Устройство для регулирования температуры Советский патент 1983 года по МПК G05D23/24 

Изобретение относится к устройствам, регулирующим температуру различных объектов путем автоматического управления электрической мощностью подводимой к нагревателю.

Известны регуляторы температуры, используемые, например, в хроматографических анализаторах ij .

Однако эти регуляторы сложны по конструкции и обладают невысокой точностью.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является регулятор, содержащий последовательно соединенные термочувствительный мост усилитель постоянного тока, усилитель мощности, элемент сравнения, формирователь сигнала управления тиристорами и тиристорный регулирующий элемент, через который к источнику переменного напряжения подключен нагреватель, а также мостовой выпрямитель, параметрический стабилизатор напряжения и нелинейный опорный делитель, через который подводится питание к элементу сравнения. Наличие такого делителя.позволяет повысить точность поддержания згаданной температуры за счет частичной компенсации влияния колебаний напряжения питающей сети 2 .

Недостатком данного устройства является большой разброс характеристик варисторов , входящих э состав нелинейного опорного делителя, что вынуждает вводить в делитель элемент регулировки - подстроечный резистор, Наличие этого элемента снижает надежность устройства, усложняет настройку и повышает ее трудоемкость. Кроме того, форма характеристики варистора не позволяет добиться полной компенсации, в результате чего влияние колебаний напряжения питания лишь ослабляется, но не устраняется полностью. В этом устройстве не устраняется также влияние других деста.. билизирующих факторов, в частности дрейфа усилителя постоянного тока.

Первая база однопереходного транзистора элемента сравнения соединена непосредственно с базой транзистора формирователя сигнала управления тиристорсили, причем эмиттерный переход этого транзистора зашунтированрезистором. Этот резистор не может быть высокоомным во избежание отпирания транзистора формирователя междубазовым током запертого однопереходного транзистора, В то же

время малое значение сопротивления этого резистора ограничивает мощность и длительность импульсов на вы ходе формирователя, которые, в ряде случаев могут оказаться недостаточными для управления мощными тиристорами. Питание элемента сравнения

осуществляется от параметрического

стабилизатора напряжения и выпрямительного моста напряжением трапецеидальной формЫу что ограничивает динамический диапазон регулирования (отношение максимального напряжения на нагревателе к .минимальному в лине(}ной области характеристики),

Кроме того, при больших углах открытия ток эмиттера однопереходного транзистора может оказаться больше тока удержания. При этом однопереходной транзистор остается открыты до конца полупериода, останется открытым также полностью или, что еще хуже - частично транзистор формирователя сигнала управления тиристорами, что может вызвать его недопустимую перегрузку по мощности.

Целью изобретения является повышение точности устройства.

Поставленная цель достигаетс-я тем, что в устройстве для регулирования температуры, содержащем последовательно соединенные термочувствительный мост, дифференциальный усилитель постоянного тока, усилитель мощности, выход которого соединен с эмиттером однопереходного транзистора, выполняющего функции элемента сравнения, причем первая база Однопереходного транзистора через первый резистор соединена с базой транзистора фОЕялирователя сигнала управления силовьоли тиристорами, включенными последовательно с нагревателем в цеп переменного тока, а вторая база через второй резистор - с плюсовой шиной питания, а также мостовой выпрямитель, стабилизаторы положительного и отрицательного напряжения, транзисторный ключ,через который выход стабилизатора положительного напряжения соединен с плюсовой шиной питания, и каскад следящей обратной связи, состоящий из маломощного тиристора, .делителя напряжения со сглаживающим фильтром и индикатора среднего значения напряжения на нагревателе, катод маломощного тиристора связан через разделительный конденсатор с коллектором транзистора формирователя сигнала управления силовыми тиристорами и через диод - с отрицательным полюсом мостового выпрямителя, к которому, черкез третий резистор подключен управляющий электрод маломощного Тиристора, анод которого через делитель напряжения и сглаживающий фильтр подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя и. через индикатор среднего значения на нагревателе к общей шине, а через четвертый резистор - к управляющему вхбду транзисторного Ключа, связаннсалу через пятый резистор с положительном полю сом мостового выпрямителя, а через шестой резистор - с выходом стабили- затора отрицательного напряжения, состоящего из последовательно соединенных стабилитрона, диода и шестого оезистора, причем точка соединения седьмого резистора и диода соединена с первой базой однопереходного транзистора , На чертеже представлена схема устройства. Предлагаемое устройство содержит термочувствительный мост 1, образованный задатчиками 2, термометром сопротивления 3 и двумя постоянными резисторами 4, соединен с источником постоянного напряжения 5. Измеритель ная диагональ термочувствительного моста через резисторы 6. и 7 подключена к входам дифференциального усилителя постоянного тока 8, Выход усилителя соединен с входом усилителя мощности, выполненным в виде эмит терного повторителя на транзисторе 9. Эмиттер этого транзистора через диод 10 соединен с конденсатором 11 и эмиттером однопереходного транзистора 12, выполняющего функции элемента сравнения. Эмиттер транзистора 9, а также эмиттер и вторая база транзистора 12 соединены через резисторы 13 и 14 и второй резистор 15 с плюсовой шиной питания 16, Пер вая база транзистора 12 через первый резистор 17 соединена с базой транзистора 18 формирователя сигнала управления силовыми тиристорами.. К коллектору этого транзистора присоединен один конец первичной обмотки импульсного трансформатора 19, Второй конец первичной обмотки через резистор .20 соединен с конденсатором 21, и через диод 22 - с положительньил полюсом мостового выпрямителя 23 Вторичная обмотка импульсного трансфоЕматора 19 соединена с цепями управления СИЛОВЫХ тиристоров 24 и 2S тиристорного регулирующего элемента 26, через который к источнику Переменного .напряжения 27 подключен нагреватель 28, расположенный в Термог статируемом объеме 29, Плюсовая шина питания 16 соединен с выходоы стабилизатора положительного напряжения 30 через транзисторный ключ 31. Управляющий вход этого транзисторного ключа через пятый резистор 32 соединен с положительньм полюсом мостового выпрямителя 23 через шесфой резистор 33 - с выходом стабилизатора отрицательного нгшряжения 34, а через четвертый реаистор 35- с анодом маломощного тиристора 36каскада следящей обратной.связи 37. Катод этого тиристора через диод 38 соединен q от ; ицательным п6люсом мостового выпрямителя 23/ а через конденсатор 39 - с коллектором транзистора 18 формирователя сиг нала управления силовьми тиристорами Управляющий электрод тиристора 36 через третий резистор 40 соединен также с отрицательным полюсом мостового выпрямителя 23. Анод тиристора 36 помимо уже упоминавшейся связи ,через резистор 35 с входом транзисторного ключа 31 соединен также с индикатором 41 среднего напряжения на нагревателе, в качестве которого может быть использован любой измерительный прибор, сигнальная тламйа и т.п., а через фильтр-делитель напряжения 42 с одним из входов дифференциального усилителя постоянного тока 8. Стабилизатор отрицательного напряжения 34 выполнен в виде последовательно соединенных стабилитрона 43 диода 44 и седьмого резистора 45, соединенного с конденсатором 46 и через диод 47 с отрицательным полюсом мостового выпрямителя 23. При этом эмиттер транзистора 18 формирователя сигнала управления тиристорами присоединен к параметрическому стабили- затору отрицательного напряжения 34 между стабилитроном 43 и диодом 44, а первая база однопереходного транзистора 12 между диодом 44 и седьмым гасящим резистором 45. Диагональ питания мостоврго выпрямителя соединена с. концами вторичной обмотки разделительного трансформатора 48, средняя точка этой .обмотки заземлена, а первичная обмотка соединена с источником переменного напряжения 27. Устройство работает следующим образом. Напряжение небаланса измерительно.го моста 1, пропорциональное величине отклонения температуры объекта регулирования 29 от заданного значения, поступает через резисторы 6 и 7 на входы усилителя 8. На инвертирующий вход усилителя поступает также сигнал обратной связи от фильтра делителя 42, Таким образом, на входе усилителя действует разность сигнала небаланса измерительного моста и сигнала обратной связи. Усиленный разностный сигнал поступает на вход усилителя мощности - базу транзистора 9. Питание усилителя мощности и схемы сравнения на однопереходном транзисторе 12 Осуществляется близким к прямоугольному напряжением, формируемшд транзисторным ключом 31, Величины резисторов 32 и 22 рассчитаны таким образом, что транзисторный ключ открыт в течение почти всего полупериода. При этом выходное напряжение стабилизатора 30 беспрепятственно проходит к плюсовой шине питания 16 усИлктеля мощности и элемента срав- : нения, В конце полупериода, дсогда нешряЖение мостового выпрямителя 23 приближается к нулю, ток через резистор 32 делается меньше, чем ток через резистор 33, оба транзистора транзисторного ключа 31 запираются, и напряжение на шине 16 делается рав ным нулю. В это время оба перехода транзистора 9 закрыты, конденсатор 1 разряжен ,поскольку зашунтирован открытым переходом транзистора 12. В начале следующего полупериода, когда с ростом напряжения мостового выпрямителя 23 транзисторный ключ 31 от(ПираетсЯг и на шине 16 появляется стабилизированное положительное напряжение параметрического стабилизатора 30, транзистор 9 начинает работать как эмиттерный повторитель« Пе реход транзистора 12 запирается через диод 10, конденсатор 11 очень быстро заряжается до напряжения/ .приблизительно равного напряжению на выходе усилителя 8. Дальнейший заряд конденсатора происходит экспо ненциально через резистор 14, Диод 10 при этом запирается, когда напря жение достигнет величины отпирания однопереходного транзистора 12, про исходит быстрый разряд конденсатора 11. Импульс разрядного тока через резистор 17 проходит в базу транзис тора 18, усиливается им и через импульсный трансформатор 19 поступает в управляющие цепи силовых тиристо ров 24 и 25 тиристорного регулирующего элемента 26. Время заряда кондё.нсатора 11 до напряжения отпирани транзистора 12 зависит от напряжения, до которого конденсатор заряжается в канале полупериода через усилитель мощности, т«е, от напряже ния на в.ыходе усилителя 8 Если это напряжение больше напряжения отпира ния транзистора 12, последний отопрется в самом .начале полупериода, как только зарядится конденсатор 11 При этом силовые тиристоры 24 и 25 также отпираются в самом начале каж дого полупериода и мощность, вьделяемая в нагревателе, будет максимальней. Если напряжение на выходе усилителя 8 меньше некоторой опреде ленной величины, конденсатор 11 воо ще не успевает зарядиться до напряжения отпирания транзистора 12 за время полупериода. В этом случае разряд происходит в момент исчезновения напряжения на -шине 1б в конце полупериода, когда благодаря отсутствию междубазового напряжения откроется эмиттерный переход транзистора 12. Поскольку в этот момент сетевое напряжение проходит через нуль, силовые тиристоры 24 и-25 не отпираются, и мощность, выделяемая в нагревателе, ргшна нулю. В промежуточных значениях напряжения выход усилителя 8 мощность, выделяемая в нагревателе, функционально связана с этим напряжением Благодаря высокой .крутизне фронтов и близкой к ед нице скважности импульсов напряжения, формируемых транзисторным ключом 31 на шине 16, диапазон плавно регулируемой мощности нагревателя близок к предельно возможному: от нуля и до мощности, соответствующей полному напряжению питающей сети.. В момент отпирания транзистора 12 ток разряда конденсатора 11 насыщает транзистор 18. Напряжение на его коллекторе падает от напряжения конденсатора 21 до выходного напряжения стабилизатора отрицательного напряжения 34. При этом импульс тока перезаряда конденсатора 39 отпирает маломощный тиристор 36 каскада следящей обратной связи. Через диод 38 катод этого тиристора связан с отрицательным полюсом мостового выпрямителя 23,питаемого через трансформатор 48 от того же источника 27 переменного напряжения, что и нагреватель. Благодаря этому среднее напряжение на аноде тиристора 36 зависит от фазы управляющего импульса и от напряжения сети точно таким же образом,как и среднее за полупериод напряжение на нагревателе 28. Часть этого напряжения, поделенного и сглаженного фильтром-делителем 42, поступает на неинвертирующий вход усилителя 8. Таким образрм, все устройство оказывается охваченным глубокой отрицательной обратной связью по величине среднего за полупериод напряжения на нагревателе, в результате чего устройство непрерывно поддерживает равенство величин сигнала обратной связи на выходе фильтра-делителя 42 и небаланса измерительного MbdTa. Поскольку,, как уже указывалось, сигнал обратной связи жестко связан с напряжением нагревателя, можно утверяодать, что среднее напряжение нагревателя прямо пропорционально небалансу моста и не зависит ни от коэффициента усиления усилителя 8 и других элементов схемы, ни от напряжения сети (в пределах зоны пропорционального регулирования) . Высокая линейность характеристики и полное.устранение влияния величины питающего напряжения на напряжение нагревателя обеспечивают повышение качества и точности регулирования температуры и отсутствие колебаний температуры при скачкообразных изменениях напряжения сети. Кроме того, наличие каскада следящей обратной связи, гальванически не связанного с сетью, обеспечивает удобную возможность индикации среднего напряжения на нагревателе Стабилизатор отрицательного напряжения введен в устройство для согласования уровней на выходе усилителя 8 и на эмиттере транзистора 12, Наличие этого стабилизатора дает возможность .простые способом существенно повысить мощность и длительность импульса в коллекторной цепи транзис тора 18. Эта возможность реализуется включением между первой базой транзистора 12 и эмиттером транзистора 18 диода 44, через который в прямом направлении проходит ток стабилитрона 43. Падение напряжения порядка 0,5 В на открытом переходе диода обеспечивает надежное запирание перехода транзистора 18. В то же время при отпирании транзистора 12 практически весь заряд конденсатора 11 попадает в базу транзистора 18, поскольку значение резистора 17 много меньше значения резистора 45. Наличие резистора 17 позволяет растянуть (Процесс разряда конденсатора 11 и значительно увеличить, таким образом, длительность.и энергию импульсов на вторичных обмотках импульсного транс форматора 19. Величина резистора 13 должна быть выбрана достаточно малой, чтобы обеспечить возможно большую скорость заряда конденсатора 11 в начале полу периода. При этом ток через резистор превышает гарантированное минимальное значение тока удержания транзистора 12. Это означает, что после его отпирания он может не закрыться до окончания полупериода. При этом резко возрастает средняя величина коллекторного тока транзистора 18 и мощность, рассеиваемая в транзисторд и в резисторе 20. Устранение перегрузки транзистора 18, связаннее с этий повышение надеж ноети и снижение энергопотребления достигаются введением резистора 35 меядау входом транзисторного ключа и анодом тиристора 36 вспомогательного тиристорного каскада 37. Напряжение отрицательного noJDoca мостового выпрямителя 23 меняется во времени симметрично напряжению, его положительного полюса. В любой момент времени эти напряжения равны по абсолютной величине и противоположны по знаку Величины резисторов 32 и 35 выбраны таким образом, что при отпирании тиристо а 36 транзисторный ключ 31 запирается, транзисторы 9 и 12 обесточиваются, и транзистор 18 запирается. Таким образом, путем введения ГПУ боиой отрицательной обратной связи по среднему за полупериод напряжению на нагревателе обеспечивается полное устранение влияния колебаний питающего напряжения на величину напряжения нагревателя, что ведет к устранению колебаний температуры при резких, скачкообразных изменениях напряжения сети и в конечном счете - к повышению точности и достоверности хроматографического. анализа. Получаемый а счет той же отрицательной обратной связи эффект линеаризации регулировочно й характеристики улучшает переходные процессы и сокращает их длительность, что особенно важно при использовании предлагаемого устройства в системах программирования и температуры и приводит к тому же результату - повышению точности анализа. Отсутствие в схеме регулировочных элементов исключает необходимость настройки и снижает тем самым трудоемкость его изготовления, что дает непосредственными экономический эффект. Наконец, повышение мощности управляющих импульсов, расширение динамического диапазона регулирования, наличие индикатора среднего напряжения на нагрузке и защиты транзистора фор- ирователя обеспечивают улучшение эксплуатационных характеристик предагаемого устройства и расширение обЛасти его применения.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее последовательно соединенные термочувствительный мост, дифференциальный усилитель постоянного тока, усилитель мощности, выход которого соединен с эмиттером однопереходного транзистора, выполняющего функции элемента сравнения, причем первая база однопереходного транзистора через первый резистор соединена с базой транзистора формирователя сигнала управления силовыми тиристорами, включенными последовательно с нагревателем в цепьпеременного тока, а вторая база через второй резистор - с плюсовой шиной питания, а также мостовой выпрямитель, стабилизаторы положительного и отрицательного напряжения, транзисторный ключ, через который выход стабилизатора положительного напряжения соединен с плюсовой шиной питания, и каскад следящей обратной сбязи, состоящий из маломощного ти:ристора,делителя напряжения со сглаживающим фильтром и индикатора среднего значения напряжения на нагревателе, о т Л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, катод маломощного тиристора связан через разделительный конденсатор с коллектором транзистора формирователя сигнала управления силовыми тиристорами и через диод - с отрицательным полюсом мостового выпрямителя, к которому через третий резистор подключен управляющий элект- , род маломощного тиристора, анод ко- ) торого через делитель напряжения и сглаживающий фильтр подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителяи через индикатор среднего значения напряжения на нагревателе - к общей шине, а через четвертый резистор - к управляющему входу транзисторного ключа, .связанному через пятый резистор с положительным полюсом мостового выпрямителя, а через шестой резистор - с вы-. ходом стабилизатора отрицательного напряжения, состоящего из последовательно соединенных стабилитрона, диода и шестого резистора, причем точка соединения седьмого резистора и диода соединена с .первой базой одноп реходного транзистора.