Термоэлектрический термостат Советский патент 1984 года по МПК G05D23/19 G05D23/30 

Изобретение относится к регулиро ванию и поддержанию температуры в теплофизических устройствах, основанных на эффекте Пельтье и предназначенных для стабилизации температуры различных объектов, в частности кварцевых резонаторов. Известно устройство для термоста тирования в радиоэлектронной технике, где в качестве основного исполнительного органа широко используютс термоэлектрические батареи (ТЭБ), а в качестве дополнительного - компенсационная ТЭБ f1. Недостатком данного устройства является низкая точность термостати рования ввиду отсутствия обратной связи дополнительной ТЭБ с основной и невозможности перераспределения т ков между основной и дополнительной ТЭБ для компенсации ошибки термостатирования. Наиболее близким к изобретению по технической сущности И достигаемому результату является термоэлект рический термостат, содержащий каме ру термостата, снабженную внешней термоизоляцией, датчик температуры, расположенный на внешней поверхност камеры и соединенный с системой рег лирования, основную ТЭБ, расположен ную на внешней поверхности камеры, дополнительную ТЭБ, теплопоглощающи спаи которой.расположены на датчике температуры, и радиатор основной ТЭБ. Кроме того, в состав известного термоэлектрического термостата входит радиатор дополнительной (компен сационной) батареи и блок коррекции содержащий линейные масштабные элементы, масштабные квадраторы, сумма торы, источник опорного напряжения и нуль-орган, причем входы первого линейного масштабного элемента и пе вого масштабного квадратора соедине ны с первым входом блока коррекции а выходы - с выходами первого сумматора, соединенного с источником опорного напряжения Г2. Недостатками известного устройст ва являются низкая точность термостатирования и сложная система регулирования. Низкая точность термостатирования (порядка +0,5 К) обусловлена следующим. Так как ток в дополнительной ТЭБ выбирается из условия компенсации ошибки термостатирова812ния, то при работе основной ТЭБ в режиме нагрева при больших перепадах температур между температурой окружающей среды и температурой статирования, малый ток в дополнительной ТЭБ не может обеспечить необходимых больших перепадов температур в этой термобатарее. Из-за этого возникают значительные некоМпенсирующиеся потоки тепла через дополнительную ТЭБ непосредственно на датчик температуры, что существенно ухудшает точность термостатирования. Кроме того, использование блока . коррекции с линейньми масштабными элементами, масштабными квадраторами и сумматорами не обеспечивает высокую точность термостатирования ввиду зависимости номинала настроечньк параметров от температуры окружающей среды. При эксплуатации термостата реализация варьирования настроечных параметров в зависимости от температуры окружающей среды не предусмотрена в схемах решения блока коррекции, в связи с чем возникающая в этом термостате ошибка термостатирования не может быть уменьшена. Низкая точность термостатирования обусловлена значительной тепловой связью дополнительной (компенсационной) ТЭБ с окружающей средой ввиду непосредственного теплосъема с тепловьщеляющих спаев компенсационной ТЭБ радиатором этой термобатареи. Возникающая значительная тепловая связь компенсационной ТЭБ с окружающей средой приводит к дополнительным тепловым натеканиям на датчик температуры, что еще в большей степени ухудшает точность термостатирования. Целью изобретения является повышение точности термостатирования при одновременном упрощении схемы регулирования температуры. Поставленная цель достигается тем, что в термоэлектрический термостат введены тепловой шунт, соединяющий тепловыделяющие спаи дополнительной термобатареи и теплопоглощающие спаи основной термобатареи, а также нагреватель, диоды и потенциометры, причем основная термобатарея электрически подключена параллельно двумя цепям, образованным последовательно соеди- . ненными соответственно первым диодом, первым потенциометром и дополнительной, термобатареей, и вторым диодом, включенным встречно первому, вторым по31

тенциометром и нагревателем, размещенным на датчике температуры.

Введение нагревателя обеспечивает возможность дополнительного выделения тепла на датчике температуры, необходимое для компенсирования тепловых натеканий через дополнительную ТЭБ при работе ее в режиме нагрева при больших перепадах температур между температурой статирования и температурой окружающей среды. Необходимость дополнительного выделения, тепла на датчике температуры обусловлена тем, что ток в компенсационной ТЭБ выбирается из условия уменьшения ошибки термостатирования и обычно малый ток по величине не может обеспечить большой перепад температуры на термобатарее. В этом случае на датчик температуры поступает некомпенсирующийся тепловой поток из окружающей среды, что существенно понижает точность термостатирования. Введение компенсационного нагревателя, расположенного на датчике температуры, позволяет создать тепловой поток при работе основной ТЭБ в режиме нагрева, компенсирующий вредные тепловые натекания через компенсационную ТЭБ на датчик температуры.

Полученные на основе рассмотрения обобщенной модели термоэлектрического термостата теоретические кривые зависимости ошибки термостатирования от температуры окружающей среды для известного термостата (фиг. 3, кривая 1) и предлагаемого показывают, что введение нагревателя уменьшает ошибку термостатирования (фиг. 3, кривая 2) больше, чем в два раза (от 0,6 К для известного до 0,25 К для предлагаемого).

Введение потенциометров делает возможным выбор компенсационного сопротивления при настройке каждого термостата. Если в известном термостате настроечные параметры зависят от температуры окружающей среды и эта зависимость для каждого термостата имеет свой вид, то в предлагаемом выбранные при помощи потенциометров компенсационные сопротивления постоянны во всем диапазоне изменения температур окружающей среды. При этом компенсационное сопротивление, выбранное при помощи первого потенциометра, определяется из условия, что температура объекта при мини04й814

мальной температуре окружающей среды рассматриваемого диапазона температур окружающей среды должна быть равна температуре статирования. Компенса5 ционное сопротивление, выбранное вторым потенциометром,, определяется из условия, что температура объекта термостатирования при минимальной температуре окружающей среды 0 рассматриваемого диапазона температур окружающей среды должна быть равна температуре статирования.

Кривая зависимости ошибки термостатирования от температуры окружаю5 щей среды при введении потенциометров и при .выборе компенсационных сопротивлений указанным способом уменьшает ошибку термостатирования в об- ласти нагрева основной ТЭБ от 0,25 К 0 до 015 К и в области охлаждения основной ТЭБ от 0,4 К до 0,2 К (фиг.З, .кривая 3).

Значительная тепловая связь между тепловьщеляющими .спаями компен5 сационной ТЭБ, ее радиатором и окружающей средой также обуславливает низкую точность термостатирования из-за больших тепловых натеканий на датчик температуры. Эта тепловая 0 связь в предлагаемом термостате

. уменьшается за счет применения теплового шунта, соединяющего тепловыделяющие спаи компенсационной ТЭБ не с . радиатором, как в известном термоста. те, ас теплопоглощающими спаями

основной ТЭБ. .При этом компенсационная батарея не имеет тепловой связи с окружающей средой, что значительно уменьшает тепловые натекания из окру0 жающей среды на датчик температуры и повьш1ает точность термостатирования до ,1 К во всем рассматриваемом диапазоне изменения температур ок- ружающей среды (фиг. 3, кривая 4). 5 Наличие диодов, включенных с

противоположной полярностью, функционально 1 обеспечивает прохождение тока либо через компенсационную ТЭБ, либо через нагреватель в зависимости CQ ОТ режима работы компенсационного блока. Таким образом, введение нагревателя, диодов, потенциометров и теплового шунта повьш1ает точность термостатирования от +0,5 К до „ ±0.1 К.

отЧО,5 К до ,1 К.

На фиг. 1 приведен предлагаемый термоэлектрический термостат; на фиг. 2 - схема подключения элеменJтов; на фиг. 3 - теоретические кривые зависимости ошибки термостатирования от температуры окружающей среды для известного термостата. Термоэлектрический термостат содержит объект 1 термостатирования, камеру 2 термостата, основную ТЭБ 3 дополнительную (компенсационную) ТЭБ 4, нагреватель 5, датчик 6 температуры, радиатор 7 основной тер)мобатареи,| тепловой шунт 8, внешнюю тепловую изоляцию 9 термостата, подложку 10 крепления объекта термостатирования, электрические выводы 11 датчика температуры и объекта термостатирования. Кроме того, термостат содержит первый и второй диоды 12, и 12. и потенциометры 13 и 13,. Термоэлектрический термостат работает следующим образом. При температуре окружающей среды вьше температуры статирования основная ТЭБ 3 работает в режиме охлазвдения. При этом возможен отрицательный увод температуры, когда с ростом тем пературы окружающей среды темпера-. тура объекта уменьшается, и положительный, когда с ростом температуры окружающей среды температура объекта 1Увеличивается. В случае отрицательного увода тем пературы первый диод 12 , Соединен ный последовательно с дополнительной ТЭБ 4, подключен к ней в режиме Открыто, а второй диод 122, соединенный последовательно с нагревателем 5, включен к нагревателю в режиме Закрыто. Если термостат обладает положительным уводом, то первый диод 12 подключен последовательно к дополнительной ТЭБ в режиме Закрыто, а второй диод 12-- к нагревателю в режиме Открыто. 16 Предлагаемая схема подключения обеспечивает работу компенсационного блока в зависимости от знака увода температуры объекта либо в режиме охлаждения (ток течет через дополнительную ТЭБ 4), либо в режиме нагрева (ток течет через нагреватель). При температуре окружающей среды ниже температуры статирования основная ТЭБ 3 работает в режиме нагрева. При этом выделения тепла на дополнительной ТЭБ 4 и нагревателе аналогичны предьдущему случаю. Выбор компенсационных сопротивленки, постоянных во всем диапазоне изменения температур окружающей среды, осуществляется при настройке термостата посредством выбора номинала сопротивления соответствующего потенциометра 13. Выбор величины компенсационного сопротивления, подключенного последовательно с дополнительной ТЭБ, осуществляется первым потенциометром 13, подключенные последовательно с дополнительной ТЭБ, а выбор величины компенсационного сопротивления, подключенного последовательно с нагревателем, осуществляется вторым потенциометром 13, подключенньм последовательно с нагревателем. Предлагаемое изобретение позволит повысить точность термостатирования от 0,5 К до +0, К при одновременном упрощении схемы регулирования, что понижает энергопотребность- от 9,5 до 8,2 Вт, массу термостатирующего устройства от 5,1 до 3,2 кг и объем от 1300 до 1050 см. Создание и использование предлагаемого термостата является актуальной проблемой при разработке ряда малогабаритных прецизионных термоэлектрических термостатов, используемых в радиоэлектронной, вычислительной и других областях техники.

-г

Ю

Xi

Фиг.1

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕРМОСТАТ, содержащий камеру, снабженную внешней теплоизоляцией, датчик температуры, расположенный на внешней поверхности камеры и соединенный с системой регулирования, основную термобатарею, расположенную на торце внешней поверхности камеры, дополнительную термобатарею, теплопо- глощающие спаи которой расположены на датчике температуры, и радиатор основной термобатареи, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности термостатирования при одновременном упрощении схемы регулирования, в него введены тепловой шунт, соединяющий тепловыделяющие спаи дополнительной термобатареей и теплопоглощаю11 йе спаи основной термобатареи, а также нагреваi тель, диоды и потенциометры, причем основная термобатарея электрически подключена параллельно двум цепям, образованным последовательно соединенными соответственно первым диодом, первьм потенциометром и дополнительной термобатареей, и вторьм диодом, включенные встречно первому, вторьм потенциометром и нагревателем, размещенньм на датчике температуры. 4 4 00

ATof U5

ач as a/ ar

f2J

J WltJ

3 ---X,

Z93 303 313 КЗ

т

Фиг.з