Устройство для регулирования температуры в криостате Советский патент 1989 года по МПК G05D23/19 

.i

. 1508

Изобретение относится к системам управления или регулирования неэлектрических величин и может быть применено для термостатирования объекта при криогенных температурах.

Цель изобретения - повышение эффективности регулирования криогенных температур за счет уменьшения количества тепла, вносимого в объем крио- стата, и снижения за счет это го расхода хладагента, а также затрат на обслуживание криостата.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства дпя регули- рования температуры в криостате; на фиг. 2 - эквивалентная по переменному току схема генераторной части устройства; на фиг. 3- границы области устойчивости, частотные характеристики и диаграммы работы устройства.

Устройство для регулирования температуры в криостате (фиг. 1) содержит двухполюсник 1 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (на- пример, туннельный диод), параллельно которому подключен колебательный контур, состоящий из индуктивной ветви с катушкой 2 и емкостной ветви, содержащей последовательно включенные терморезистор 3, конденсатор 4 и дополнительный резистор 5. Кроме того, параллельно двухполюснику 1 включены вход широкополосного усилителя 6 и цепь 7, состоящая из последовательно соединенных блокировочного конденсатора 8 и регулируемого резистивного элемента 9, в качестве которого может быть использован полевой транзистор 10, в цепи стока которого включен подстроечный резистор 11. Выход широкополосного усилителя 6 нагружен на входы детектора 12, собранного, например , по диодной схеме, и частотных реле 13 и 14 соответственно высоких и низких частот. Выход детектора 12 подключен к управляющему входу регулируемого резистивного элемента 9, а выходы частотных реле нагружены на соответствую1. входы триггера 15, выход которого подключен к обмотке электромагнитного реле 16, замыкающие контакты 17 которого осуществляют включение исполнительного механизма 18, а размыкающие контакты 19 включе

ны параллельно дополнительному резистору 5. Первый электрод терморезистора 3 соединен с внутренней стенкой 20 криостата и через нее с общей ииной

устройства, а второй электрод терморезистора соединен с одной обкладкой конденсатора 4, выполненного из диэлектрика с низкой теплопроводностью и запрессованного в наружную стенку 21 криостата так, что его другая обкладка выходит наружу криостата.

Двухполюсник 1 с отрицательным дифференциальным сопротивлением,блокировочный конденсатор 8 и регулируе- 1Ф1Й резистивный элемент 9, а также параллельный колебательный контур, состоящий из катушки 2, конденсатора 4, терморезистора 3 и дополнительного резистора 5, образуют автогенераторную систему с потерями в ко нту- ре, эквивалентная схема которой приведена на фиг. 2.

На этой схеме обозначены сопротивление терморезистора 3 .и дополнительного резистора 5 BC, сопротивление резистивного регулируемого элемента 9 R , емкость блокировочного конденсатора 8 Cg-, двухполюсник 1 с отрицательным сопротивлением 1 представлен, как это принято, рез-исто ром с сопротивлением -Rj, и параллельно включенной емко стью GI.

Анализ условий возбуждения такой схемы показывает, что граница области ее устойчивости может быть приближенно описана выражениями

г

Гс

т + CN - Гс Р

Р) (2)

Р - Гс

R

где г -Гр-Т-; I KN

RC

с: -MoJS-iM -г «-

|Кн1

- -г--г -- безразмерные пара0 Кц

метры, введение которых упрощает анализ работы схемы; - модуль отрицательного. сопротивления двухполюсника 1 в рабочей точке.

Графическое изображение границы в области параметров для случая с J, : р 1 + Cf, приведено на фиг. За и представляет собой две гиперболы с , ассимптотами г. « р и г 1 + Су. Штриховкой на графике показана область отсутствия колебаний, слева и

справа от нее расположены области генерации. Частота колебаний вблизи границ описывается соответственно вы-, ражениями

где

Графическая зависимость частоты в полулогарифмическом масштабе от параметра г соответственно для правой и левой ветвей гипербол, изображенных на фиг. За, показана на фиг. 36.

Устройство работает следующим образом.

Режим авто генераторной схемы выбирают таким, чтобы при сопротивлении терморезистора, соответствующем допустимой температуры, изображающая точка А схемы находилась в области отсутствия колебаний Гфиг. За). При этом колебания на выходе автогенераторной схемы отсутствуют, напряжение с выхода детектора 12 на регулируемый резистивный элемент 9 не подаетс и его сопротивление, определяемое только сопротивлением подстроечного резистора 11 (так как транзистор 10 открыт), равно г (фиг. За) и задает положение изображающей точки А по вертикали. Триггер 15 при этом находится в низком состоянии, электромагнитное реле 16 не срабатывает, контакты 17 разомкнуты, контакты 19 замкнуты, исполнительное устройство 18 включено, а дополнительный резистор 5, включенный в емкостную ветвь контура, закорочен.

При повышении температуры внутри криостата сопротивление терморезистора снижается (для термометров КГГ,КА 1чГ и ряда других) , изображающая точ- ка А при этом движется в направлении левой границы устойчивости и при некотором, заранее установленном значении температуры, выходит в область возбуждения (точка А, .на фиг. За). Н выходе автогенераторной схемы появляются колебания низкой частоты (фиг. 36) малой амплитуды, которые усиливаются широкополосным усилителем 6, выпрямляются детектором 12, и полученное напряжение прикладывается

0

5

0

0

5

к управляющему входу регулируемого резистивного элемента 9 (затвору транзистора 10), закрывая транзистор. При этом сопротивление сток - исток транзистора увеличивается и изображающая точка А, смещается по вертикали в положение А, удаляясь в результате этого от границы устойчивости. Это приводит к нарастанию ам плитуды колебаний на выходе автоге- . нераторной схемы и дальнейшему увеличению сопротивления R в результате запирания транзистора 10. Процесс продолжается до тех пор, пока амплитуда низкочастотных колебаний не окажется достаточной для срабатывания частотного реле 14 низкой частоты. При этом триггер 5 переключается в верхнее устойчивое состояние, срабатывает реле 16, замыкаются контакты 17 и размыкаются контакты 19. Включается исполнительное устройство, отсасывающее пары хладагента из криостата, и одновременно изображающая точка А скачком смещается в область отсутствия колебаний Aj благодаря увеличению сопротивления Р емкостной цепи контура на величину сопротивления 5. При этом колебания на выходе автогенераторной схемы срывают- ся, напряжение на выходе детектора 12 пропадает и сопротивление регулируемого резистивного элемента 9 пада-i ет до величины, определяемой под- строечным резистором 11. Изображающая точка А 5 скачком смещается вертикально вниз в положение А, оставаясь при этом в области устойчивости.

Отсос паров хладагента сопровождается понижением температуры в криос- тате, ростом сопротивления терморезистора 3 и перемещением изображаю- .щей точки параллельно оси г, в направлении правой границы. При выходе изображающей точки за правую границу области устойчивости (точка А) на выходе автогенераторной схемы появляются высокочастотные колебания с малой амплитудой, частота которых определяется по формуле (3). Напряжение этих колебаний, будучи усилено и выпрямлено, приводит к закрыванию транзистора 10 и уходу изобрал ающей точки вертикально вверх в положение Ag и, как следствие, к удалению ее от границы области устойчивости. В результате амплитуда колебанш на выходе автоге5

0

нераторной нарастает до величиг ны, достаточной для срабатывания частотного реле 13 высокой частоты, триггер 15 опрокидывается и отпускает электромагнитное реле 16. При этом размыкаются контакты 17 и замыкаются контакты 19. Исполнительное устройство 18 выключается, а изображающая точка скачком перемещается в положе- 1Ше AJ в связи.с уменьшением сопротивления RJ, емкостной цепи контура на величину сопротивления 5. Колебания на выходе автогенераторной схемы срываются, транзистор открывается и изображающая точка скачком перемещается в положение Ag, устройство возвращается в исходное состояние.

Колебания в цепи терморезистора существуют лишь до момента включения или отключения исполнительного устройства, что существенно сокращает вьщеление мощности на терморезисторе Наличие положительной обратной связи через детектор в момент возникновения колебаний на выходе автогенераторной схемы способствует повьшению чувствительности частотных реле, что повышает скорость их срабатывания. Благодаря тому, что конденсатор кон- тура образует тепловой разрыв цепи о терморезистора к автогенераторной сйеме и обладает малой теплопроводностью, существенно сокращается приток тепла по соединительным проводам криостата. Все это обеспечивает снижение расхода хладагента и затрат на обслуживание объекта.

Формула изобретения

Устройство дпя регулирования тем™ пературы в криостате, :одержащее терморезистор, подключенный к одной об

5

0 0

0

5

кладке конденсатора параллельного колебательного контура, включенного параллельно двухполюснику с отрицательным дифференциальным сопротивлением и нагруженного на широкополосный усилитель и исполнительный механизм, о тлнч ающ ее ся тем, что, с целью повьш1ения его эффективности за счет снижения количества тепла, вносимого в криостат, оно снабжено частотными реле высоких и низких частот, триггером, электромагнитным реле с замыкающими и размыкающими контактами, детектором, регулируемым резис- тивным элементом, блокировочным конденсатором, а в колебательный контур введен дополнительный резистор, причем входы частотных реле высоких и низких частот и детектора подключены к выходу широкополосного усилителя, выходы частотньк реле соединены с со- ответствующими входами триггера, соединенного с электромагнитным реле, замыкающие контакты которого расположены в цепи исполнительного устройства, размыкающие контакты включены параллельно дополнительному резистору колебательного контура, выход детектора соединен с управляющим входом регулируемого резистивного элемента, подключенного через блокировочный конденсатор параллельно двухполюснику с отрицательным дифференциальным сопротивлением, а конденсатор колебательного контура выполнен из диэлектрика с низкой теплопроводностью и герметично вмонтирован в отверстие в наружной стенке криостата, при этом вторая его обкладка через дополни- тельньш резистор соединена с двухполюсником с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Изобретение относится к системам регулирования неэлектрических величин и может быть применено для термостатирования объектов при криогенных температурах. Целью изобретения является повышение эффективности регулирования криогенных температур путем уменьшения количества тепла, вносимого в объем криостата, и снижение расхода хладагента. Устройство для регулирования температуры содержит автогенераторную схему (АГС), состоящую из двухполюсника 1 с отрицательным дифференциальным сопротивлением, блокировочного конденсатора 8, регулируемого резистивного элемента (РРЭ) 9, параллельного колебательного контура, составленного из катушки 2 и конденсатора 4, последовательно которому включены терморезистор 3 и дополнительный резистор 5, шунтированный размыкающими контактами электромагнитного реле (ЭМР) 16, к выходу АГС через широкополосный усилитель 6 подключены детектор 12, соединенный с управляющим входом РРЭ, и входы частотных реле 13 и 14, выходы которых соединены с входами триггера 15, подключенного к обмотке ЭМР, замыкающие контакты которого включены в цепи исполнительного устройства 18. 3 ил.

Фи8.2.

Г