Термоэлектрическая система регулирования температуры Советский патент 1991 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к системам автоматического управления, термоэлектрическому приборостроению, может быть применено для программного регулирования температуры.

Цель изобретения - повышение быстродействия системы регулирования температуры объекта.

На фиг. 1 представлена схема термоэлектрической системы регулирования температуры; на фиг. 2 - конструкция однокаскадной термоэлектрической батареи.

Термоэлектрическая система регулирования температуры содержит последовательно соединенные датчик температуры 1, находящийся в тепловом контакте с объектом 2, температура которого регулируется и вычислительное устройство 3.

Первый выход вычислительного устройства 3 подключен к управляющим входам первого 4 и второго 5 переключателей, а второй выход - к одному из входов устройства сравнения 6. Система содержит третий переключатель 7, первый вход которого соединен со вторым выходом вычитающего элемента 8 и другим входом устройства сравнения 6, управляющий вход - с выходом устройства сравнения 6, а выход - со входом усилителя мощности 9. Первый выход усилителя мощности 9 подключен к первому входу первого 4 и второму входу второго 5 переключателей, а второй выход к

О

о

VJ

О

СО

шине нулевого потенциала и первому выводу датчика тока, выполненного в виде резистора 10. второй вывод резистора 10 соединен со вторым входом первого 4 и первым входом второго 5 переключателей и с одним из входов вычитающего элемента 8. Система содержит также однокаскадную термобатарею 11, рабочая грань которой находится в тепловом контакте с объектом 2, первый и второй выводы термобатареи 11 подключены к выходам соответственно первого 4 и второго 5 переключателей. Кроме этого система содержит четвертый переключатель 12. первый вход которого соединен с выходом зздатчика тока 13. второй вход - с выходом регулируемого за датчика тока 14, управляющий вход - с первым выходом вычислительного устройства 3, а выход - с другим входом вычитающего элемента 8.

Вход регулируемого задатчика тока 14 подключен к выводам датчика температуры, в качестве которого использован терморезистор 15, находящийся в тепловом контакте с рабочей гранью термобатареи 11.

Регулируемый задатчик тока 14 выполнен на операционном усилителе 16, неинвертирующий вход которого подключен к клемме с потенциалом Е, инвертирующий вход через резистор 17 - к шине нулевого потенциала и является входом задатчика тока 14, а выход усилителя 16 является выходом и входом задатчика тока 14.

Регулируемый задатчик тока реализует следующее функциональное преобразование

Uyn(Ј)RoT,

где а, R - величина термо-ЭДС и электросопротивление термобатареи;

Ro значение сопротивления датчика тока;

Т - величина температуры датчика рабочей грани термобатареи.

При этом в системе использована одно- каскадная термобатарея 11, нерабочая грань которой находится в тепловом контакте с теплообменником 18, обладающим бесконечно большой теплоемкостью (фиг. 2).

Работает система следующим образом.

Изменение температуры объекта 2 регулирования преобразуется датчиком температуры 1 в электрический сигнал, поступающий на вход вычислительного устройства 3. Вычислительное устройство 3 производит обработку поступившей информации и формирует на своих выходах управ- ляющие сигналы, соответствующие определенному закону регулирования. Причем сигнал на первом его выходе, коммутируя первый 4и второй 5 переключатели, управляет направлением тока через термобатарею 11 таким образом, чтобы температура объекта 2 стремилась к заданному значению. Сигнал на втором выходе вычислительного устройства 3 управляет величиной тока через термобатарею 11 в зависимости от температурных параметров

0 регулируемого процесса. При значительном рассогласовании регулируемой и заданной температуры этот управляющий сигнал достигает большой величины. Когда его величина превышает значение сигнала на

5 выходе вычитающего элемента 8, на выходе устройства сравнения 6 формируется сигнал, отключающий от входа усилителя мощности 9 выходной сигнал вычислительного устройства 3 и подключающий к нему выход

0 вычитающего элемента 8.

При этом в регуляторе обрывается отрицательная обратная связь по температуре и устанавливается отрицательная обратная связь по току термобатареи 11.

5 Когда на первом выходе вычислительного устройства 3 присутствует сигнал, коммутирующий ток в термобатарее таким образом, что она работает в режиме нагрева, этот сигнал, поступая на управляющий

0 вход четвертого переключателя 12, подключает к другому входу вычитающего элемента 8 выход задатчика тока 13. За счет отрицательной обратной связи со второго вывода резистора 10 на один из входов вычитающе5 го элемента 8 величина тока через термоба тарею 11 автоматически устанавливается на

уровне, заданном задатчиком тока 13. Для

повышения быстродействия эта величина

устанавливается максимально возможной с

0 учетом ограничения по максимально допустимой температуре рабочей грани термобатареи.

При отключении тока термобатареи от заданного, например при изменениях на5 пряжения питания усилителя мощности 9 или термо-ЭДС на выводах термобатареи 11, изменится и напряжение на резисторе 10. Это приведет к такому изменению сигнала на выходе вычитающего элемента 8,

0 при котором выходной ток усилителя мощности 9 примет первоначальное значение, определяемое величиной сигнала на другом входе вычитающего элемента 8.

При формировании вычислительным ус5 тройством 3 на его первом выходе сигнала охлаждения последний переключает переключатель 12 таким образом, что к другому входу вычислительного элемента 8 подключается выход регулируемого задатчика тока 14. За счет отрицательной обратной связи

по току система начинает работать в режиме слежения тока термобатареи 11 в соответствии с изменением сигнала на выходе регулируемого за датчика тока 14.

Ток. протекающий в термобатарее, ох- лаждает ее рабочую грань. Изменение ее температуры преобразуется терморезистором 15 в сопротивление по закону

RT - Ro + a 0

где RO - сопротивление терморезистора при нулевой температуре, °С;

0- температура рабочей грани термобатареи 11.°С;15

а - постоянный коэффициент.

При этом выходное напряжение операционного усилителя 16 определяется выражением

Un-Eo(1 +-{Ј-).

и„ Ео ( 1 +

RO +а0

R17

),

где Ео - напряжение на неинвертирующем входе усилителя 16;

Ri сопротивление резистора RIT, или с учетом (1)25

Величина тока I термобатареи, определяемая из уравнения следящей системы

Un IRio,

где IRio - напряжение на образцовом резисторе Ю.составит

I §о.а 1 RioRn

При RiT-aTo-Ro и

где RTB - сопротивление термобатареи;

а- коэффициенттермоЭДС материала термобатареи;

Т0 - нулевая температура, в °С переведенная в К.

i gTi

где TI-TD+ 0- температура рабочей грани термобатареи. К.

При окончании переходного процесса установления температуры когда ее значение приближается к заданному, величина управляющего сигнала на втором выходе вычислительного устройства 3 начинает уменьшаться в соответствии с выбранным законом регулирования. В момент когда величина сигнала на втором выходе вычислительного устройства 3 станет меньше величины сигнала на выходе вычитающего элемента 8, на выходе устройства сравнения 6 сформируется сигнал, отключающий

5 Ю

15

20

25

30

35

40

45

50

55

от входа усилителя мощности 9 выход вычитающего элемента 8 и подключающий к нему второй выход вычислительного устройства 3, т.е. обрывается отрицательная обратная связь по току и устанавливается отрицательная обратная связь по температурным параметрам объекта 2 регулирования. Величина тока регулируется управляющим сигналом со второго выхода вычислительного устройства 3, зависящим от параметров процесса изменения температуры объекта 2. Это позволяет реализовать в вычислительном устройстве 3 различные алгоритмы регулирования температуры.

Отключение отрицательной обратной связи по току после выхода температуры на режим предотвращает возможность возникновения автоколебаний в системе.

Формула изобретения Термоэлектрическая система регулирования температуры, содержащая последовательно соединенные датчик температуры объекта и вычислительное устройство, первый выход которого соединен с управляющими входами первого и второго переключателей, третий переключатель, первый информационный вход которого подключен к одному из входов устройства сравнения и второму выходу вычислительного устройства, второй информационный вход - к выходу вычитающего элемента и другому входу устройства сравнения, а управляющий вход - к выходу устройства сравнения, усилитель мощности, вход которого соединен с выходом третьего переклю- чателя, первый выход - с первым информационным входом первого и вторым информационным входом второго переключателей, датчик тока, первый вывод которого подключен к второму выходу усилителя мощности и шине нулевого потенциала, а второй вывод- к первому входу вычитающего элемента, к второму информационному входу первого и первому информационному входу второго переключателя, однокаскад- ную термоэлектрическую батарею, рабочая грань которой находится в тепловом контакте с объектом регулирования температуры, а нерабочая - с теплообменником, причем первый и второй выводы термобатареи соединены с выходами соответственно первого и второго переключателей, и задатчик тока, отличающаяся тем, что. с целью повышения быстродействия системы, в нее введен датчик температуры, находящийся в тепловом контакте с рабочей гранью термобатареи, выводы которого соединены с управляющим входом регулируемого

задатчика тока, и четвертый переключатель,

вычислительного устройства, выход - с друпервый информационный вход которого со-гим входом вычитающего элемента, а втоединен с выходом задатчика тока, управля-рой информационный вход - с выходом

ющий вход - с первым выходомрегулируемого задатчика тока.

t;

вычислительного устройства, выход - с дру

Изобретение может быть использовано для программного регулирования температуры с помощью термобатареи. Цель изобретения - повышение быстродействия системы регулирования температуры. Система содержит контур регулирования температуры объекта и контур регулирования тока термобатареи. Когда температура объекта приближается к заданной, ток термобатареи определяется контуром регулирования температуры. Во время переходного процесса нагрева объекта ток через термобатарею задается задатчиком тока на постоянном уровне, определяемом допустимой мощностью рассеивания в термобатарее. Во сремя переходного процесса охлаждения ток через термобатарею изменяется в зависимости от изменения сигналов датчиков температуры, находящихся в тепловом контакте с соответствующими гранями термобатареи. Это позволяет продуцировать на рабочей грани термобатареи, находящейся в тепловом контакте с объектом, в каждый момент времени переходного процесса максимально возможную холодопроизводительность, что сокращает время охлаждения и приводит к повышению производительности системы. 2 ил.

Фиг./

КЬыходулер- бого переключателя

К быходу второго леремю- чателя

Код оду бычислитель- но so у строй cm да

входам у cm роист- / 8а преобразования