Термостат Советский патент 1982 года по МПК G05D23/30 

(5) ТЕРМОСТАТ

1

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при разработке и изготовлении устройств для регулирования и поддержания заданной температуры.

Известно устройство для регулирования температуры по определенному закону или для поддержания температуры на каком-либо заданном уровне. Регулирование температуры в этом устройстве осуществляется подогревом определенного объема и выбором материала теплоизоляционного кожуха 1.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устрой с т во, содержащее сосуд Дьюара с теплоизоляционной пробкой и вакууми-. рованной полостью, с расположенной в ней рабочей камерой с первым нагре-, вателем, связанным с первым блоком управления, установленный в вакуумированной полости регулируемый генератор водорода, подключенный к выходу второго блока управления, установленного в рабочей камере. Регулируемый генератор водорода выполнен в виде полого цилиндра из пористого титана, активированного водородом, с расположенным в нем вторым нагревателем 2.

Известные устройства требуют применения внешних систем автоматического регулирования и обладают в этой

10 связи сравнительной сложностью и пониженной надежностью. Кроме того, при высоких и низких температурах устройства имеют ограниченное применение, в связи с отсутствием контроtsлирующих и исполнительных элементов, работающих при этих температурах. Например, современные полупроводниковые приборы имеют температурный диапазон -60 - +120°С, а термисторы,

20 лрименяемые, в качестве датчиков температуры,удовлетворительно работают при этих же температурах. ЭтЬ ограничение накладывается физическими конетантами и не может быть устранено конструктивными изменениями. Цель изобретения - упрощение устройства и повышение его надежности. По.ставленная цель достигается тем что в термостате, содержащем корпус с вакуумированной полостью, с размещенным в ней сорбентом и термостатируемым объектом, сорбент нанесен на внутренние стенки корпуса, а термостатируемый объект установлен в корпусе на расстоянии d от стенок, определяемом из следующего соотношения d 4 Л , где Л - минимальная длина свободного пробега молекул остаточных газов в вакуумированной полости в заданном диапазоне изменения температуры окружа щей среды, а вакуумированная полость заполнена пористым материалом. Нанесение сорбента, например, активированного угля или цеолита на внутренние стенки корпуса обеспечивает пропорциональное изменение температуры сорбента при изменении температуры окружающей среды за счет теплового контакта между сорбентом и кожухом. При этом изменяется коли чество остаточных газов,поглощаемых или выделяемых сорбентом. Поскольку объем вакуумированной полости постоянен, давление остаточных газов в вакуумированной полости изме,няется пропорционально изменению температуры. Конкретное значение давления остаточных газов определяется из уравнения теплового баланса для конк ретного устройства (без учета переда чи тепла излучением и через твердое тело). Q Р - К,.- 5лТ, где 0. - мощность, рассеиваемая объектом через теплопроводность остаточных газов; Р - давление остаточных газов; . KT - коэффициент теплопроводност остаточных газов; S - площадь поверхности термостатируемого объекта и устанавливается на этапе изготовле ния термостата известными способами На этом же может быть установлен определенный состав остаточныхгазов известными способами. Теплопроводность газа в вакуумированной полости будет изменяться пропорционально изменению давления 9 4 в ней, только при соблюдении условия , так как в этом случае перенос тепла осуществляется отдельными молекулами без соударений, а число молекул газа в определенном объеме зависит от давления. Если же условие не выполняется, то теплопроводность газа остается постоянной и не зависит от давления. Таким образом, количество тепла отводимое от термостатируемого объекта, при соблюдении условия d i А., зависит от давления остаточных газов, выделяемых .сорбентом. Степень изменения давления газов, выделяемых сорбентом, зависит от массы сорбента (чем больше масса сорбента, тем большее количество газа будет выделяться из него при прочих равных условиях). Масса сорбента определяется по формуле с(.тат-лТ9. число единиц массы соргдебента на единицу объема вакуумированной полости ; с(. , otj - удельные сорбции при экстремальных значениях температуры окружающей среды; Q-i 0.0 мощности, рассеиваемые объектом при соответствующи х значениях температуры окружающей среды; дТ ,U.TI - разности температур термостатируемого объекта и окружающей среды, значения Q, Ц„, дТ , лТ задаются режимом работы термостатируемого объекта и изменением температуры окружающей среды. По величине dt-, и o(.rj выбирается конкретный сорбент, исходя из приемлемой величины массы. Если пространство между термостатируемым объектом и внутренними стенками корпуса .заполнить пористым или гранулированным материалом, то перенос тепла будет осуществляться между отдельными гранулами материала или между стенками поо материала. Поскольку оасстояние между отдельными гсанулами или между стенками поо обычно мало ( 0,01 мм), условия выполнения соотношения di Л облегчаются. При изготовлении устройств неизбежно возникают технологические погрешности, вследствие которых температура термостатирования будет отличаться от заданной. Уменьшить эти отклонения можно изменением на какую-то пoctoяннyю величину мощности, рассеиваемой объектом. Кроме того, термостатируемый объект может рассеивать при работе столь незначитель ную мощность, что условие постоянства температуры не сможет быть выполнено (например, пьезоэлектрический резонатор или терморезистор). Для устранения указанных недостатков термостатируемый объект имеет нагреватель, питаемый напряжением постоянной величины. Этот же нагреватель может быть использован для повышения точности термостатирования при изменении температуры окружающей среды в широких пределах. Так как удельная абсорбция изменяется с изменением температуры по экспоненциальному закону, поэтому обеспечить полную компенсацию уходов температуры можно только с применением дополнительной коррекции. На чертежесхематически изображен предлагаемый термостат. Термостат содержит корпус 1 с вакуумированной полостью 2, в которой размещен термостатируемый объект 3 и сорбент Ц, нанесенный на внутренние стенки корпуса 1. Пространство между термостатируемым объектом 3 и внутренними стенками корпуса 1 с нанесен ным на них сорбентом Ц заполнено пористым материалом 5 (показан частично) . Термостатируемый объект 3 снабжен нагревателем 6. Термостат работает следующим образом. После включения термостатируемый объект 3 нагревается мощностью, выде ляемой в термостатируемом объекте 3 и нагревателе 6 до температуры, при которой справедливо уравнение теплового баланса (1). При изменении температуры окруж.ающей среды температур термостатируемого объекта 3 стремится измениться, однако за счет измене ния температуры сорбента k, имеющего тепловой контакт с окружающей средой через стенки кожуха 1, давление газа в вакуумированной полости 2 изменяется таким образом, что температура термостатируемого объекта 3 остается постоянной. Пример. При изменении температуры окружающей среды от О до . 9 -185°С необходимо поддерживать температуру объекта равной +10С. Мощность, рассеиваемая объектом, постоянная. Выбираем в качестве сорбента активированный уголь, а в качестве остаточного газа выбираем водород. Удельная сорбция водорода активированным углем при равна 4 относительным единицам, а при - 185°C равна 135 относительным единицам. Определяем массу сорбента O -I-QT 195 , 135 10 0,57 единиц массы Проведем инженерный расчет термостата, для которого задано: Q QT. мощность, выделяемая в объекте; S 10 см - площадь поверхности объекта; Кг 10 Вт/см град, мм рт.ст. коэффициент теплопроводности водорода. Из уравнения (1) определим необходимое давление газа в вакуумиррванной полости при О-С. р , Q 0,1 -1 , Ц 10-2-10 . 10 2 ,5 - 10 мм рт. ст. Давление газа при -185°С. 0, 0,1 2- Кт-ЗдТ i - 10 195 1 ,28 - рт.ст. Длина свободного пробега молекул водорода при давлении 2, рт.ст. Л-1 3,36 мм, а при давлении 1,28« рт.ст. Л2 65 мм. А определяется из справочных материалов или известным расчетом. Выбираем расстояние между стенками кохуха и объектом d 3 мм, из условия diA мин 3,36 мм. Определим объем вакуумированной полости V S - d 10 - 0,3 3 см Масса адсорбента М m - V 0,57 3 1,71 мг, поскольку размеренность удельной сорбции мм рт.ст.. Определенную массу сорбента наносят на стенки корпуса известными способами, а необходимое давление