Регулятор температуры Советский патент 1992 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к автоматическому регулированию температуры, а более конкретно к установкам для получения белковых кристаллов из биокомпонентов, где требуется использование двух температурных режимов: охлаждение, при котором происходит хранение биокомпонента, и режим поддержания нормальной (заданной) температуры, в котором требуется как нагрев, так и охлаждение, в зависимости от температуры окружающей среды и где в качестве исполнительного элемента используется термобатарея, обеспечивающая заданный режим работы в зависимости от полярности прикладываемого напряжения.

Известен регулятор температуры, содержащий датчик, терморегулятор, включенный в плечо резистивного моста, усилитель сигнала рассогласования, в виде интегрального усилителя постоянного тока,

пропорциональный усилитель мощности регулирующий ток в термобатарее, подключенный к усилителю мощности через контакты реверсирующего реле(переключателк полярности) управляемого компаратором, подключенного к выходу усилителя сигнала рассогласования и источнику опорного напряжения.

Недостатками этого регулятора температуры является низкая точность поддержания температуры объекта из-за различия коэффициента передачи в режиме охлаждения и в режиме нагрева, а также низкая надежность, определяемая ограниченным числом переключений контактов электромагнитного реле.

Наибопее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является регулятор температуры, содержащий датчик и задатчик, включенные в смежные пле VI00 GO

Ю

О

чи измерительного моста, задающий резистор, усилитель разбаланса моста, выполненный на операционном усилителе с резистором в цепи обратной связи и подключенный к входам измерительной диагонали моста, компаратор, мостовой выходной каскад, в выходную диагональ которого включена термобатарея и источник питания.

Недостатками этого регулятора температуры является недостаточная точность поддержания температуры при работе в режиме охлаждения и в режиме поддержания заданной температуры (при одновременной работе как в режиме охлаждения, так и режиме нагрева) из-за различия коэффициентов передачи и низкая надежность, определяемая ограниченным числом переключения контактов электромагнитного реле.

Целью настоящего изобретения является повышение точности работы регулятора температуры в различных режимах работы регулятора при одновременном повышении надежности его работы

Регулятор температуры содержит датчик и задатчик, включенные в смежные плечи измерительного моста, первый задающий резистор, усилитель разбаланса моста, выполненный на первом операционном усилителе с резистором в цепи обратной связи и подключенный к входам измерительной диагонали моста, первый компаратор, мостовой выходной каскад, в выходную диагональ которого включена термобатарея и источник питания Для достижения поставленной цели в него введены семь резистивных делителей напряжения, четыре развязывающих резистора, два ключевых диода, два стабилитрона, три согласующих транзистора, второй задающий резистор, переключатель режима с замыкающим и размыкающим контактами и второй компаратор, выполненный на втором операционном усилителе, и третий операционный усилитель. Между выводами источника питания включены два последовательно соединенных резистивных делителя напряжения, общий вывод которых подключен к меинвертирующему входу третьего операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен со своим выходом, являющимся общим выводом источника питания Инвертирующий вход первого компаратора выполнен на четвертом операционном усилителе, подключен к выходу усилителя разбаланса моста через первый развязывающий резистор и к выходу первого резистивного делителя напряжения через второй развязывающий резистор

Выход четвертого операционного усилителя через последовательно соединенные первый ключевой диод и третий резистивный делитель напряжения подключен к общему

выводу источника питания и через последовательно соединенные первый стабилитрон и четвертый резистивный делитель к минусовому выводу источника питания, а неинвертирующий вход четвертого

0 операционного усилителя подключен к выходу третьего резистивного делителя напряжения, Инвертирующий вход второго операционного усилителя через третий развязывающий резистор подключен к выходу

5 первого операционного усилителя и к выходу второго резистивного делителя напряжения через четвертый развязывающий резистор к выходу второго резистивного делителя. Выход второго операционного уси0 лителя подключен к общему выводу источника питания через последовательно включенные второй ключевой диод, пятый резистивный делитель напряжения и второй задающий резистор и через последова5 тельно соединенные второй стабилитрон и шестой резистивный делитель напряжения к плюсовому выводу источника питания, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к выходу пятого

0 резистивного делителя напряжения. При этом параллельно второму задающему резистору подключен размыкающий контакт переключателя режима, замыкающий контакт, которого включен параллельно перво5 му задающему резистору, включенному в плечо измерительного моста последовательно с задатчиком. Выход четвертого делителя напряжения подключен к базе первого согласующего транзистора, эмит0 тер которого подключен к минусу источника питания, а коллектор через седьмой резистивный делитель напряжения к плюсу источника питания, выход шестого резистивного делителя напряжения под5 ключей к базе второго согласующегося транзистора, эмиттер которого подключен к плюсовой клемме источника питания, а коллектор - к первому управляющему входу мостового выходного каскада. Выход седь0 мого резистивного делителя напряжения подключен к базе третьего согласующего транзистора, эмиттер которого подключен к плюсу источника питания, а коллектор - к второму управляющему входу мостового вы5 ходного каскада, при этом мостовой выходной каскад выполнен на ключевых транзисторах.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием новых блоков резистивных делителей напряжения, развязывающих резисторов, ключевых диодов, стабилитронов, согласующих транзисторов, дополнительных задающих резисторов, компараторов и операционных усилителей и их связями с остальными элементами схемы. При введении перечисленных блоков в указанной связи с остальными элементами схемы в заявленном регуляторе температуры позволяет ему проявлять новые свойства, обеспечивающие два режима работы: охлаждение и поддержание заданной температуры в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды при одновременном повышении надежности работы.

На чертеже представлена схема регулятора температуры.

Регулятор температуры содержит1 датчик 1 и задатчик (2), включенные в смежные плечи измерительного моста 3, задающий резистор 4, усилитель разбаланса моста 5, выполненный на первом операционном усилителе 6 с резистором 7 в цепи обратной связи, подключенный входом к измерительной диагонали, мос та, а выходом через развязывающие резисторы 8 и 9 к инвертирующим входам первого 10 и второго 11 компараторов, выполненных на третьем и втором операционных усилителях, первый 12 и второй 13 резистивные делители напряжения, включенные последова- телвно между плюсовым +ЕП и минусовым -Еп выводами источника питания, точка соединения которых подключена к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя 14. инвертирующий вход которого подключен к своему выходу и образует общий вывод источника питания 15. Выходы первого 12 и второго 13 резистивных делителей напряжения через третий 16 и четвертый 17 развязывающие резисторы подключены также к инвертирующим входам первого 10 и второго 11 компараторов. Выход первого компаратора 10 через ключевой диод 18 и резистивный делитель напряжения 19 со средним выводом подключен к общему выводу источника питания 15 и через стабилитрон 21 и резистивный делитель 22 подключен к. минусовому выводу питания Еп, а выход резистивного делителя подключен к неинвертирующему входу первого компаратора 10.

Выход второго компаратора 11 через второй развязывающий диод 23, резистивный делитель напряжения 24 и задающий резистор 25 подключен к общему выводу источника питания 15 и через второй стабилитрон 26 и резистивный делитель напряжения 27 подключен к плюсовому выводу

источника питания +ЕП. а выход резистивного делителя напряжения 24 подключен к неинвертирующему входу второго компаратора 11. Выход резистивного дели- 5 теля 27 подключен к базе согласующего транзистора 28, эмиттер которого подключен к плюсовому выводу источника питания +ЕП. Выход резистивного делителя напряжения 22 подключен к базе согласующего

0 транзистора 29, эмиттер которого подключен к минусовому выводу источника питания -Еп, а коллектор через резистивный делитель 30 к плюсовому выводу источника питания +ЕП.

5Выход резистивного делителя напряжения 30 подключен к базе согласующего транзистора 31, эмиттер которого подключен к плюсовому выводу источника питания. При этом выходной мостовой каскад 32

0 выполнен на ключевых транзисторах 33-36, в выходную диагональ которого включена термобатарея 37, а к первому управляющему входу подключен коллектор согласующего транзистора 23, а к второму

5 управляющему входу подключен коллектор согласующего транзистора 31. Для обеспечения двух режимов работы к параллельно задающим резисторам 4 и 25 подключены соответственно разомкнутый и замкнутый

0 контакты переключателя 38.

Регулятор температуры работает следующим образом. Процесс получения белковых кристаллов начинается с загрузки биокомпонентов в ампулы в нормальных ус5 ловиях Транспортировка к месту проведения процесса должна производиться в охлауденном (замороженном состоянии) Это обеспечивается включением переключателя 38 в положении, указанном начерте0 же. При включении питания и при положении переключателей указанных на рис напряжение на инвертирующем входе больше чем на неинвертирующем и положительное напряжение на выходе усилителя

5 разбаланса моста 5, поступающего на инвертирующие входы компараторов 10 и 11 через развязывающие резисторы 8 и 9 устанавливает на их выходах отрицательное напряжение относительно средней точки

0 15. образованной резистивными делителями 12 и 13 и операционном усилителе 14. Часть отрицательного напряжения с выхода компаратора 10 через ключевой диод 18 и резистивный делитель напряжения 20 по5 ступает на неинвертирующий вход компаратора 10, поддерживая его на выходе отрицательное напряжение

Это отрицательное напряжение через защитный стабилитрон 21 и резистикный делитель напряжение 22 запирает соглагующий транзистор 29 и ток через резистив- ный делитель напряжения 30 не протекает и соответственно согласующий транзистор 31 запрети заперты ключевые транзисторы 33 и 34 выходного мостового каскада 32. В тоже самое время отрицательное напряжение компаратора 11 не проходит на делитель напряжения 24 через ключевой диод 23, а поступает через стабилитрон 26 на резистивный делитель напряжения 27, открывал согласующий транзистор 28. Положительное напряжение источника питания +ЕП, через транзистор 28 поступает на второй управляющий вход мостового выходного каскада 32 открывал транзисторы 36 и 35, и через термобатарею 37 протекает ток в направлении +ЕП, транзистор 35, термобатарея 37, транзистор 36, -En и объект начинает охлаждаться. По мере охлаждения объекта (белковой массы) сопротивление термодатчика 1 увеличивается, напряжение разбаланса моста 3 уменьшается, уменьшается и положительное напряжение на выходе усилителя 5, но состояние компараторов 10 и 11 не изменяется и ток через термобатарею продолжает течь в том же направлении. Как только положительное напряжение на выходе усилителя 5 сравнивается и станет чуть меньше по абсолютной величине напряжения, поступающего с резистивного делителя 13 через развязывающий резистор 17 на инвертирующий вход компаратора 11, напряжение на его выходе изменится на противоположное (станет положительным). Транзистор 28, благодаря защитному стабилитрону 26, закроется, закрыв тем самым ключевые транзисторы 36 и 35, и ток через термобатарею 37 течь прекратится. Часть этого положительного напряжения через ключевой диод 23 и резистивный делитель напряжения 24 поступает на неинвертирующий вход компаратора 11, поддерживая на его выходе положительное напряжение. В то же самое время компаратор 10 заперт отрицательными напряжениями, поступающими с выходов усилителей 5 и резистивного делителя 20, поддерживая в запертом состоянии согласующие транзисторы 29 и 31 и соответственно ключевые транзисторы 33 и 34 выходного каскада 32. Белковая масса снова начнет нагреваться естественным путем Сопротивление датчика 1 уменьшается, напряжение разбаланса моста увеличивается до тех пор, пока алгебраическая сумма положительного напряжения с выхода усилителя 5 и отрицательного напряжения с выхода делителя 13 не сравняется или станет-чуть больше по абсолютной величине положительного напряжения, поступающего с выхода резистивного делителя напряжения 24. и напряжение на выходе компаратора изменится на отрицательное. 8 этом случае снова открывается согласующий транзистор 28, соответственно ключевые транзисторы 36 и 35 выходного мостового каскада 32 и ток через термобатарею протекает в том же направлении и процесс повторяется, белковая масса продолжает остывать.

0 При готовности к выращиванию кристаллов (а это происходит при температуре 20 ± 1°) оператором или автоматически по команде переключатель 38 устанавливается в противоположное состояние При этом за5 мыкается задающий резистор в мостовой схеме 3 и размыкается задающий резистор 25.

Напряжение разбаланса моста меняется на противоположное Максимальное от0 рицательное напряжение усилителя 5 поступает через согласующие резисторы 8 и

9на инвертирующие входы компараторов

10и 11. устанавливая на выходах положительное напряжение, и транзистор 28 и со5 ответственно 35 запираются. Положительное напряжение компаратора 10 не проходит через ключевой диод 18 на резистивный делитель напряжения 20, а через защитный стабилизатор 21 проходит на

0 вход резистивного делителя 22, открывая согласующий транзистор 29, и который у свою очередь через резистивный делитель 30 открывает согласующий транзистор 31. Согласующий транзистор 31 открывает клю5 чевые транзисторы 33 и 34 выходного мостового каскада 32. Через термобатарею протекает ток в направлении: +Еп, транзистор 33, термобатарея 37, транзистор 34, -Еп и белковая масса начинает разогреваться.

0 Сопротивление термодатчика 1 уменьшается, напряжение разбаланса моста также уменьшается, уменьшается и напряжение на выходе усилителя 5. Как только отрицательное напряжение на выходе усилителя 5

5 по абсолютной величине сравнивается и станет чуть меньше положительного напряжения, поступающего через согласующий резистор 16с выхода резистивного делителя напряжения 12 на инвертирующий вход

0 компаратора 10, напряжение на его выходе станет отрицательным, часть этого напряжения через ключевой диод 18 и резистивный делитель 20 поступает на неинвертирующий вход компаратора 10,

5 поддерживая на его выходе отрицательное напряжение.

Это отрицательное напряжение поступает через защитный стабилитрон 21 на резистивный делитель напряжение 22. запирая транзистор 29, соответственно запираются транзисторы 31, 33 и 34, и ток через термобатарею течь перестает до тех пор пока алгебраическая сумма напряжений, поступающих с выхода усилителя 5 и делителя напряжений 12 не сравняется и не станет чуть меньше отрицательного напряжения, поступающего с делителя напряжений 20 (в случае, если объект остывает) и напряжение на выходе компаратора станет положительным, снова откроются транзисторы 29, 31, 33 и 34 и объект начнет нагреваться до тех пор, пока не наберет заданной температуры. В том случае если дальше произойдет повышение температуры окружающей среды, белковая масса начнет перегреваться. Сопротивление термодатчика 1 начнет уменьшаться и станет меньше сопротивления термозадатчика 2, напряжение на выходе усилителя 5 изменится на положительное, компараторы 10 и 11 будут поддерживаться в том же состоянии и транзисторы 28, 29, 31. 33, 34, 35 и 36 будут заперты, и ток через термобатарею не протекает. По мере дальнейшего увеличения температуры объекта напряжение на выходе усилителя Ј буДет увеличиваться и как только алгебраическая сумма положительного напряжения усилителя 5 и отрицательного делителя напряжения 13 сравняется или станет больше положительного напряжения, поступающего с делителя 24 и задающего резистора 25 напряжение на выходе компаратора станет отрицательным, откроется согласующий транзистор 28 и ключевые транзисторы 36 и 35, и ток через термобатарею потечет в противоположном направлении, и объект начнет охлаждаться пока не наберет заданной температуры.

В этом случае как только положительное напряжение на выходе усилителя 5 сравняется или станет чуть меньше по абсолютной величине напряжения поступающего с делителя напряжения 13, напряжение на выходе компаратора 11 станет положительным. Часть этого напряжения через ключевой диод 23 и резистивный делитель 24 и задающий резистор 25 поступает на неинвертирующий вход компаратора 11. поддерживая его выходное напряжение, транзистор 28 закроется, закрыв ключевые транзисторы 36 и 35, и ток через термобатарею течь прекратится. В остальном процессы повторяются.

По окончании процесса биокристаллизации снова оператором или по команде переключатель 38 устанавливается в исходное состояние и начинается процесс охлаждения, описанный выше.

Таким образом, применение в известном регуляторе температуры дополнительных элементов, резистивных делителей напряжения, согласующих резисторов, ключевых диодов, защитных стабилитронов, согласующих транзисторов и дополнительно- 5 го операционного усилителя и дополнительного задающего резистора выгодно отличает предлагаемый регулятор от известного, во- первых, повысив его надежность, за счет использования ключевых транзисторов в

0 мостовом выходном каскаде и. во-вторых, обеспечить два режима работы: охлаждение, поддерживая температуру 2 ± 0,5°С, так и поддержание заданной температуры 20± ± 0,5°С в широком диапазоне изменения

5 температуры окружающей среды.

Формула изобретения Регулятор температуры, содержащий датчик и задатчик, включенные & смежные плечи измерительного моста, первый ада0 ющий резистор, усилитель разбаланса моста, выполненный на первом операционном усилителе с резистором в цепи обратной связи и подключенный к входам измерительной диагонали моста, первый компара5 тор, мостовой выходной каскад, в выходную диагональ которого включена термобатарея, и источник питания, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности и надежности, в регулятор введены семь ре0 зистивных делителей напряжения, четыре развязывающих резистора, два ключевых диода, два стабилитрона, три согласующих транзистора, второй задающий резистор,- переключатель режима с замыкающим и

5 размыкающим контактами и второй компаратор, выполненный на втором операционном усилителе, и третий операционный усилитель, причем между выводами источника питания включены два последовагель0 но соединенных резистивных делителя напряжения, общий вывод которых подклю- чен к неинвертирующе му входу третьего операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен со своим выходом,

5 являющимся общим выводом источника питания, инвертирующий вход первого компаратора выполнен на четвертом операционном усилителе, подключен к выходу усилителя разбаланса моста через пер0 вый развязывающий резистор и к выходу первого резистивного делителя напряжения через второй развязывающий резистор, выход четвертого операционного усилители через последовательно соединенные пер5 вый ключевой диод и третий резистивный делитель напряжения подключен к общему выводу источника питания и через последовательно соединённые первый стабилитрон и четвертый резистивный делитель - к минусовому выводу источника питания, а неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя подключен к выходу третьего резистивного делителя напряжения, инвертирующий вход второго операци- онного усилителя через третий развязывающий резистор подключен к выходу первого операционного усилителя и выходу второго резистивного делителя напряжения, через четвертый развязывающий резистор - к выходу второго резистивного делителя, выход второго операционного усилителя подключен к общему выводу источника питания через последовательно включенные второй ключевой диод, пятый резистивный делитель напряжения и второй задающий резистор и через последовательно соединенные второй стабилитрон и шестой резистивный делитель напряжения - к плюсовому выводу источника питания, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к выходу пятого резистивного делителя напряжения, при этом параллельно второму задающему резистору подключен размыкающий контакт

переключателя режима, замыкающий контакт которого включен параллельно первому задающему резистору, включенному в плечо измерительного моста последовательно с задатчиком, выход четвертого делителя напряжения подключен к базе первого согласующего транзистора, эмиттер которого подключен к минусу источника питания, а коллектор через седьмой резистивный делитель напряжения к плюсу источника питания, выход шестого резистивного делителя напряжения подключен к базе второго согласующего транзистора, эмиттер которого подключен к плюсовой клемме источника питания, а коллектор - к первому управляющему входу мостового выходного каскада, выход седьмого резистивного делителя напряжения подключен к базе третьего согласующего транзистора, эмиттер которого подключен к плюсу источника питания, а коллектор - к второму управляющему входу мостового выходного каскада, при этом мостовой выходной каскад выполнен на ключевых транзисторах.

Изобретение используется в системе автоматической стабилизации температуры объектов, Цель изобретения - повышение точности и надежности работы регулятора температуры Регулятор температуры содержит датчик и задатчик, включенные в смежные плечи измерительного моста, задающий резистор, усилитель разбаланса моста, выполненный на операционном усилителе с резистором в цепи обратной связи и подключенный к входам измерительной диагностики моста, компаратор, коммутатор, мостовой выходной каскад, в выходную диагональ которого включена термобатарея и источник питания. В регулятор дополнительно введены семь резистивных делителей напряжения, четыре развязывающих резистора, два ключевых диода, два стабилитрона, три согласующихтранзистора, второй задающий резистор, второй компаратор, третий операционный усилитель а мостовой выходной каскад выполнен на ключевых транзисторах. 1 ил. (Л С