Устройство для регулирования температуры Советский патент 1982 года по МПК G05D23/19 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к автомати-, ческому регулированию, в частности к устройствам регулирования температуры с высокой точностью. По основному авт.св. 613305 известно устройство для регулирования температуры, содержащее последовательно соединенные термочувствительный мост, усилитель, широтно-импульсный модулятор, выполненный, например, в виде ждущего мультивибратора, ключевой элемент и источник питания, причем термочувствительный мост подключен к источнику питания через ключевой элемент, управлякиций вход которого связан с выходом широтно-импульсного модулятора 1.

Одним из недостатков известного устройства является то, что срабатывание ждущего мультивибратора происходит при некотором разбалансе моста, всегда отличном от нуля. Величина разбаланса моста при его неизменной температуре, как известно, пропорциональна напряжению питания, следовательно, изменения напряжения питания вызывают изменение той температуры моста, при которой происходит срабатывание ждущего мультивибратора, т.е. точность поддержания температуры зависит от стабильности источника питания.

Применение высокостабильных источников питания не всегда возможно, например, в переносных приборах, где необходимость высокого КПД источника питания затрудняет применение мощных стабилизаторов. Кроме того, источник питания должен обладать и весь10ма малыми пульсациями, потому что и быстрые колебания напряжейия могут вызывать преждевременные срабатывания мультивибратора и изменение величины регулируемой температуры.

15

Вторьом недостатком является то/ что напряжение от источника питания подается на термочувствительный мост через открытый ключевой элемент, значит и при высокостабильном источнике

20 питания нестабильность величины падения напряжения на открытом ключевом элементе вызывает изменение напряжения на термочувствительном мосту, т.е. точность регулирования ухудшает25ся.

Третьим недостатком является то, что процесс нагрева термочувствительного моста и измерение его температу ры совмещены во времени, когда клю30чевой элемент открыт, т.е. в момент замера мост интенсивно нагревается отдает тепло в термостатируемый объем, следовательно, температура « моста в этот момент превышает темпе ратуру термостатируемого объема, чт вызывает неточность в определении температуры. Цель изобретения - повБлиение точ ности устройства. Поставленная цель достигается те что в устройство введены дополнител ный источник питания и ограничитель уровня, подключенный к неинвертирующему входу дифференциального уси лителя,) дополнительный источник , питания подключен к входной диагона ли термочувствительного моста. В частном случае, когда уровень срабатывания ждущего мультивибратора имеет отрицательную величину, ограничитель уровня можно исключить На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства на фиг.2 - вариант выполнения допол нителЕ)Ного источника питания. Устройство для регулирования .температуры состоит из источника питания 1 и последовательно соедине ных ключевого элемента 2, термочувствительного моста 3, усилителя 4, ждущего мультивибратора 5, соединен ного с управляющим входом ключевого элемента 2. К термочувствительному мосту 3, состоящему из резисторов 6,7,8 и 9, подсоединен также дополнительный источник питания 10, а к одному из-входов усилителя 4 подключен ограничитель уровня 11. Ог раничитель 11 может быть выполнен на стабилитроне 12, постоянно подключенном через резистор 13 к источнику вспомогательного напряжения а + вход усилителя 4 подключен через диод 14 к стабилитрону 12. Для улучшения работы усилителя 4 применено типоаое решение уравно вешивания величин сопротивлений для + и - входов усилителя, для чего вводится резистор 15, а для защиты входов микросхемы от больших напряжений целесообразно применить типовую схему защиты на диодах 16 и 17. Между выходом моста и +.входом усилителя включен резистор 18 достаточно большого сопротивления. . Дополнительный источник питания содержит батарею 19, последовательно с регулирующим элементом, выполненным на транзисторе 20, включен диод .-21, защищающий от обратных напряжений транзистор 20, а ко входу операционного усилителя 22, подсоединенному через резистор 23 к выходу источника 10, подключен ограничите1}ь уровня, напряжения, состоящий из диода 24 и источника ограничивающего напряжения 25. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии температура моста меньше заданной. При включении устройства ключевой элемент 2 закрыт и на мост 3 подано напряжение от источника 10, являющегося низковольтным. Ограничитель уровня 11 закрыт и не оказывает влияния на параметры моста. Если в качестве термочувствительного элемента установлен резистор 7 с положительным ТКС, а резисторы 6,8 и 9 нетермочувствительны, то мост разбалансирован так, что на неинвертйрующем входе усилителя 4 сигнал больше , чем на инвертирующем, значит на выходе усилителя появляется положительный потенциал, поэтому ждущий мультивибратор срабатывает и открывает ключевой элемент 2, напряжение от источника питания 1 через ключевой элемент 2 подается на термочувствительный мост 3. Так как напряжение источника 1 значительно больше напряжения источника 10, то источник 10 выполнен с защитой от перенапряжений на выходе и не шунтирует источник питания 1, когда ключевой . элемент 2 открыт. От источника 1 термочувствительный мост 3 интенсивно нагревается. Одновременно, независимо от величины разбаланса моста, напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах усилителя 4 значительно увеличиваются, при этом ограничитель уровня 11 ограничивает величину напряжения на неинвертирующем входе, поэтому на выходе усилителя 4 возникает отрицательный потенциал, значительно меньше уровня срабатывания ждущего мультивибратора 5, что исключает возможность повторного запуска мультивибратора 5, пока ключевой элемент 2 открыт. Устройство находится в таком состоянии разогрева моста, пока не окончится импульс со ждущего мультивибратора 5. Когда же импульс закончится, ключевой элемент 2 закрывается, напряжение на термочувствительном мосту 3 уменьшается до напряжения маломощного низковольтного источника питания 10, напряжения на входах усилителя 4 уменьшаются, а ограничитель 11 отключается, и устройство переходит в режим измерения температуры термочувствительного моста. Если мост еще недостаточно нагрет, то разбаланс моста таков, что на выходе усилителя 4 возникает положительный потенциал, вновь запускающий ждущий мультивибратор 5, и термочувствительный мост вновь разогревается как описано выше. В таком режиме продолжительных нагревов и коротких интервалов измерений устройство работает до тех пор, пока температура моста 3 не превышает заданную величину, тогда полярность разбаланса моста изменяется на обратную и на выходе усилителя 4 положительный потенциал в момент, измерения температуры моста уже не возникает, ждущий мультивибратор 5 не запускается и закрытый ключевой элемент 2 не передает напряжение от источника питания 1 на мост, тогда напряжение на Мосту 3 постоянно равно напряжению низковольтного источника питания 10 и процесс измерения температуры удлиняется до тех пор, пока температура моста не уменьшится до величины, меньше заданной, в.этот момент полярность разбаланса моста 3 вновь изменяется, на выходе усили теля 4 возникает положительный потенциал, ждущий мультивибратор запускается и вновь начинается процес нагревания термочувствительного мос та 3 как описано выше. В частном случае, когда уровень срабатывания ждущего мультивибратор имеет отрицательную величину, а. смещение нуля усилителя таково, что в момент срабатывания ждущего мультивибратора разбаланс моста име такую полярность, что при плавном увеличении напряжения питания термо чувствительного моста положительное напряжение на выходе усилителя умен шается, проходит ноль и затем изменяет полярность на обратную, то надобность в ограничителе уровня отпа дает. В этом случае устройство упро щается , однако требует предваритель ного отбора из партии усилителей с наперед заданной величиной смещения нуля, что усложняет наладку и ремонт устройства, поэтому применимо только в лабораторных условиях А работа устройства в этом част-ном случае аналогична описанной выше. Необходимо отметить, что напряже ние источника питания 10 должно быт такой величины, чтобы при наивысшей температуре окружающей среды мощность тепловых потерь от моста превышала бы мощность, выделяемую на резисторах термочувствительного мос та от источника питания 10. Достоинством предлагаемого устройства является то, что в процессе измерения температуры источник пита ния 1 участия не принимает, а изменения напряжения источника 1 оказывают влияние только на скорость нагрева термочувствительного моста, что вызывает минимальное влияние этого источника на точность регулирования температуры, поэтому в качестве источника 1 можно применить либо нестабилизированные химические источники напряжения, либо выпрямители без стабилизаторов и со значительными пульсациями напряжения, что значительно упрощает и удешевляет источник питания 1 и обеспечивает высокий КПД устройства. Кроме этого, достоинством устройства является возможность применения в качестве ключевого элемента 2 тиристоров, нестабильность которых при этом не влияет на процесс регулирования. В предлагаемом устройстве можно использовать и другие полупроводникоBbie ключевые устройства без жестких требований к их стабильности. Для изменения температуры регулирования можно применить общеизвестный способ изменения величины сопротивления одного из резисторов термочувствительного моста. Предлагаемое устройство может быть использовано для поддержания температуры с точностью до 0,001°С ри использовании в качестве усилителя 4 перационных усилителей в микросхемном исполнении выпускаемыми промышленностью, без специального подбора по минимальному смещению нуля на входе и без регулировки элементов устройства, не входящих в термочувствительный .мост. При этом допускается нестабильность источника питания 1 более 50%. В этих же условиях известное устройство дает точность порядка 0,1°С. Существенно улучшает точность известного устройства применение источника питания 1 со стабильностью не хуже 0,1% и применение высокостабильного ключевого элемента, тогда возможно получение точности регулирования температуры до О,О01°С. В тех же условиях предлагаемое устройство обеспечивает более высокую точность регулирования до 0,0001°С. Формула изобретения Устройство для регулирования температуры по авт.св. 613305, о тличающееся тем, что, с целью повьоления точности устройства, оно содержит дополнительный источник питания и ограничитель уровня, подключенный к неинвертирующему входу усилителя, а дополнительный источник питания подключен к входной диагонали .термочувствительного моста. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 613305, кл. q 05D 23/19, 1976 {прототип ).