Устройство для термостатирования Советский патент 1991 года по МПК G05D23/30 

керамического материала, в качестве дополнительного нагревателя использован электрод 3 возбуждения, размещенный на внутренней поверхности тепловой камеры 1 и подключенный к выходу источника 13 тока, соединенного с контуром прецизионного поддержания температуры. 1 з.п. ф-лы., 1 ил.

Изобретение относится к технике термостатирования, в частности к устройствам термостатирования небольших объектов. Целью изобретения является повышение точности поддержания температуры. Цель достигается тем, что в устройстве для термостатнрова- ния, содержащем контур прецизионного поддержания температуры (блок 10 регулирования), теплоизоляционный кожух 4, внутри которого расположена тепловая камера 1 из пьезокерами- ческого материала с точкой Кюри вблизи рабочей температуры, электроды возбуждения 2 и 3 которой, расположенные на внешней и внутренней поверхностях, подключены к выходу усилителя 7 мощности, соединенного с генератором 8 переменного тока, температурный коэффициент частоты которого противоположен по знаку температурному коэффициенту частоты пьезоI (Л оэ Сл -U J со

Изобретение относится к технике термостатирования, в частности к устройствам термостатирования небольших объектов, и может быть использовано в различных областях науки и техники, где необходимо поддерживание постоянной температуры отдельных элементов или схем.

Цель изобретения - повышение точности поддержания температуры.

На чертеже представлена схема устройства для термостатирования.

Устройство содержит два контура. Первый контур используется для грубого вывода температуры на режим и включает нагреватель, образующий тепловую камеру 1 из пьезокерамики, с точкой Кюри вблизи температур термостатирования. На внешней и внутренней поверхностях тепловой камеры 1 нанесены любым из известных спосо- бов электроды 2 и 3 возбуждения соответственно. Тепловая камера 1 помещена в теплоизоляционный кожух 4. Дно 5 и крышка 6 тепловой камеры 1 изготовлены из материала с большим значением коэффициента теплопроводности, например,алюминия или меди, и имеют толщину, в 2-3 раза превышающую толщину стенок. Электроды 2 и 3 возбуждения на внешней и внутренней по- верхностях тепловой камеры 1 подключены к выходу усилителя 7 мощности, выполненного по двухтактной схеме с трансформаторным выходом. Вход усилителя 7 мощности соединен с выходом генератора 8 переменного тока, содержащего в частной (задающей) цепи термочувствительный элемент 9, например пьезоэлектрический элемент или сегне- тоэлектрический конденсатор с отри- цательным знаком ТКЧ (частота генератора 8 уменьшается с ростом температуры) .

Для предотвращения располяризации пьезокерамического нагревателя - резонатора, при работе вблизи точки Кюри, на его электроды подается постоянное смещающее напряжение от блока питания (не показано) через раз

5

0

5 0 Q 5 -

5

5

вязываюший дроссель, препятствующий закорачиванию по переменному току выхода усилителя 7 мощности. Второй контур включает блок 10 регулирования, используется для прецизионного поддержания температуры в тепловой камере 1 и включает пропорциональный регулятор температуры, содержащий термодатчик 11 в виде термочувствительного моста, состоящий из двух резисторов, выполненных из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), например конс- тантана, и двух резисторов из материала с большим ТКС, например полупроводниковых резисторов. Между тер- мочувствительным мостом 11 и внутренней поверхностью тепловой камеры 1 обеспечено минимальное тепловое сопротивление. Одна диагональ моста запитана .стабильным напряжением, а другая подключена к входу операционного усилителя 12, совмещающего в себе функции предварительного усилителя и регулирующего устройства. Коэффициент передачи регулирующего устройства определяется глубиной обратной связи и обеспечивает необходимое качество процесса регулирования.

Источник 13 тока выполнен на составном транзисторе, в коллекторную цепь которого включен электрод 3 возбуждения, и соединен с операционным усилителем 12 через коммутирующий элемент 14, управляемый компаратором 15 напряжения. Компаратор. 15 напряжения одним входом подключен к выходу операционного усилителя 12, а другим входом - к источнику 16 опорного напряжения, величина которого определяет момент срабатывания компаратора. В процессе настройки устройства для термостатирования уровень опорного напряжения подбирается таким образом, чтобы компаратор 15 срабатывал после грубого вывода температуры на режим.

Работа контура для грубого вывода температуры на режим основана на явлении резонансной автотермостаби- i

s

лизации, при этом гермочувстпт ель- ные источники тепла распределены по объему тепловой камеры 1, я регулирование мощности нагрева происходит автоматически при изменении условий теплового баланса между тепловой энегией, выделяемой в тепловой камере, и энергией, отдаваемой во внешнюю среду. Вследствие непрерывного изменения мощности нагрева п зависимости от внешних условий принцип действия этого устройства близок к системе с пропорциональным регулированием.

Частота генератора 8 переменного тока выбирается равной частоте рабочей точки, расположенной на склоне резонансной характеристики тепловой камеры 1, причем частота собственного резонанса должна быть немного выше частоты возбуждения.

Температура тепловой камеры 1 повышается до установления теплового равновесия, когда подводимая мощность переменного тока сравняется с теплом, рассеиваемым в окружающую среду. При понижении температуры окружающей среды резонансная частота тепловой камеры 1 приближается к частоте возбуждающего напряжения вследствие положительного знака ТКЧ, т.е, рабочая точка смещается вверх по резонансной характеристике. Так как рассеиваемая в тепловой камере 1 электрическая мощность зависит от частоты возбуждения упругих колебаний резонансно, то она возрастает, повышая при этом температуру тепловой камеры 1. Аналогичное повышение температуры окружающей среды при

водит к уменьшению рассеиваемой в теп-40 мической. Например, при уменьшении

ловой камере 1 электрической мощности и понижению ее температуры. Во внутренней изотермической камере температура изменяется во много раз меньше изменения температуры окружаю- щей среды. При этом коэффициент стабилизации определяется крутизной резонансной характеристики тепловой камеры 1. При включении в частотно- задающей цепи генератора 8 термо- чувствительного элемента 9 происходит дополнительная стабилизация температуры в изотермической камере, что объясняется знаком ТКЧ генератора 8, противоположным температурному возму- щению.

После грубого вывода температуры на режим в работу включается контур для прецизионного поддержания темпера1654797

0

туры в тепловой камере 1 . Срабатывает компаратор 1 5 и подключает источник 13 тока к выходу операционного усилителя 12.

Настройка работы блока 10 прецизионного регулирования температуры осуществляется следующим образом. Вначале на режим выводят контур для грубого вывода температуры. Регулировкой частоты генер атора 8 рабочая точка на характеристике температурной зависимости мощности потерь выбирается так, чтобы максимальное отклонение температуры Т„ в тепловой камере от номинальной при работе устройства для термостатирования в заданном интервале окружающих температур перекрывалось блоком 10. Достижение температуры, соответствующей этой точке, контролируется термочувствительным мостом 11 и определяет момент включения в работу контура блока 10 регулирования. Срабатывает компаратор 15, так как выходное напряжение операционного усилителя 12, поступающее на один из его входов, становится меньше опорного напряжения источника 16, поступающего на его другой вход. При этом на источник 13 тока поступает сигнал, соответствующий максимальной величине тока, протекающего через электрод 3.

По мере повышения температуры электрода 3 величина тока уменыпает5 ся и наоборот, т.е. его температура поддерживается постоянной. Поскольку электрод 3 нанесен равномерно по всей внутренней поверхности тепловой камеры 1, то последняя будет иэотер5

0

температуры окружающей среды (в пределах работы второго контура) напряжение на выходе операционного усилителя 12 увеличивается и, следовательно, увеличивается ток источника тока 13, протекающий через электрод 3, увеличивая тем самым теплоотдачу.

Формула изобретения

ные к выходу усилителя мощности, со-вания содержит источник опорного

единенного с генератором переменногонапряжения, соединенный с первым вхотока, отличающееся тем,дом компаратора, второй вход которого

что, с целью повышения точности уст-соединен с первым выходом операционройства, электрод возбуждения, рас-ного усилителя, входы которого являположенный на внутренней поверхностиются входами блока регулирования,

нагревателя, подключен к выходу источ-второй выход операционного усилителя

ника питания, вход которого соединени выход компаратора соединены с инс выходом блока регулирования, вхо- JQформационным и управляющим входами

ды которого связаны с термодатчиком,коммутирующего элемента, выход котоустановленным в тепловой камере.рого является выходом блока регулиро2. Устройство по п.1, о т л и ч а-вания. ю щ е е с я тем, что блок регулиро