомном нагревателе R_н, потребляющем ток нагрузки меньше максимально возможного для данного устройства, т.е. Е/R_н<I_макс. В этом случае по мере нагревания изделия сопротивление терморезистора RT2 уменьшается, изменяется выходной сигнал со второго датчика температуры 3, уменьшается выходной сигнал с выхода второго усилителя 4 на управляющий вход транзистора VT5 генератора тока 5. Однако уменьшения выходного тока генератора тока 5 и уменьшения полной мощности, идущей на нагревание изделия, не происходит. Этот режим поддерживается до того состояния по температуре изделия, пока не сравняются ток нагрузки, равный Е·R_н, и фактический ток генератора тока 5, уменьшающийся с ростом температуры от I_макс. При дальнейшем нагревании изделия ток нагрузки в нагреватель уменьшается, как описано выше.

Таким образом, предложенное устройство может работать в двух режимах: как в качестве коммутатора нагревателя по сигналам с датчиков температуры, так и в качестве непосредственно нагревателя по сигналам с этих же датчиков температуры, поддерживая температуру изделия в заданных пределах. При этом при любом отказе одного элемента данное устройство исключает перегрев изделия, на котором установлено. Более того, предложенное устройство, выполненное в виде моноблока при коротко-замкнутом выходе, будучи включенным без теплового контакта с чем бы то ни было, также не будет перегреваться, в том числе и при одном любом отказе в нем. Обеспечивается это тем, что нагреватель (в этом режиме - транзистор VT3) при максимальной мощности на нем быстро нагреется и нагреет моноблок. Датчики температуры, установленные в этом же моноблоке, быстро снизят мощность нагревания или выключат нагревание совсем. Фактически устройство, выполненное в виде моноблока, работает в этом случае в штатном режиме с очень малой присоединенной массой, требующей нагревания.

Предложенное устройство должно размещаться на нагреваемом изделии с обеспечением минимального теплового сопротивления. Для этого устройство выполняется в виде моноблока с хорошей теплопроводящей поверхностью, обеспечивающей тепловой обмен между корпусом изделия и этой теплопроводящей поверхностью. Размещение датчика температуры и транзистора VT3, выполняющего роль нагревателя в одном корпусе моноблока, призвано обеспечить минимальную задержку в цепи измерения температуры «корпус изделия - датчик температуры» и в исполнительной цепи «нагреватель (корпус транзистора VT3) - корпус изделия». При использовании внешнего нагревателя R_н расстояние между ним и моноблоком данного устройства также должно быть по возможности минимальным для уменьшения задержки в цепи измерения температуры «корпус изделия - датчик температуры».

В заключение следует отметить, что предлагаемая совокупность признаков в предложенном автором устройстве не встречалась ранее для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы стандартные элементы, в том числе - терморезисторы (либо позисторы, термометры сопротивления, термопары), транзисторы (или микросхемы с регулировкой параметров в заданных пределах), а в качестве силовых управляемых элементов - мощные транзисторы, в том числе - выполненные по схеме Дарлингтона, способные не только пропустить через себя ток нагревателя, но и передать через свой корпус мощность, необходимую для нагрева конкретного изделия в конкретном месте (наиболее перспективны для реализации этих функций - мощные полевые транзисторы). В качестве конструкции устройства для размещения в нем датчиков температуры и силовых транзисторов целесообразно использовать малогабаритный моноблок с теплопроводящей поверхностью, которая обеспечивает теплообмен с корпусом изделия.

На предприятии устройство находится на стадии разработки технического задания.

Использованная литература

1. Патент РФ №2090014, Н05В 1/02.

2. Патент РФ №2160920, G05D 23/19.

Относится к областям электротехники, электроники и теплотехники. Устройство для стабилизации температуры изделия содержит связанные между собой цепи питания, последовательно соединенные датчик температуры, усилитель, подключенные ко второй цепи питания, и транзистор, выход которого совместно с первой цепью питания образует выход устройства для подключения нагревателя, последовательно соединенные второй датчик температуры, второй усилитель, подключенные к третьей цепи питания, и генератор тока, выход которого включен последовательно с упомянутым транзистором и подключен к общей цепи питания устройства, первый и второй датчики температуры, транзистор и генератор тока выполнены с возможностью минимизации переходного теплового сопротивления относительно изделия, на котором устройство устанавливается. Технический результат - увеличение надежности путем исключения вероятности перегрева при одном любом отказе в устройстве, и увеличение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности совмещения роли регулятора температуры и нагревателя без снижения надежности исполняемой функции. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для стабилизации температуры изделия, содержащее связанные между собой цепи питания, последовательно соединенные датчик температуры, усилитель, подключенные ко второй цепи питания, и транзистор, выход которого совместно с первой цепью питания образует выход устройства для подключения нагревателя, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные второй датчик температуры, второй усилитель, подключенные к третьей цепи питания, и генератор тока, выход которого включен последовательно с упомянутым транзистором и подключен к общей цепи питания устройства.

2. Устройство для стабилизации температуры изделия по п.1, отличающееся тем, что вторая и третья цепи питания выполнены в виде стабилизированных источников напряжения.

3. Устройство для стабилизации температуры изделия по п.1, отличающееся тем, что первый и второй датчики температуры, транзистор и генератор тока выполнены с минимальным переходным тепловым сопротивлением в виде моноблока на теплопроводящей поверхности, предназначенной для теплообмена с корпусом изделия, на котором устройство для стабилизации температуры изделия устанавливается.