Способ термостатирования и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G05D23/19 

Фиг. 2

Изобретение относится к способам автоматического регулирования температуры и может быть использовано там, где требуется прецизионное термостатирование объектов, например в метрологии, радиотехнике и т.п.

Известен способ термостабилизации в термоэлектрическом термостате, включающий измерение температуры термостатиру- емого объекта, воздействие на объект тепловым потоком, при отклонении температуры объекта от заданного значения.

Недостатком этого способа термостабилизации является низкая точность.

Наиболее близким к предлагаемому является способ термостатирования, основанный на регулированиитемпературы объекта с помощью регулятора по сигналу изменения частоты автоколебаний генератора с кварцевым резонатором, имеющим провал активности температурно-частотной характеристики (ТЧХ) в диапазоне статирования.

Известно устройство для термостатирования, содержащее кварцевый генератор с чувствительным кварцевым резонатором, размещенным в термокамере, преобразователь частота-код, задатчик кода, элемент сравнения, RS-триггер и последовательно соединенные усилитель и нагреватель.

Недостатком известного способа и устройства является низкая точность термостатирования за счет низкой термочувствительности, которая не превышает 200 Гц/°С.

Цель изобретения - повышение точности статирования температуры.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу термостатирования, заключающемуся в контроле частоты кварцевого генератора с термозависимым кварцевым резонатором, имеющим провал ТЧХ и формировании по ее значению управляющего воздействия, при достижении частотой кварцевого генератора значения, соответствующего температуре статирования, устанавливают значение мощности возбуждения кварцевого генератора, обеспечивающее достижение провала на температурно-частотной характеристике кварцевого резонатора.

При этом в устройство для термостатирования, содержащее кварцевый генератор с термочувствительным кварцевым резонатором, размещенным в термокамере преобразователь частота-код, первый задатчик кода, первый элемент сравнения, RS-триггер, последовательно соединенные усилитель и нагреватель, введены коммутатор,

второй элемент сравнения, второй и третий задатчики кода, а усилитель выполнен с регулируемым коэффициентом передачи, вход управления которого подключен к выходу

RS-триггера, связанного R-входом с выходом первого элемента сравнения, а S-вхо- дом с первым выходом второго элемента сравнения, второй выход которого соединен с входом усилителя, выход кварцевого

генератора соединен с входом преобразователя частота-код, выход которого подключен к одним из входов первого и второго элементов сравнения, к другому входу первого элемента сравнения подсоединен выход первого задатчика кода, а к другому входу второго элемента сравнения подключен выход коммутатора, входы которого связаны с выходами первого и второго задатчиков кодов соответственно, управляющие входы коммутатора и кварцевого генератора соединены с выходом RS-триггера.

Известно, что при повышении мощности возбуждения генератора с кварцевым

резонатором АТ-среза, его ТЧХ имеет провалы до десятков миллионных долей от основной частоты f0 на интервале температур 0,001 - 0,1°С. Для резонатора, колеблющегося на частоте 5 МГц, это соответствует

чувствительности 5000 Гц/°С, в то время как лучшие образцы термочувствительных кварцевых резонаторов имеют термочувствительность не выше 200 Гц/°С. При увеличении мощности возбуждения возрастает

амплитуда провала частоты, что позволяет регулировать термочувствительность. Провалы активности АТ-резонаторов являются следствием нелинейного взаимодействия основной моды колебаний с модами более

низких порядков, поэтому температуру провала можно изменять путем коррекции геометрических размеров или угла среза шлифовкой пьезоэлемента. Таким образом, можно получить кварцевый резонатор с требуемой чувствительностью в заданной точке статирования температуры.

Гистерезис провала активности ТЧХ, о котором упоминается, объясняется влиянием динамического коэффициента частоты, который для резонаторов АТ-среза составляет порядка с/°С и зависит, следовательно, от скорости изменения температуры. В реальных системах термостатирования скоростью изменения температуры (по техническим требованиям и системам) не превышает 2 - 4°С/мин, поэтому гистер езисом можно преь -5речь.

На фиг,1 представлены темларатурно- частотная характеристика одного из кварцевых резонаторов с АТ-срезом и участок этой ТЧХ с провалом активности в точке стати- рования; на фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего способ термостабилизации.

Устройство для термостатирования содержит термочувствительный кварцевый резонатор 1,кварцевый генератор 2,преобразователь частота-код 3, задатчики 4-6 кодов, элементы 7 и 8 сравнения, причем выходы задатчиков 4 и 5 чрез коммутатор 9 соединены с первым входом элемента 7 сравнения, а выход задатчика 6 соединен с первым входом элемента 8 сравнения, вторые входы элементов 7 и 8 сравнения сое- динены с выходом преобразователя частота-код 3, второй выход элемента 7 сравнения и выход элемента 8 сравнения соединены соответственно с S-и R-входами RS-триггера 10, прямой выход которого подключен к управляющим входам коммутатора 9, кварцевого генератора 2 и усилителя 11 с переменным коэффициентом передачи, информационный вход которого соединен с первым входом элемента 7 сравнения, а выход через последовательно соединенные нагреватель 12 и термокамеру 13 - с входом термочувствительного кварцевого резонатора 1.

В задатчике 4 записан код температуры точки 1 (фиг. 1), в зада гчике 5 - код температуры статирования точк1/: 2 биг.1), в задатчике 6 - код температура точки 3 (фиг.1).

Способ термостатирования реализован следующим образом,

Способ термостатирования включает два режима. Первый соответствует режиму с низким уровнем возбуждения кварцевого генератора с термозависимым кварцевым резонатором и с высоким коэффициентом передачи системы регулирования. Этот режим используется в качестве предварительного для подведения системы к области рабочей точки, т.е. система работает в режиме начального прогрева объекта.

При достижении частотой кварцевого генератора значения, соответствующего температуре статирования, устанавливают значение мощности возбуждения кварцевого генератора, обеспечивающее достижение провала ТЧХ кварцевого резонатора, и снижают коэффициент передачи системы (второй режим).

Устройство работает следующим образом.

В процессе выхода (нагрева) термокамеры 13 в режим разность кодов преобразователя частота-код 3 (Nn) и задатчика 4(N4) больше нуля (Nn - N4 0), на первом выходе элемента сравнения 7 появляется сигнал управления и через усилитель 11 включает нагреватель 12 термокамеры 13. При достижении температуры точки 1 (Nn N4) на втором выходе элемента 7 сравнения появляется

сигнал, который переключает триггер 10 в 1. Своим сигналом триггер скачкообразно увеличивает мощность возбуждения генератора 2 и уменьшает коэффициент передачи усилителя 11 и через коммутирующее уст0 ройство 9 подключает к входу элемента 7 сравнения задатчик 5 и отключаег задатчик 4. Таким образом, формируется ТЧХ кварцевого резонатора, имеющая вид, представленный на фиг.1 (появляется провал

5 активности ТЧХ в диапазоне статирования). С целью более точного приближения к температуре статирования и исключения перегрева уменьшают коэффициент передачи усилителя. Стабилизация температуры осу0 ществляется-относительно точки 2 (фиг.1). В случае воздействия возмущающего воздействия, которое система не в состоянии отработать, или же при выходе в режим из зоны температур выше температуры статироза5 ния код Nn будет больше или равен NG и на выходе элемента 8 сравнения появится сигнал, который переведет RS-триггер 10 в О (увеличится коэффициент передачи усилителя) v, уменьшится мощность возбуждение

0 генератора. К входу элемента 7 сравнения через коммутирующее устройство Q подключается задатчик 4 и отключается задатчик 5, При достижении температуры точки 1 (фиг.1) термокамера выходит в режим, кз/

5 описано выше.

Формула изобретения

1.Способ термостатиро вания, заю-щчз ющийсг; з контропе частоты кварцевого ге- иер-лорз с вермозависимым кварцевые.

0 резс,.Э|Оро ч, имеющим провал активное, т температурио-чэстотной характеристик и формирование по ее значению упрар; я о- щегс воздействия, отличающийся гем. что, с целью повышения точности, при чо5 сти;/енц|/ частотой кварцевого генератора значения, соответствующего температуре статирования, устанавливают значение мощности возбуждения кварцевого генератора, обеспечивающее достижение провала

0 на температурно-частотной характеристике кварцевого резонатора,

2.Устройство для термостатирования, содержащее кварцевый генератор с термо- чуствмтельным кварцевым резонатором

5 размещенным в термокамере, преобразователь частота-код, первый задатчик .ода, первый элемент сравнения, RS-триггер, последовательно соединенные усилитель м нагреватель, отличающееся тем, что. с целью повышения точности, устройство содержит коммутатор, второй элемент сравнения, второй и третий задатчики кода, а усилитель выполнен с регулируемым коэффициентом передачи, вход управления которого подключен к выходу RS-триггера, связанного R-входом с выхода первого элемента сравнения, а S-входом - с первым выходом второго элемента сравнения, второй выход которого соединен с входом усилителя, выход кварцевого генератора соединен с входом преобразователя часто

та-код, выход которого подключен к одним из входов первого и второго элементов сравнения, к другому входу первого элемента сравнения подсоединен выход первого задатчика кода, а к другому входу второго элемента сравнения подключен выход коммутатора, входы которого связаны с выхода- - ми первого и второго задатчиков кодов соответственно, управляющие входы коммутатора и кварцевого генератора соединены с выходом RS-триггера.

Изобретение относится к способам автоматического регулирования температуры и может быть использовано при прецизионном термостатировании объектов в метрологии, радиотехнике. В способе и устройстве решается задача повышения точности стабилизации температуры. Способ основан на статировании температуры объекта по сигналу изменения частоты кварцевого генератора с термозависимым кварцевым резонатором. Новым в способе является изменение значения мощности возбуждения кварцевого генератора, обеспечивающее достижение провала температурно-частотной характеристики кварцевого резонатора в точке статирова- ния Устройство содержит кварцевый генератор 2 с термочувствительным кварцевым резонатором 1 в термокамере 13, преобразователь частота - код 3, задатчики кодов 4 - 6, элементы 7, 8 сравнения, коммутатор 9, RS-триггер 10, усилитель 11с переменным коэффициентом передачи и нагреватепь 12 2 с.п. Ф-лы, 2 ил. (Л С xj О

Д//Ц

г

50/-о25

45

f4,995 55,005

55,000 SS,

+60+ ZO

-30т;с

ГС