Терморегулятор Советский патент 1992 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к автоматическому регулированию температуры, в частности к прецизионным регуляторам температуры, входящим в системы термостатиро- вания измерительных ячеек приборов, предназначенных для массовых определений диэлектрических характеристик диэлектриков.

Известно устройство для регулирования температуры, содержащее резистивный термочувствительный мост, к выходной диагонали которого подключен блок управления, связанный со вторым блоком управления. В одно из плеч термочувствительного моста включен платиновый термометр сопротивления, а в другое потенциометрический четырехразрядный декадный задатчик.

Недостатками терморегулятора являются, во-первых, сложность коммутирующей схемы задатчика, во-вторых, большая погрешность задания температуры термоста- тирования ( ±2° С).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является терморегулятор БТП-78, содержащий усилитель напряжения, к выходу которого подключен усилитель мощности с исполнительными

элементами нагрева и охлаждения, программатор, термометр сопротивления, включенный в первое плечо измерительного моста, к измерительной диагонали которого подключен вход усилителя напряжения, задатчик, выключенный в противоположное плечо измерительного моста и выполненный в виде двух последовательно соединенных резисторов, между точкой соединения которых и вершиной питающей диагонали моста через замыкающие контакты ключей, управляющие входы которых связаны с выходом программатора, включены тетрады двоичновзвешенных резисторов, соответствующие десятым долям, единицам, десяткам и сотням градусов цельсия.

Недостатками терморегулятора являются, сложность, большое энергопотребление и низкая надежность коммутирующей части схемы задатчика температуры, состоящей из 16 ключей и 19 эталонных резисторов, а также неидеальность сопряжения передаточной функции задатчика температуры со статической характеристикой термометра сопротивления, ограничивающая точность задания температуры.

(Л

С

|Х| ICO Ј

Ю

00 CJ

баланс моста в рассматриваемом терморегуляторе описывается следующим уоЕвнением:

К1 +R0(1 Ч-At + Bt2) qs+Aqt ,, q4 R2 R3qs + q4 + Aqt l

где Ri - сопротивление балластного резистора, включенного последовательно с термометром сопротивления, описываемого функцией Rt Ro(1 + At + Bt2);

c|5, q4 проводимости последовательно включенных резисторов, образующих противоположное плечо моста;

Дц - проводимость резистора, включен- ного в тетраду градусов и соответствующего изменению задания температуры на один гоадус;

t - заданная температура, °С;

Ro сопротивление термометра при 0° С;

R2 и Ra - сопротивления резисторов, образующих третье и четвертое плечи моста.

Делая допущения qs + q4 Aq t, преобразуем уравнение баланса моста (1)

Ri +R0(1 +At + Bt2) qs + Aq -t

Q4-R2-R3(СЦ + qs)(1 + Aq)

или

R, + M1+A,+Bt)

C + - -qЈHqSV

q-t Vq4 +qs

Пренебрегая в разложении членами выше второго порядка, получим ряд уравнений, связывающих параметры задатчика и термометра сопротивления. Для этого приравняем коэффициенты при нулевой, первой и второй степенях t в правой и левой частях уравнения (2):

Rl + R°C+i) R2R3;

R0B Aq2 ( q4

Р2 Нз R0A

q4 +qs .2

(4)

Aq

)

04

R2-R3 q4+q5y

Из уравнений (З), (4) и (5) имеем

А Aq Вq4+qs

.(6)

q5 Aq

Ro

R2-R3 в2

(7)

д

qs - Aq --g - Q4

(8)

10

Подставляя (7) и (8) в (3), находим уравнение для определения балластного сопротивления Ri:

R1

(±+±1 Vq4 qs;

-Re

(9)

чен- его дин

0° С;

ров, моспре

q)

вывнека и припервой

3)

При расчете параметров задатчика тер2о морегулятора проводимости резисторов q4 и qs приходится выбирать из двух противоречивых соображений: во-первых, чем выше q4 и qs, тем лучше сопряжение передаточной функции задатчика со статической ха25 рактеристикой термометра, во-вторых, чрезмерное увеличение q4 и qs снижает чувствительность терморегулятора. Выбор параметров терморегулятора упрощается, если в уравнениях (3)-(9) принять q4 qs.

Зо Тем не менее, проводимость q4 не может быть выбрана как уголно большой, так как при этом и квантующая проводимость Aq должна быть тоже увеличена до таких пределов, что невозможно будет реализовать

35 двоичновзвешенные татрады, так как

Aq --д-сц.

Целью изобретения является упрощение терморегулятора при одновременном

0 повышении его надежности и точности задания температуры.

Поставленная цель достигается тем, что в терморегулятор, содержащий усилитель напряжения, к выходу которого подключены

45 усилитель мощности с исполнительными элементами нагрева и охлаждения, программатор, термометр сопротивления и термостабильный резистор, первые выводы которых соединены с входом усилителя на50 пряжения, дополнительно введены операционный усилитель, выход которого соединен со вторым выводом термометра сопротивления и два цифроаналоговых преобразователя, цифровые входы которых соединены с выхо55 дом программатора, а выход первого ииф- роаналогового преобразователя соединен с первым суммирующим входом операционного усилителя и входом опорного сигнала второго цифроаналогового преобразователя, выход которого связан с вычитающим

входом операционного усилителя, второй суммирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения, вторым выводом термостабильного резистора и входом опорного сигнала первого цифроа- налогового преобразователя,

Введение первого ЦАП, цифровые входы которого связаны с выходом программатора, позволяют формировать напряжение, пропорциональное заданной температуре регулирования.

Введение второго ЦАП, цифровые входы которого также связаны с выходом программатора, а вход опорного сигнала - с выходом первого ЦАП, позволяет формировать поправку, учитывающую квадратичный характер характеристики платинового термометра сопротивления, что в конечном итоге повышает точность задания температуры регулирования.

Введение инвертирующего операционного усилителя позволяет подавать на термометр сопротивления сумму напряжений, а именно соответствующего реперной температуре (например, 0° С) и пропорционального заданной температуре регулирования (с первого ЦАП), а также учитывающего квадратичный характер статической характеристики термометра сопротивления (со второго ЦАП). Инвертирование напряжения, подаваемого на термометр сопротивления, по отношению к опорному напряжению, подаваемому нз термостабильные резисторы, позволяет получить нулевой сигнал на входе усилителя напряжения при достижении объектом температуры, равной заданному значению.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого терморегулятора.

Терморегулятор содержит термометр сопротивления 1, термостабильный резистор 2, усилитель напряжения 3, усилитель мощности 4, нагреватель 5, исполнительный элемент охлаждения 6, цифровой программатор 7, операционный усилитель 8 и цифроаналоговые преобразователи 9 и 10.

Терморегулятор работает следующим образом,

Пусть в исходном состоянии на выходе программатора присутствует цифровой код, соответствующий заданию температуры термостатирования 0° С, температура в термостате также равна 0° С и сопротивление термометра 1 равно RO. При этом на входе усилителя 3 отсутствует сигнал разбаланса, так как в этот момент сопротивление термостабильного резистора 2 и термометра 1 равны и на них подаются напряжения противоположного знака, равные по абсолютной величине.

При изменении температуры в термостате (например, из-за изменения окружаю- щей температуры) сопротивление термометра 1 изменяется, баланс моста нарушается и на входе усилителя 3 появляется сигнал разбаланса, который усиливается усилителями напряжения 3 и мощности 4 и в зависимости от полярности сигнала управляет нагревателем 5 или исполнительным

элементом охлаждения 6. В результате температура в термостате восстанавливается. При изменении цифрового сигнала на выходе программатора 7 (в ручном или автоматическом режиме задания температуры)

цифровой код, соответствующей заданной температуре регулирования, поступает на вход цифроаналоговых преобразователей 9 и 10. В результате на выходе ЦАП 9 появляется напряжение, пропорциональное произведению заданной температуры и опорного напряжения

Ug kgUt, (1)

где Ug - напряжение на выходе ЦАП 9; kg - коэффициент передачи ЦАП 9;

t - заданная температура;

U - напряжение опорного источника, поступающее одновременно на термостабильный резистор 2, второй суммирующий вход операционного усилителя 8 и вход

опорного сигнала ЦАП 9.

С выхода ЦАП 9 напряжение U поступает на первый суммирующий вход операционного усилителя 8 и на вход опорного сигнала ЦАП 10, на выходе которого устанавливается напряжение.

U10 kg kioUt2,(2)

где kio - коэффициент передачи ЦАП 10.

Напряжение Uio поступает на вычитаю- щий вход операционного усилителя 8, выходное напряжение которого имеет вид

U8 -k8iU-k82Ug + k83Uio, (3) где кеч, К82, К83 - коэффициенты передачи

операционного усилителя 8 по первому и второму суммирующим входам и третьему вычитающему соответственно. Напряжение Us поступает на термометр сопротивления. Баланс моста (нулевой потенциал на входе усилителя напряжения 3) будет иметь место при равенстве токов, протекающих через термометр сопротивления 1 и термостабильный резистор 2:

55 U8 ,

Ж + ТҐ-°

(4)

где Rt - сопротивление термометра при заданной температуре;

R2 сопротивление термостабильного резистора 2.

Сопротивление платинового термометра достаточно точно описывается квадратичной функцией в широком диапазоне емператур

Rt Ro(1 + At + Bt2), (5) где Rt-сопротивление термометра при температуре t;

Ro - сопротивление термометра при ре- перной температуре to, обычно равной 0° С;

А - 3,908-10 3; В -5,802-10 7 - коэффициенты, учитывающие кривизну статической характеристики термометра сопротивления.

Подставляя в (4) выражения (3) и (5) и учитывая (1) и (2), получим

+ k82 K9-t -ksa kg-kio t2

Ro(1 + At + Bt2)

(6) 20

15

Из (б) очевидно, что заданная температура в термостате установится при выполнении следующих условий:

Ro Ro . 1 82-К9 д , K81 А

k83 k9 k-io kei

о

(7)

Уравнения (7) имеют практическую ценность, так как позволяют рассчитать параметры элементов терморегулятора, обеспечивающие идеальное сопряжение передаточной функции задатчика температуры со статической характеристикой тер0

мометра сопротивления и обеспечить более высокую точность задания температуры.

Введение двух ЦАП и операционного усилителя взамен позволяет отказаться от

5 коммутирующих элементов и эталонных резисторов двоично взвешенных тетрад, что упрощает устройство, повышает надежность и снижает энергопотребление и массогабарит- ные характеристики терморегулятора.

0 Формула изобретения

Терморегулятор, содержащий усилитель напряжения, к выходу которого подключены усилитель мощности с исполнительными элементами нагрева и охлаждения, про5 грамматор, последовательно соединенные термометр сопротивления и термостабильный резистор, объединенные выводы которых присоединены к входу усилителя напряжения, отличающийся тем, что, с целью упрощения при одновременном повышении надежности и точности задания температуры, в него дополнительно введены операционный усилитель, выход которого связан с вторым выводом термометра

5 сопротивления, и два цифроаналоговых преобразователя, цифровые входы которых соединены с выходом программатора, а выход первого цифроаналогового преобразователя соединен с первым суммирующим

0 входом операционного усилителя и входом опорного сигнала второго цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с вычитающим входом операционного усилителя, второй суммирующий вход кото5 рого соединен с источником опорного напряжения, с вторым выводом термостабильного резистора и входом опорного сигнала первого цифроаналогового преобразователя.

Терморегулятор содержит 1 термометр сопротивления (1), 1 термостабильный резистор (2), 1 усилитель напряжения (3), 1 усилитель мощности (4), 1 нагреватель (5), 1 исполнительный элемент охлаждения (6), 1 цифровой программатор (7), 1 определяющий усилитель (8), 2 цифроаналоговых преобразователя (9, 10). 1 ил.

&u&-