СПОСОБ НАСТРОЙКИ РАБОЧЕГО ДИАПАЗОНА ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2010 года по МПК G05D23/19 G01K7/18 

Изобретение относится к области стабилизации и регулирования температуры и может быть использовано при настройке устройств, обеспечивающих управление исполнительными органами (ИО - нагревателями и/или охладителями) в заданном диапазоне температур в режиме релейного или линейного управления.

В бортовых малогабаритных системах и устройствах стабилизации (регулирования) температуры используются малогабаритные датчики температуры - терморезисторы, с применением которых можно выполнить простые терморегулирующие устройства (всего 10-12 пассивных и активных элементов и даже менее) практически для любых диапазонов температур. Однако терморезисторы имеют большой производственный разброс как по номинальному сопротивлению - до 20%, так и по крутизне характеристики (изменению сопротивления на один градус Цельсия) - примерно вдвое [1, 2], что не позволяет эффективно применить расчетные методы при проектировании таких устройств и затрудняет взаимозаменяемость как датчиков температуры, так и терморегулирующих устройств в целом. Поэтому после проектирования и изготовления терморегулирующих устройств их подвергают индивидуальной настройке (экспериментальному уточнению результатов расчета) для обеспечения работы изделия в заданных диапазонах температуры, а также для унификации параметров терморегулирующих устройств [3, 4].

Для этого при заданных температурах помещают их в камеру тепла и холода (термокамеру), изменяют температуру воздуха (или иной окружающей среды) в этой термокамере в пределах заданного диапазона температур и подбором номиналов некоторых элементов (чаще всего - резисторов) настраивают пороги срабатывания устройств на включение ИО и на их отключение при заданных температурах. Например, для того чтобы настроить устройство на включение при заданной пониженной температуре, поступают следующим образом. Устанавливают в термокамере температуру, равную заданной пониженной температуре, помещают в термокамеру настраиваемое устройство, выдерживают его при этой температуре время, необходимое для стабилизации температуры всех элементов настраиваемого устройства, и одним из подборных элементов устройства добиваются его срабатывания. Затем устанавливают температуру в термокамере, равную заданной повышенной температуре, и, выдержав устройство при новой температуре время, необходимое для стабилизации температуры всех элементов настраиваемого устройства при новой температуре, настраивают его отключение другим элементом. Понятно, что на эти операции уходит много времени. И это еще не все… Поскольку изменение настройки на отключение влияет на температуру включения (и иногда - значительно), то обычно требуется повторное изменение (повторные изменения) температуры в термокамере для уточнения настройки температур включения и отключения. Можно, конечно, для экономии времени настраиваемое устройство переносить из одной термокамеры в другую с заданными температурами, но все равно выдержка устройства при заданных температурах неизбежна. Кроме того, при переносе устройства из термокамеры с отрицательной температурой в термокамеру с положительной температурой происходит отпотевание устройства и требуется дополнительное время для того, чтобы это устройство просушить. Методом последовательного приближения всегда можно обеспечить требуемую точность срабатывания на включение нагревателя (отключение охладителя) при снижении температуры ниже допустимой и/или отключение нагревателя (включение охладителя) при превышении заданной температуры.

На весь процесс настройки уходит много времени, в основном - на неоднократные изменения температуры, выдержку устройства при заданных температурах, расходуется много электроэнергии и изнашивается дорогостоящее оборудование (расходуется ресурс термокамер).

Основная задача изобретения - упрощение способа настройки и повышение производительности.

Предложенный автором способ настройки рабочего диапазона температур терморегулирующих устройств не требует многократного изменения температуры в термокамере. Достаточно устройство выдержать при заданных температурах однократно. При этом дополнительно снижаются энергетические затраты на настройку и уменьшается износ технологического оборудования.

Предложенный способ настройки диапазона рабочих температур терморегулирующих устройств можно рассмотреть на примере устройства, представленного на фиг.1. На фиг.2 и 3 приведены схема термочувствительной части этого устройства (схема эквивалентного датчика температуры) и упрощенная схема устройства, а на фиг.4 приведена альтернативная схема термочувствительной части устройства.

На схемах и далее по тексту обозначены:

1 - пороговое устройство,

u_i - входное напряжение порогового устройства,

u_iв, u_iв - входные напряжения порогового устройства, обеспечивающие включение и отключение ИО,

u_о - выходное напряжение порогового устройства,

Т - температура,

Т_в, Т_о - температуры включения и отключения ИО,

R_к - терморезистор,

r_кв, r_ко - сопротивления терморезистора R_к при температурах Т_в и Т_о,

R_e - эквивалентный датчик температуры,

r_ев, r_ео - сопротивления эквивалентного датчика температуры R_e при температурах Т_в и Т_о,

R1, R2, R3 - резисторы,

r₁, r₂ - сопротивления резисторов R1 и R2, обеспечивающие включение и отключение ИО,

Е - напряжение питания,

GND - общая шина («земля»).

Термочувствительной частью устройства являются терморезистор R_к, подбираемые элементы устройства - резисторы R1 и R2, отмеченные на схемах звездочками (*), и резистор R3, номинал которого определяется (рассчитывается) при проектировании устройства и подбору не подлежит. При проектировании устройства рассчитываются значения u_iв и u_io - входные напряжения порогового устройства 1, обеспечивающие включение и отключение ИО, или гистерезис порогового устройства 1. Терморезистор R_к и резисторы R1 и R2, включенные параллельно и последовательно с терморезистором R_к (фиг.1, 2 и 4), представляют собою эквивалентный датчик температуры R_e (фиг.3).

Схема эквивалентного датчика температуры R_e устройства может быть выполнена по двум вариантам. Так, резистор R1 может быть подключен последовательно с терморезистором R_к, а резистор R2 - параллельно к ними в соответствии со схемой фиг.1 и 2, либо резистор R2 может быть подключен параллельно к терморезистору R_к, а резистор R1 - последовательно с ними в соответствии со схемой фиг.4. Предложенное изобретение дает общий метод настройки таких устройств на включение и отключение ИО при заданных температурах Т_в, и Т_о вне зависимости от схемы включения терморезистора R_к.

Подключение термочувствительной части устройства к пороговому устройству 1 на чертежах показано в общем виде (в частности, пунктиром - к шине питания Е и общей шине GND). Термочувствительная часть устройства может быть включена и по-другому, например, в цепь обратной связи операционного усилителя (на чертежах не показано, поскольку конкретная схема подключения термочувствительного устройства не отражается на предложенном способе его настройки).

Предложенный способ настройки терморегулирующих устройств наиболее эффективен при настройке устройств, в которых применены в качестве датчика температуры малогабаритные терморезисторы R_к, обладающие высокой чувствительностью, но имеющие большой производственный разброс как по номинальному сопротивлению, так и по крутизне характеристики.

Включение и отключение ИО пороговым устройством 1 происходит при определенных значениях u_iв и u_iв входного напряжения u_i, соответствующих пониженной температуре окружающей среды Т_в, при которой происходит включение ИО, и повышенной температуре окружающей среды Т_о, при которой происходит отключение ИО (фиг.1 и 3). Выходной сигнал u_o порогового устройства 1 производит включение и отключение ИО системы терморегулирования (на схемах не показаны, поскольку этот признак не является существенным для данного изобретения, хотя является обязательной составляющей системы терморегулирования).

Напряжение u_i (фиг.1 и 3) снимается с делителя напряжения, образованного эталонным (расчетным) резистором R3 и сопротивлением эквивалентного датчика температуры R_e, а именно - цепочки, содержащей терморезистор R_к и подбираемые резисторы R1 и R2 (фиг.3 и 2).

В общем случае

,

где (для фиг.2): ,

(для фиг.4): .

Эквивалентное сопротивление r_е датчика температуры R_e не зависит от напряжений Е и u_i и в любой схеме включения в общем виде является однозначной функцией трех переменных:

.

Настройка срабатывания и отпускания порогового устройства 1 производится путем подбора сопротивлений r₁ и r₂ резисторов R1 и R2 (фиг.1, 2 и 4).

Предложенный способ настройки применим не только к релейным регуляторам, осуществляющим включение/отключение ИО, но и осуществляющим линейное регулирование ИО в заданном диапазоне температур (например, плавное изменение выделяемой в нагревателе мощности, пропорциональной выходному сигналу u_o устройства 1, показанному пунктиром на графиках фиг.1 и 3). Для этого вместо порогового устройства 1 используется усилитель с заданной проходной характеристикой.

Предложенный способ настройки рабочего диапазона температур терморегулирующего устройства путем подбора сопротивления резисторов R1 и R2, образующих при последовательном и параллельном соединении с терморезистором R_K эквивалентный датчик температуры R_e, на включение и отключение ИО при заданных температурах Т_в и Т_о, заключается в том, что предварительно экспериментально определяют при заданных температурах Т_в и Т_о значения сопротивления r_ев и r_ео эквивалентного датчика температуры R_e, при которых реально происходит включение и отключение ИО настраиваемым терморегулирующим устройством. При этих же температурах Т_в и Т_о измеряют значения r_кв и r_ко сопротивления терморезистора R_K настраиваемого терморегулирующего устройства, затем по результатам экспериментального определения сопротивлений r_ев и r_ео эквивалентного датчика температуры R_e и измерения значений сопротивлений r_кв и r_ко терморезистора R_K настраиваемого терморегулирующего устройства, экспериментально или расчетным путем определяют значения сопротивления r₁ и r₂ подбираемых резисторов R1 и R2.

При этом сопротивления r₁ и r₂ подбираемых резисторов R1 и R2 определяются экспериментально в схеме эквивалентного датчика температуры (фиг.2 или 4) с использованием магазинов сопротивлений, имитирующих терморезистор R_к и подбираемые резисторы R1 и R2, при этом сопротивление магазина, имитирующего терморезистор R_к, устанавливают поочередно равным измеренным значениям r_кв и r_ко, сопротивление имитатора одного из подбираемых резисторов R1 и R2 поочередно увеличивают (уменьшают), а сопротивление имитатора второго подбираемого резистора уменьшают (увеличивают) до тех пор, пока сопротивления в эквивалентной схеме датчика температуры R_e не станут равными определенным ранее экспериментально значениям r_ев и r_ео.

Кроме того, сопротивления r₁ и r₂ подбираемых резисторов R1 и R2 могут быть определены расчетным путем с помощью составления и решения относительно значений сопротивления r₁ и r₂ системы двух уравнений с двумя неизвестными

связывающих между собой определенные экспериментально сопротивления r_ев и r_ео, эквивалентного датчика температуры R_e, измеренные значения r_кв и r_ко сопротивления терморезистора RK и рассчитываемые сопротивления r₁ и r₂ подбираемых резисторов R1 и R2.

Экспериментальное определение конкретных значений сопротивления r_ев и r_ео эквивалентного датчика температуры R_e (фиг.3), при которых настраиваемое терморегулирующее устройство (фактически - пороговое устройство 1) обеспечивает включение и отключение ИО при заданных температурах Т_в и Т_о выполняется следующим образом. Вместо резисторов R_к, R1 и R2 (фиг.1 или 4) к пороговому устройству 1 подключается обыкновенный магазин сопротивлений, имитирующий R_e (фиг.3). Изменяя сопротивление этого имитатора при заданной пониженной температуре Т_в добиваются срабатывания порогового устройства 1. Изменяя сопротивление имитатора R_e терморегулирующего устройства при заданной повышенной температуре Т_о, добиваются отпускания порогового устройства 1. Значения сопротивления r_ев и r_ео имитатора эквивалентного датчика температуры R_e, при которых при заданных температурах Т_в и Т_о происходит включение и выключение порогового устройства, и являются искомыми для последующего определения сопротивлений r₁ и r₂ подбираемых резисторов R1 и R2.

Одновременно при тех же температурах окружающей среды Т_в и Т_о измеряют омметром значения сопротивления r_кв и r_ко терморезистора R_к настраиваемого терморегулирующего устройства.

Значения сопротивлений r₁ и r₂ подборных резисторов R1 и R2 получают экспериментально, собрав эквивалентную схему из трех магазинов сопротивления, имитирующих R_к, R1 и R2, в соответствии со схемой их соединения (как на фиг.2 или как на фиг.4). После этого сопротивление имитатора R_к устанавливают поочередно равным r_кв и r_ко, сопротивление имитатора R1 поочередно увеличивают (уменьшают), а сопротивление имитатора R2 уменьшают (увеличивают) до тех пор, пока эквивалентные сопротивления этой цепочки не станут равными экспериментально измеренным ранее значениям r_ев и r_ео.

Определение сопротивления r₁ и r₂ подборных резисторов R1 и R2 может быть выполнено также путем решения относительно r₁ и r₂ системы двух уравнений с двумя неизвестными, связывающей между собой определенные экспериментально значения сопротивления r_ев и r_ео эквивалентного датчика температуры R_e, измеренные значения сопротивления r_кв и r_ко конкретного терморезистора R_к и сопротивлений r₁ и r₂ подборных резисторов R1 и R2. В качестве основы для составления системы двух уравнений с двумя неизвестными применяются формулы (2 и 3), в которых известными являются экспериментально измеренные при заданных температурах окружающей среды значения r_ев и r_ео, r_кв и r_ко и еще неизвестные сопротивления r₁ и r₂ подбираемых резисторов R1 и R2:

r_ев=[(r₁+r_кв)·r₂]/(r₁+r_кв+r₂),

r_eo=[(r₁+r_ко)·r₂]/(r₁+r_ко+r₂) - для схемы на фиг.1 и 2,

или: r_ев=r₁+(r_кв·r₂)/(r_кв+r₂),

r_ео=r₁+(r_ко·r₂)/(r_ко+r₂) - для схемы на фиг.4.

Решение этих систем уравнений уравнений в описании изобретения не приводятся, поскольку это является стандартным математическим средством.

После экспериментального определения значений сопротивления r₁ и r₂ подбираемых резисторов R1 и R2 или решения системы уравнений относительно сопротивлений подбираемых резисторов R1 и R2 в терморегулирующее устройство устанавливают резисторы с сопротивлениями, равными определенным значениям r₁ и r₂, а также конкретный терморезистор R_к (если он до этого не был установлен) и проверяют точность работы устройства в целом в заданном диапазоне температур, например, в процессе приемосдаточных испытаний.

Процесс настройки по данному способу уменьшает время настройки, поскольку в термокамере настройки, как таковой, - нет, а вместо настройки с помощью магазина сопротивлений определяются значения эквивалентного сопротивления r_ев и r_ео, при которых происходит фактическое включение и отключение ИО при заданных температурах и одновременно производится измерение сопротивления r_кв и r_ко терморезистора RK. Для измерения параметров терморезистора и определения эквивалентного сопротивления R_e требуется только однократное изменение температуры в термокамере от Т_в до Т_о или обратно - без разницы (или две термокамеры с заданными температурами окружающей среды в них). Чтобы имитировать (!) любые «изменения» температуры в термокамере, достаточно на имитаторе сопротивления R_e изменить текущее значение сопротивления. Так, при реальной температуре в термокамере, равной температуре включения Т_в, этот имитатор позволит перевести терморегулирущее устройство и в выключенное, и во включенное состояние. И наоборот - при реальной температуре в термокамере, равной температуре отключения Т_о, изменение сопротивления магазина имитатора R_e позволит перевести терморегулирущее устройство как во включенное состояние, так и в выключенное. Такие изменения сопротивления, проделанные два-три раза при каждой заданной температуре (без изменения температуры в термокмере!), позволят с любой точностью экспериментально определить значения r_ев при пониженной температуре и значения r_ео при повышенной температуре. Времени на такие манипуляции потребуется не более одной-двух минут при каждой температуре.

При настройке устройства в термокамере известным способом максимальное количество времени уходит на неоднократное изменение температуры в термокамере и выдержку настраиваемого устройства при заданной температуре, а время, затрачиваемое непосредственно на настройку, несоизмеримо мало. При этом отработка навыков настройки серийных устройств известным способом экономит пренебрежимо мало времени от общего времени и, кроме того, не позволяет оценить точность окончательной настройки, пока не будет проведен дополнительный цикл изменения температуры от Т_в до Т_о, при котором и определяются реальные пороги срабатывания и отпускания настроенного устройства.

Как видно из описания предложенного способа настройки, он существенно проще традиционного и увеличивает производительность при настройке серийной аппаратуры. Это подтверждает решение поставленной задачи. Кроме того, этот способ дает и дополнительный эффект, а именно - уменьшает энергетические затраты на процесс настройки (остаются затраты при измерении сопротивлений r_кв и r_ко конкретного терморезистора и определения значений r_ев и r_ео), а также сберегает ресурс термокамер.

Предложенный способ настройки терморегулирующих устройств опробован и отработан на четырех лабораторных исполнениях малогабаритных приборов, разработанных на разные диапазоны температур для изделий предприятия, и подтвердил свою эффективность.

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

Использованная литература

1. «Термосопротивление». «Термосопротивление полупроводниковое». Автоматизация производства и промышленная электроника. - М.: Советская энциклопедия, 1965, т. 4, стр.32, 33.

2. Терморезисторы КМТ-17в … ОЖ0.468.096 ТУ.

3. Кейн В.М. Конструирование терморегуляторов. М.: Советское Радио, 1971 г., стр.85.

4. Кейн В.М. Конструирование терморегуляторов. М.: Советское Радио, 1971 г., стр.104.

Изобретение относится к области стабилизации и регулирования температуры и может быть использовано при изготовлении и настройке работоспособности серийных терморегулирующих устройств, обеспечивающих управление исполнительными органами в заданном диапазоне температур. Для настраиваемого терморегулирующего устройства сначала экспериментально определяют параметры эквивалентного датчика температуры, при которых терморегулирующее устройство обеспечивает включение и отключение исполнительных органов при заданных температурах, для конкретного терморезистора определяют значения его сопротивления при заданных температурах, затем определяют экспериментально сопротивления подбираемых резисторов в схеме эквивалентного датчика температуры с использованием магазинов сопротивлений, имитирующих терморезистор и подбираемые резисторы, или составляют систему двух уравнений с двумя неизвестными, связывающую между собой определенные экспериментально сопротивления эквивалентного датчика температуры, сопротивления конкретного терморезистора и сопротивления подбираемых резисторов, способных обеспечить настройку терморегулирующего устройства, и решают эту систему уравнений относительно сопротивления подбираемых резисторов. Технический результат - упрощение способа настройки и увеличение производительности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ настройки рабочего диапазона температур терморегулирующего устройства путем подбора сопротивлений r₁ и r₂ резисторов R1 и R2, образующих при последовательном и параллельном соединении с терморезистором R_к эквивалентный датчик температуры R_e, на включение и отключение исполнительных органов устройства при заданных температурах Т_в и Т_о, отличающийся тем, что предварительно экспериментально определяют при заданных температурах Т_в и Т_о значения r_ев и r_ео сопротивления эквивалентного датчика температуры R_e, при которых реально происходит включение и отключение исполнительных органов настраиваемым терморегулирующим устройством, при этих же температурах Т_в и Т_о измеряют значения r_кв и r_ко сопротивления терморезистора R_к настраиваемого терморегулирующего устройства, затем по результатам экспериментального определения сопротивлений r_ев и r_ео эквивалентного датчика температуры R_e и значений измеренных сопротивлений r_кв и r_ко терморезистора R_к настраиваемого терморегулирующего устройства экспериментально или расчетным путем определяют сопротивления r₁ и r₂ подбираемых резисторов R1 и R2.

2. Способ настройки рабочего диапазона температур терморегулирующего устройства по п.1, отличающийся тем, что сопротивления подбираемых резисторов определяют экспериментально в схеме эквивалентного датчика температуры R_e с использованием магазинов сопротивлений, имитирующих терморезистор R_к и подбираемые резисторы R1 и R2, при этом сопротивление магазина сопротивлений, имитирующего терморезистор R_к, устанавливают поочередно равным измеренным значениям r_кв и r_ко, сопротивление имитатора одного из подбираемых резисторов R1 и R2 поочередно увеличивают (уменьшают), а сопротивление имитатора второго подбираемого резистора уменьшают (увеличивают) до тех пор, пока сопротивления эквивалентной схемы датчика температуры R_e не станут равными определенным ранее экспериментально значениям r_ев и r_ео.

3. Способ настройки рабочего диапазона температур терморегулирующего устройства по п.1, отличающийся тем, что сопротивления r₁ и r₂ подбираемых резисторов R1 и R2 определяют расчетным путем с помощью составления и решения системы двух уравнений с двумя неизвестными
r_ев=f(r_кв, r₁, r₂) и
r_ео=f(r_ко, r₁, r₂),
связывающих между собой определенные экспериментально сопротивления r_ев и r_ео эквивалентного датчика температуры R_e, измеренные значения r_кв и r_ко сопротивления терморезистора R_к и рассчитываемые значения сопротивлений r₁ и r₂ подбираемых резисторов R1 и R2.