Устройство для регулирования температуры Советский патент 1985 года по МПК G05D23/19 

1

Изобретение относится к автоматическому регулированию температуры и может быть использовано для поддержания стабильной температуры объектов,работающих в условиях значительных перепадов величины теплово мощности, отдаваемой в окружающую среду, например, в потоках жидкостей или газов, изменяющих в широких пределах свои физические и динамические параметры.

Цель изобретения - повьш1ение точности поддержания температуры нагреваемого объекта в условиях изменения в широких пределах теплофизических параметров окружающей среды.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства для р гулирования температуры; на фиг. 2 вариант конструктивного исполнения узла нагревательный элемент - нагреваемый объект.

Устройство для регулирования темп ратуры содержит образцовый резистор 1, один из выводов которого подключен к нулевой шине, а противоположный - к одному из вьшодов терморезистора 2,. подсоединенного противоположным: выводом через фильтр 3 нижних частот к выходу ключевого элемента 4-, связанного управляющим входом с выходом компаратора 5. Устройство содержит также первый дифференциальный усилитель 6 и источник 7 питания, неинвертирующий вход первого дифференциального усилителя 6 подклю,чен к точке соединения образцового резистора 1 и терморезистора 2, инвертирующий вход - к противоположному выводу терморезистора 2, а выход - к одному из входов компаратора 5, связанного другим входом с выходом второго дифференциального усилителя 8, подключенного инвертирующим входом к точке соединения образцового резистора 1 и терморезистора 2.

В состав устройства входят перемножитель 9, квадратор 10 и делитель напряжения на первом 11 и втором 12 резисторах. Один из выводов резистивного делителя напряжения на резисторах 11 иЧ2 подключен к нулевой шине, противоположной вывод к выходу перемножителя 9, а средняя точка - к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 8, инвертирующий вход которого подключен к входу квадратора 10, связанного

68271

выходом с первым входом перемножителя 9, второй вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя 8. Терморезистор 2 размещен;

5 в непосредственной близости от нагреваемого объекта 13 и может быть удален от электрической схемы устройства на значительное расстояние, соединяясь со схемой при помощи четырех0 проводной линии шинами 14 - 17. Параллельно ключевому элементу 4 включен балластный резистор 18.

Практический вариант конструктивно го исполнения узла нагревательный

5 .элемент 2 - нагреваемый объект 13 (фиг. 2) может быть представлен в в виде плоского терморезистора 2, отделенного от внешней среды электроизоляционными пластинами 19,

0 на внешней поверхности одной из

которых размещен термостатируемый -объект 13 (например, чувствительный элемент химического датчика.

Устройство для регулирования температуры нагреваемого объекта работает следующим образом.

1 . .

В начальный момент, после подачи

питающего напряжения на устройствЬ, температура нагреваемого объекта 13

0 и терморезистора 2 находится на уровне ниже требуемого. При этом, независимо от сигнала с выхода компаратора 5, балластньй резистор 18 обеспечивает протекание через термо5 резистор 2 минимального тока, величина которого не достаточна для заметного разогрева терморезистора 2, однако позволяет по величине падения напряжения на терморезисторе 2

и образцовом .резисторе 1 оценить величину сопротивления терморезистора 2 и, следовательно,его темпе. ратуру. Терморезистор 2 включен, по четырехпроводной схеме таким образом

что величина падения напряжения на нем передается на вход дифференциального усилителя 6 через щины 15 и 16 практически без ошибок, так как при этом по шинам 15 и 16 текут

0 ничтожно малые токи, обусловленные высоким входным сопротивлением дифференциального усилителя 6. На выходе дифференциального усилителя 6 присутствует однополярное напряжение, пропорциональное падению напряжения на терморезисторе 2. Допустимая рассеиваемая мощность и температурный коэффициент образцового ре3зистора 1 выбраны таким образом, что его сопротивление практически не зависит от величины протекающего через него тока. При этом на вход дифференциального усилителя 8 поступает напряжение, пропорциональное величине тока через терморезистор 2. В общем, случае величина напряжения на выходе дифференциального усилителя 8 является некоторой нелинейной функцией от-величины входного напряжения. Вид передаточной функции, реализуемой на выходе дифференциального усилителя В, опре деляется конкретньми значениями коэффициентов теплопроводности конструктивных элементов термостатируе мого объекта 13, а также видом зави симости сопротивления терморезистора 2 от температуры. | Поскольку в начальный момент тем пература объекта 13 и терморезистора 2 находится ниже требуемого уровня, то сопротивление терморезистора 2 отличается от той величины, которая должна установиться при требуемой температуре. При этом соотношение величин падений напряже ния на терморезисторе 2 и образцово резисторе 1 устанавливается таким образом, что напряжение на выходах дифференциальных усилителей 6 и 8переключает компаратор 5 в состояние, при котором сигнал с его выхрдавключает ключевой- элемент 4. В этом случае по цепи от источника 7 питания через ключевой элемент 4, фильтр 3 нижних частот, шину 14, .те морезистор 2, шину 17 и образцовый, рез-истор 1. начинает протекать ток, величина которого нарастает во времени с некоторой скоростью, определяемой параметрами фильтра 3 нижних частот. Постоянная времени фильтра 3 нижних частот выбирается большей, чем постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность термо резистора 2, вследствие чего каждому значению тока, протекающего чере терморезистор 2, соответствует прак тически установившееся значение teM пературы терморезистрра 2 и нагрева емого объекта 13. Таким образом, с увеличением ток начинает возрастать температура тер морезистора 2 и объекта 13. При опр деленном установленном значении пос тоянной времени фильтра 3 нижних 274 частот зависимость температуры терморезистора 2 от величины тока определяется только величиной тепловой мощности, отдаваемой в окружающую среду, так как в тепловом балансе терморезистора (2 доля тепловой энергии, необходимой для поэьш1ения температуры и обусловленной теплоем- костью терморезистора 2,.мала по сравнению с энергией, отдаваемой в окружающую среду. При увеличении температуры меняется сопротивление терморезистора 2, что приводит к изменению состояния величин напряжеНИИ, поступающих на входы дифференциальных усилителей 6 и 8. Соответственно изменяется соотношение напряжений на входах компаратора 5. При некотором значении сопротивления терморезистора 2 и его температуры соотношение величин падений напряжения на терморезисторе 2 -и об-; разцовом резисторе 1 достигает тако го значения,что напряжения на входах компаратора 5 становятся равными. При этом сигнал на выходе компаратора 5 изменяет свое значение на противоположное, что приводит к запиранию ключевого элемента 4. Ток, протекающий через терморезистор 2, начинает уменьшаться. Начинает уменьшаться также тепловая мощность, подводимая к терморезистору 2, его температура, а также сопротивление. Это приводит к изменению соотношения величин падений напряжения на терморезисторе 2 и образцовом резисторе 1 до значения, при котором компаратор 5 переключается в предшествующее состояние и сигнал с его выхода снова включает ключевой элемент ,4. Далее процесс циклически повторяется. Если параметры окружающей среды остаются неизменными, то температура терморезистора 2 автоматичестси поддерживается на определенном уровне.- При этом температура термостатируницего объекта 13 также остается стабильной. Положим, что в начальный момент времени величина теплового сопротивления от .терморезистора 2 и объекта 13 до окружакнцей среды велика. При этом тепловая мощность, отводимая от терморезистора 2, мала и, следовательно, мал тепловой поток от терморезистора 2 к нагреваемому объекту 13. В связи с этим мал перепад $ 1

температур мзжду терморезистором 2 и объектом 13, вследствие чего с достаточной точностью .можно принять, что температура объекта равна температуре нагревателя. Если в силу каких-либо причин теплоотдача от терморезистора 2 и объекта 13 в окружающую среду увеличится, например за счет уменьшения температуры окружающей среды или за счет увеличения ее теплопроводности, то это приводит к снижению температуры терморезистора 2 и к изменению его сопротивления . Изменение српротивления терморезистора 2 вызывает изменение соотношения величин напряжений подаваемых на входы дифференциальных усилителей 6 и 8, 4TQ, в свою очередь, вызывает разбаланс напряжений на входах компаратора. 5. Сигнал на выходе компаратора 5 изменяется таКИМ образом, что среднее зн-ачение тока, протекающего через ключевой элемент 4 и далее пр цепи через терморезистор 2, увеличивается по отношению к первоначальному значению, что вызывает увеличение тепловой мощности, вьщеляющейся в терморезисторе 2, и повышение его температуры..

Однако состояние равновесия,установившееся в рёаультате описанного

процесса, не будет характеризоваться прежним значением температуры терморезистора 2, так как величина падения напряжения на образцовом резисторе 1, пропорциональна току через терморезистор 2, передается на вход компаратора 5, претерпев нелинейные преобразования. В связи С этим стабилизирующее значение температуры терморезистора 2 увеличивается при увеличении тока через терморезистор и, следовательно, при увеличении выделяющейся на нем мощно,сти. Как отмечалось, при увеличении теплоотдачи в окружающую среу температура объекта 13 уменьшается относительно температуры нагревателя. Поскольку тепловая мощность, ыделяемая на терйорезисторе 2, практически полностью передается в окруающую среду, то существует опрееленная функция преобразования, реаизация которой с помощью элементов 8-12 позволяет увеличить температуу терморезистора 2 с увеличением одводимой к нему мощности таким обазом, что рост температуры термо96827 . 6

резистора компенсирует увеличение

разницы температур между терморезистором и объектом, вследствие чего температура объекта 13 остается неизменной. .

Работа устройствана конкретном примере (фиг. 2).

Тепловая мощность, выделяющаяся в терморезисторе 2, отводится, как

10 показано стрелками на фиг. 2, через две обкладки из конструкционного электроизолирующего материала 19 в окружающую среду. Для упрощения примем, что тепловые мощности, отво 5 димые от обеих поверхностей нагреваемого объекта 13, равны. (Это условие не является обязательным). Примем также справедливое для подавляющего большинства материалов условие постоянства теплового сопротивления : в ограниченном диапазоне температур. .При этих условиях разница температур между терморезистором 2 и термостатируемым объектом 13 выражается зависимостью

(1)

4t П П V;

где Р - тепловая мощность, передаваемая от терморезистора к

объекту;

о, - тепловое сопротивление от терморезистора до объекта. В свою очередь

РГ i

(2)

1

где Р R - электрическая мощность, подводимая к терморезистору.. В случае необходимости стабильного поддержания температуры термостатируемого объекта предпринимаются специальные меры по уменьшению теплового сопротивления объект - нагреватель, в связи с чем относительное изменение температуры нагревателя, необходимое для поддержания стабильной температуры объекта, оказывается, как правило, сравнительно малым. В связи с этим для большинства неполупроводниковых терморезисторов в ограниченном интервале температур можно принять температурную зависимость сопротивления как линейRi Ro--eit ,

(3)

ную

где RO исходное значение сопротивления терморезистора при .О.С; 71196827 oi - температурный коэффициент сопротивления.но Функциональный преобразователь, выполненный на элементах 8-12,реализует передаточную функцию, необходимую для поддержания стабильной темпе ил ратуры объекта 13. При условиях, что тепловое сопротивление между терморезистором 2 и объектом 13 является постоянным и что температурная зависимость сопротивления терморезистора 2 линейна в ограниченном интервале температур, функциональный преобразо ватель работает следующим образом. Входным сигналом функционального пре образователяявля,ется напряжение, величина которого определяется фор- . и мулой . . .

(4)

U,,

где I - ток, протекающий через о6разцовый резистор 1; R. - величина сопротивления

образцового резистора 1. Напряжение Ug подается на инвертирующий вход диффе ренциального усилителя 8 и на вход квадратора 10. Напряжение, равное квадрату напряжения, с выхода квадратора 10 поступает на один из входов перемножителя 9, на второй вход которого подается напряжение с вьпсода дифференциального усилителя 8. 1 . .

Таким образом, напряжение на выходе пёремножителя 9 определяется как

(5)

и

и

бх

в MX

или

(l,R,)r

(6)

и

6ИХ1 где - напряжение на вькоде фун - ционального преобразова. теля. . . Напряжение с выхода перемножителя 9 через -делитель, образованный резисторами 11 и 12, подается с коэффициентом передачи К на неинвертирукяций вход дифференциального усилителя. 8, имеющего коэффициент передачи Kj. Напряжение на выходе дифференциального усилителя 8 и всего функционального преобразователя может быть выражено формулой. Ue L-UBX+ UBx(IiR-,)KjK,. (7 R чт ст

где tjj - температура стабилизации чувствительного элемента.

Например, при выборе, определеного значения R величины К и К находятся решением системы уравнений (10) и (11). .

С учетом равенств (10) и .(11) выражение (9) может быть преобразовано следующим образом:

Ra+ а tc

(12)

и, 1-0,5p4oiP

8 MX

На входах компаратора 5 величины напряжений поддерживаются .практически равными за счет обратных связей. Отсюда следует, что напряжение на выходе дифференциального усилителя 6 также определяется выражением (12). Поскольку дифференциальный усилитель 6 имеет линейную передаточную характеристику, то при коэффициенте передачи дифференциального усилителя 6 К -1, напряжение на терморезисторе 2 также будет определяться выражением (12). В этом случае выражение 8 выражение (7), можбразовавчить -.13 1-(,)21ЦК2 14iVR,y альном устройстве значения Kj выбраны таким образом, спечивается выполнение равенR,K 1,Ц 0,, определяет зависимость 1-0,5j +oiI2 солротивления терморезистора 2 от тока, которая выполняется для функционального преобразователя предлагаемого устройства. Отсюда следует,что i 1-0, Преобразовав выражение (13), R - ГР . 4 tc--0,5pt PRo . ,v . (RO- ft oiP получим зависимость, аналогичную зависимости сопротивления от темпера.. . 9 туры для терморезистора с линейной характеристикой. tc + 0,5 12RO Выражение . деляет температуру терморезистора, которая является функци:ей тока I: t .tc + 0,5 РуР Ro,5 R . 1-0,5 где t - температура.терморезис-, Путем математических преобразова ний выражение (15) можно привести к виду tp tc 0.5j l4Ro + tp),(l где I(RQ+odtp) - тепловая мощность вьвделяющаяся на терморезисторе при прохождении через него тока I. Отсюда следует, что Из изложенного следует, что темп ратура терморезистора не является постоянной и зависит от величины рассеиваемой им мощности по закону, описанному выражением (17), тогда .как температура термостатируемого объекта является стабильной, поскол ку она меньше, чем температура .f морезистора на величину, равную PJ, Pi . При этом .температура объекта не зависит от условий теплообмена с окружающей средой. Следовательно, предлагаемое устройство обеспечивает точность поддержания температуры нагреваемого объекта в условиях изменения в широких пределах теплофизических параметров окружающей среды. Технические преимущества предлагаемого устройства заключаются в том, что в нем учитывается зависимость разницы температур нагревателя и термостатируемого объекта от условий теплоотдачи. Эти преимущества позволяют успешно использовать предлагаемое устройство для поддержания стабильной температуры объектов, работакщих в потоках жидкостей или газов, изменяющих в широких пределах свои физические и динамические параметры, что обеспечивает повьш1ение точности измерений физических и химических параметров, позволяет создавать миниатюрные, дешевые, высокочувствительные датчики параметров контролируемых сред, автоматизировать контроль технологических проueccoBj что способствует повьш1ению эффективности производства.

- Illlil

11 I t I I .

19

fif6

17

Фиг.г

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее образцовый резистор, подключенный первым выводом к нулевой шине, а вторым - к первому вьшоду терморезистора, второй вьшод которого через фильтр нижних частот подсоединен к выходу ключево-. го элемента, связанного управлякицим входом с выходом компаратора, а входом - с источником питания, р т л и чающееся тем, что, с целью повышения точности поддержания температуры нагреваемого объекта в условиях изменения в гаироких пределах теплофизических параметров окружающей сре/д 1, в него введены первый и второй дифференциальный усилители, перемножитель, первый и второй резисторы . и квадратор, вход которого подключен к точке подсоединения- образцового резистора и терморезистора к инвертирующему входу второго дифференциального усилителя, а выход квгщратора к первому входу перемножителя, связанного вторым входом с выходом второго дифференциального усилителя и с первым входом компаратора, соединенного вторым входом с выходом первого дифференциапьнога усилителя, подключенного неинвертирующим входом к точке соединения образцового резистора (п и терморезистора, а инвертирующим входом - к второму выходу терморёзистора, причем неинвертирующий вход второго дифференциального усилителя через первый резистор связан с выходом перемножителя, а через второй резистор - с шиной нулевого потенциала.