Термокриостат Советский патент 1984 года по МПК G05D23/30 

Изобретение относится к экспери ментальной физике и химии, в частности к устройствам стабилизации и широкодиапазонного регулирования температуры образцов диэлектрических материалов, исследуекых в при борах для опредадения диэлектрических характеристик.

, Известен термокриостат, содержащий систему нагрева, систему охлаж дения, устройство перемешивания теплоносителя и цифровой терморегулятор f 1 .

Однако этот термокриостат характеризуется недостаточно широким диапазоном температуры. Кроме того, теплоносителем -служит жидкость, что создает неудобства в эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является термокриостат, содержащий теплоизолированный корпус с расположенной в нем с зазором рабочей камерой, на которой размещены нагреватель и кольцевой распылитель хладагента, связанный с выходом устройства для .хранения и подачи хладагента, и пропорционально-позиционный регулятор температуры, состоящий из последовательно соединенных программного задатчика температуры, цифроаналогового преобразователя и схекал сравнения, ко второму входу которой подключен датчик темперагуры, выход схе№ сравнения через -первый и второй фopIvшpoвaтeли управляющего сигнала подключен соответственно ко входам первого и второго усилителя мощности,, выход первого из которых связан со.входом устройства для-хранения и выдачи хладагента, а выход второго связан с,нагрева-Телем f 2} ,

Недостатками термокриостата явлАются Наличие градиента температуры в рабочей камере и большая погрешность стабилизации температур, близких, к окружающей.

Цель изобретения - уменьшение градиен га температуры в рабочей камере и повышение точности термостатирования. I - . .

Поставленная цель достигается

тем, что термокриостат снабжен отражателем, выполненным из теплопроводного материал.а в виде усеченного конуса, закрепленного меньшим основанием на теплоизолированном корпусе, дополнительным нагревателем, третьим формирователем управляющего сигнала, задатчиком коэффициентов преобразования и третьим с усилителем мощности, связанным с дополнительным нагревателем, де1 ифратором и инвертором, выход которого подключен к управляющему входу пер1зого формирователя управляющего сигнала, вход инвертора подклю- чен к заправляющему входу второго формирователя управляющего сигнала и выходу даиифратора, вход которого

5 связан с информационным входом третьего формирователя управляющего сигнала, с входом цифроганалогового преобразователя и с выходом программного задатчика температуры.

0 Третий Формирователь управляющего сигнала содержит последовательно соединенные коммутатор, цифро-аналоговый преобразователь к формирователь импульсов управления.

5 На чертеже изображена функциональ ная схема термокриостата.

Термокриостат содержит теплоизолированный корпус 1, в котором расположены центробежный вентилятор 2,

0 рабочая камера 3, состоящая из полого цилиндра и усеченного конуса, датчик 4 температуры, кольцевой распылитель 5 хладагента, основной 6 и дополнительный 7 нагреватели. В

5 термостатируемую рабочую камеру 1 помещается термостатируемый объект 8 (измерительные ячейки диэлькометров с образцами диэлектриков , укрепленный на отражателе 9, .который в

Q свою очередь прикреплен к корпусу 1 через теплоизолирукедиё прокладки 10. Термокриостат содержит также устройство 11 для хранения и выдачи хладагента, представлякяцее собой трубо5 провод, герметично закрепленный на горловине сосуда Дьюара, с располо-. .женными на нем электромагнитюлм клапаном и нагревателем, погруженным в жидкий: хладагент. Выход трубопро0 вода подключен к кольцевому распылителю 5 хлаДа,гента. Кроме того, термокриостат содержит пропорционально-позиционный регулятор температурщ, с.остоящий из последоваг тельно соединенных программного задатчика 12 температуры, цифро-аналогового преобразователя 13 и схемы 14 сравнения, ко второму входу которой подключен датчик 4 темпера- туры,фор1мирователей 15-17 управляюще -

го сигнала с усилителялш 18-20 мощ-; ности, дешифратора 21, инвертора 22 и задатчика 23 коэффициентов преобразования. Формирователь 17 управляющего сигнала состоит из последова5 тельно соединенных коммутатора 24, цифро-аН(алогового преобразователя 25 и фор1 1ирователя 26 импульсбв управления, через усилитель 20 мощности связанного с дополнительным нагрева0 телем 7. Зада:тчик 23 коэффициентов преобразования состоит из четырех переключателей 27-30, выходы которых подключены к управляющим входам коммутатора 24. Информационный вход

5 коммутатора 24 формирователя 17

управляющего сигнала связан с выходом программного задатчика 12 и выходами цифро-аналогового преобравателя 13 и дешифратор:а 21, выход которого связан с управляющим входом формирователя 16 управляюш.его сигнала и через инвертор 22 с управляквдим входом формирователя 15 управляющего сигнала. Информационные входы формирователей 15 и 16 управляimero сигнала связаны с выходом схемы 14 сравнения, а их выходы, через усилители 18 и 19 мощности связаны с устройством 11 для хранения и выдачи хладагента и основным нагревателем 6 соответственно.

Термокриостат работает следующим образом.

При включении термокриостата подается напряжение на электродвигатель центробежного вентилятора 2, .который нагнетает теплоноситель ( пары хладагента в диапазоне темпера1тур от -180 до или воздух IB диапазоне температур от 50 до 500 С В зазор между стенками теплоизоли рованного корпуса 1 и рабочей камерой 3. При этом теплоноситель проходит сквозь спирали нагревателей 6 и 7, огибает распылитель 5 хладагента и,отражаясь отрсажателем 9 ,посту пает в термостатируеьый объем, обтекая термостатйруемлй объект b. При этом отражатель 9 формирует поток теплоносителя, повышая интенсивность перемешивания, служит хорошим проводником тепловой энергии между теплопроводящлми стенками теплоизолированного корпуса 1, рабочей камерой 3 и термостатируемым объектом 8, создавая замкну тую тепловую поверхность, а также дополнительно экрани рует термостатируекый объем от окружакяцей среды.

, Необходимая температура (или зако ее изменения ) задается программным задатчиком 12, выходной сигнал которого С стандартный четырехразрядный двоично-десятичный код ) через цифро-аналоговый преобразователь 13 подается на схему 14 сравнения, где сравнивается с сигналом датчика 4 температуры. Разностный сигнал подается на информационные входы формирователей 15 и 16 управляющего сигнала В случае, когда температура в рабочей камере 1- выше заданной и на упра лякщем входе формирователя 15 присутствует сигнал, соответствующий логической 1, формирователь 15 вырабатывает релейный сигнал, который, усиливаясь усилителем 18 мсяцности, включает электромагнитньй4 клапан и нагреватель устройства 11 для хранения и выдачи хладагента. Хладагент начинает испаряться и под давлением поступает в распылитель 5 и из негр

в рабочую камеру 3, понижая в последней температуру. При достижении равества температуры в рабочей камере 3 и заданной задатчиком 12 разностный сигнал на выходе схемы 14 срав нения становится равным нулю, в результате чего релейный сигнал на выходе формирователя 15 также становится равным нулю и устройство 11 для хранения и выдачи хладагента выключается, прекращая поступление хладагента в рабочую камеру 3. В результате температура в последней повышается и процесс периодически повторяется, осуществляя регулирование температуры в рабочей камере 3 по каналу охлаждения. При наличии логического О на управляющем входе формирователя 15 релейный сигнал на его выходе равен нулю при любом значении разностного сигнала на выходе схемы 14. Следовательно, в этом случае хладагент в рабочую камеру 3 не поступает и регулирования по канулу охлаждения не происходит. В случае, когда температура в рабочей камере ниже заданной и на управляющем входе формирователя 16 присутствует логическая 1, последний вырабатывает аналоговый сигнал, пропорциональный разностному сигналу с выхода схемы 14. Этот сигнал, усиливаясь усилителем 19 мощности, подается на нагреватель 6, В результате температура в рабочей камере 3 начинает повышаться, разностный сигнал с выхода схеки 14 уменьшается, уменьшая сигнал формирователя 16 и, как следствие, мощность, выделяемую на нагревателе 6. В результате на нагревателе 6 выделяется мощность, достаточнаяЕ- для компенсации .тепловых потерь термокриостата. В данном случае осуществляется пропорциональное регулирование температуры в рабочей Кс1мере 3 по 1 каналу нагрева. При наличии логаческого О ла управляквдем входе формирователя 16 сигнал на его выходе отсутствует при любом значении разностного сигнала с выхода cxet«a 14 и регулирования по 1 каналу нагрева не происходит.

Логические сигналы, подаваемое на управляющие, входы формирователей 15 и 16, вырабатываются дешифратором 21 и инверторов 22.

В диапазоне заданных задатчиком 12 температур от -180 до -49, на выходе дешифратора 21 и на управляющем входе формирователя 16 присутствует логический О, запрещающий работу терморегулятора по 1 каналу нагрева. На управляющем входе формирователя 15 при этом присутствует логическая 1 и работа канала охлгикдения производится, как описно ваше.

В диапазоне заданных задатчиком 12 температур от 50 до SOOc на выходе дешифратора 21 и на управляющем вхрде формирователя 16 присутствует логическая 1 и работа терморегулятора по Г каналу нагрева производится, как описано выше. На управляющем входе формирователя 15 -при этом присутствует логический О запрещающаий работу терморегулятора по каналу охлаждения.

Двоично-десятичный код, соответст вую11Ий заданному значению температуры (з4д) поступает также на информационный вход коммутатора 24 формирователя 17 управляющего сигнала. На управлякяаие входы коммутатора 24 подаются сигналы в двоично-десятичном коде с переключателей 27-30 задатчика 23 коэффициентов преобразования. Переключателями 27-30 перед включением термокриостата задаются коэффициенты преобразования, исходя из заранее определенной статической характеристики термокриостата с каждым конкретным объектом термостатирования., ,

С выхода коммутатора 24 на вход цифро-аналогового преобразователя 25 поступает двоично-десятичный код, численное значение которого равно произведению i itjAf. где KI соответствую-щий коэффициент преобразования, значение температуры, заданной задат чком 12.

При этом в диапазоне температур о О до 49,9°С выходной сигнал коммута тора 24 равен К , где К - число, установленное переключателем 27. В диапазоне температур от 50 до 199,9с внхорной- сигнал коммутатора 24 равен К2 - здд, где Kj - число, установленное переключателем 28. В диапазоне температур от 200 до 349,9°С выходной сигнал коммутатора 24 равен . де Kj - число, установленное переключателем 29. В диапазоне температур от 350 до выходной

сигнал коммутатора 24 равен К , где К - число, установленное переключателем 30. В диапазоне температур от -180 до -0,1С выходной сигнал коммутатора равен нулю.

С выхода цифро-аналогового преобразователя 25 аналоговый сигнал, пропорциональный К- tsftA через формирователь импульсов управления и усилитель 20 мощности поступает на нагреватель 7, благодаря чему на последнем выделяется мощность, пропорциональная . Таким образом,в диапазоне, температур от -180 до -О,.работает только канал охлаждения. В диапазоне температур от О до +49,9 С работает канал охлаждения и И канал нагрева (нагреватель 7 В диапазоне температур от 50 до 500С работают оба канала нагрева. При этом ,цпя эффективной работы термокриостата коэффициент К выбирается таким, чтобы температура в рабочей -камере была бы на 15-20 0 выше заданной, если бы канал охлаждения был выключен. Коэффициенты К выбираются такими, чтобы мощность, вылеляемая на нагревателе 7, всегда составляла 70-80% полной мощности, потребляемой термокриостатом при данной температуре.

Предлагаемый термокриостат обеспечивает стабилизацию и программное изменение температуры во всем диапазоне от -180 до 500°С с погрешностью не более 10,3с ГУ прототипа - базового объекта ВТК-400 i 0,5°С Гргадиент температури не превышает при 500С, что в 3 раза меньше, чем у базового объекта. Термкриостат обеспечивает сквозное программное изменение температуры как в сторону уменьшения, так и в сторону повышения и, что особенно важно при исследовании температурных зависимостей диэлектрических характеристик материалов, безударный переход через диапазон температур, близких к окружающей ft от окружающей .

1. ТЕРМОКРИОСТАТ, содержащий теплоизоляционный корпус с расположенной в нем с зазором рабочей камерой, на которой размещены оснойной нагреватель и кольцевой распылитель хладагента, связанный с устройства для хранения и подачи хладагента, и пропорционально- . позиционный регулятор температуры, состоящий из последовательно соединенных программного задатчика температуры, цифро-аналогового преобразователя и схемы сравнения, ко второму входу которой подключен датчик температур), выход сравнения через первый и второй формирователи управляющего сигнала подключен соответственно ко входам первого и второго усилителя мощности, выход первого из которых связан со входом устройства для хранения и выдачи хладагента, а выход второго свяВСЕСОЮЗМЯ Ц ЦДТЕНПШ-. , |Э .„. .,.,,; I И зан с основным нагревателем, ,о тличающийся тем, что, с целью уменьшения градиента температуры в камере и повышения точности термокриостата, он снабжен отражателем, выполненным из теплопроводного материала в виде усеченного конуса, закрепленного меньшим основанием на теплоизолированном корпусе, дополнительным нагревателем, третьим формирователем управляющего сигнала, задатчиком коэффициентов преобразования и третьим усилителем мощности, связанным с дополнительным нагревателем, дешифратором и инвертором, выход которого подключен к управляющему входу первого форкадрователя управг W ляющего сигнала, вход инвертора подключен к управляющему входу второс го формирователя управляющего сигнала и выходу дешифратора, вход которого связан с информационным входом третьего формирователя управляющего сигнала, с входом цифро-аналогового преобразователя н с выходом программного задатчика температутмл. 2. Термокриостат по п. }., ота личающийся тем, что третий 1 формирователь управляющего сигнала : , содержит последовательно соединен- f 4 .ые коммутатор, цифро-аналоговый пре СО образователь и формирователь импульсов управления./