Устройство стабилизации температуры термостата Советский патент 1982 года по МПК G05D23/19 

(54) УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЬ

ТЕРМОСТАТА

1

Изобретение относится к средствам автоматического управления параметрами, преимущественно для регулирования температуры объектов, например биологических термостатов, устройств для вырашивания кристаллов.

Известен регул5ггор температуры, со.держаший термочувствительный мост, ; ,6прк управления, исполнительное реле tl).

Оцнако его использование не обеспе- .Q чивает высокой точности поддержания заданной температуры, являющейся необходимым условием, работы биологического термостата и других подобных устройств, вввду того, что в известном pery-j5 лятрре происходят значительные колебания температуры около заданного значения потому, что исполнительное ре-ле (нагреватель) отключается при температуре выше заданного значения, а включается 20 при температуре, которая ниже заданного значения. Разность между верхним и нижним значением температуры может достигать несколько градусов.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является схема стабилизации температуры, содержащая терморезистор в качестве датчика температуры, измерительный мост, в который входит датчик температуры. К одной диагонали моста прикладывается напряжение питания, к второй - подключен вход операционного усилителя. вый конденсатор устанавливается в нулевой диагонали измерительного моста и таким образом щунтирует входы операционного усилителя, ослабляя нежелательные высокочастотные помехи по амплитуде. Второй конденсатор подключен между выходом операционного усилителя и его инвертирующим входом, который дополнительно ослабляет высокочастотгHbie помехи, попадающие на вхоп операционного усилителя С23 .

В результате включения этих конден. саторов усиление схемы управления в частотном диапазоне ВЧ помех становится меньще единицы. Кроме того, в конст3&83ев44

рукции примеряется диод, включенный втате 3, переменный резистор 4 для устацепь питания операционного усилителя для ,новки температуры статирования и два защиты его при изменении полярности питающего напряжения. Выходной сигнал рцерационного усилителя управляет транзиртором усилителя мощности через ста;билитрон и ограничительный резистор. Нагревательный элемент включен в коллекторную цепь транзистора. Напряжение отрицательной обратно й связи, сн1нмаемое с делителя напряжения. включенного параллельно нагревателю, подается на вход операционного усилителя При этом коэффициент отрицательной обратно связи становится равен 5ОО. Это повыщает устойчивость работы схемь стабилизации.температуры, но вместе с тем снижает точность стабилизации температуры до ± 0,5°С, что недостаточно для ее . использования в биологических термостатах. Кроме того, в схеме стабилизации температуры, Щугеющёй линейную переда-точную характеристику, вьщеляется значительная мощность на выходном транзисторе, что снижает коэффициент полезного действия и требует создания дополнительньи условий для обеспечения нормального температурного режима выходного транзистора.. Цель изобретения - повышение точноети устройства стабилизации температуры. Поставленная цель достигается тем, что устройство стабилизации температуры, содерж:аЕ1ее последовательно соединенные измерительный мост, операционный усилитель, усилитель мощности и исполнительный элемент, причем выход усилителя мощности связан с не инвертирующим входом операционного усилителя, содеркит генератор импульсов стабильной амплитуды, а измерительный мост - регулировочный резистор, включенный последова,тельно с датчиком температуры, и ух общий вывод связан с выходом генератора импульсов стабильной амплитуды. Импульсы с выхода генератора импуль сов стабильной амплитуды, поступающие на вход операционного усилителя, устраняют гистерезис устройства, что обеспечивает повыщение точности стабилизации температуры. На фиг. 1 показана электрическая схема предлагаемого устройства,- на фиг. 2 график работы} на фиг. 3 - график зависимости входных и выходных напряжений. Устрюйство стабилизации температуры содержит измерительный мост 1, датчик 2 температуры, расположенный в термосрейистора 5 и 6. В диагональ моста 1 включен операционный усилитель 7, вы- ход которого подключен к входу усилителя 8 мощности, выход которого поделю- чен к нагревателю 9 и резистору 10 обратной связи, второй выход которого соединен с неинвертирующим входом oneрационного усилителя 7. Последовательно с терморезистором 2 включен регулировочный резистор И, соединенньй через резистор 12 с первой базой (Б1) однопереходного транзистора 13, генератора 14 импульсов стабиль- ной амплитуды, вторая база (Б2) которого подключена к источнику питания, а эмиттер - к резистору 15 и 7юнденсатору 16, представляющий собой времязадающую последовательную RC-цепь. На фиг. 2 изображены графики работы предлагаемого устройства: а - график изменения напряжения разбаланса термочувствительного моста без генератора импульсов со стабильной амплиту ой (кривая 17) и .при наличии генератора импульсов со стабильной амплитудой (кривая 18); б - график изменения напряжения на нагревателе при работе без генератора импульсов со стабильной амплитудой; в - график изменения напряжения на нагревателе при наличии генератора импульсов со стабильной амплитудой в устройстве;г график изменения температуры в термостате при отсутствии генератора импульсов со. стабильной амплитудой (кривая 3.9) и при наличии генератора импульсов (кривая 20) со стабильной амплитудой. Устройство стабилизации температуры работает следующим образом. При значении температуры в термос «™ значения температуры, соответствующего заданной температуре стабилизации, мост 1 разбалансирован, так как сопротивление датчшса 2 велико и напряжение в точке соединения его с резисто- ром 5 неравно напряжению в точке соединения резисторов 4 и 6. Разность этих напряжений (сигнал разбаланса) U, и импульсы с генератора поступают на вход операционного усилителя .7. При этом сумма напряжений сигнала разбаланса амплитуды импульсов имп верхнего порога срабатывания устройства .икб(фиг. 2а) и устройство 59S находится в одном из двух устойчивых состояний, когда нагреватель 9 включен (фиг. 2в). Такой режим работы с двумя устойчивыми состояниями создается за счет положительной обратной связи с выхо- да усилителя мощности 8 через резистор 1О на неинвертирующий вход операционкого усилителя. Благодаря этому потери энергии в усилителе мощности .снижаются до минимума за счет того, что выходной транзистор или открыт (нагреватель вклк чен) или закрыт (нагреватель отключен), вместе с тем, вследствие действия положительной обратной связи, в устройстве появляется гистерезис, величина которого равна разности напряжения , поступаю щего на вход операционного усилителя. и вызывающего включение нагревателя 9 и напряжения, вызывающего отключение нагревателя ОквСфиг. 2), ,B-UKH Так как напряжение U , поступающее на вход операционного усилителя, пропорлионально температуре, то гистерезис приводит и к колебаниям температуры ста тирования. Устранить гистерзезис и соответственно повысить точность поддержания заданной температуры в предлагаемом устройстае позволяет генератор 14 импульсов стабильной амплитуды на однопереходном транзисторе 13, Частота импульсов, вырабатьшаемых генератором, зависит от величины сопротивления резистора 15 и емкости конденсатора 16. Амплитуда выходных импульсов регулируется с помощью поде т ррчечного резистора 11При повышении температуры в термостате и приближении ее значения к TCT напряжение разбаланса моста уменьщает- ся. . В момент времени t на вход операционного усилителя поступает импульс с генератора амплитудой сигнал, разбаланса (ifJ. Сумма этих напряжений становится равной верхнему порогу сраба тывания устройства. UKB и,(2) Это приводит к тому, что нагреватель 9 отключается. При этом температура продолжает некоторое время повышаться за счет инерционных свойств нагревателя и термостата. Продолжает уменьшаться и сигнал разбаланса U . После окончания действия импульса, поступающего с , генератора, на вход операционного усили4 6 теля поступает только сигнал разбаланса liiii, но устройство остается в первоначальном состоянии, так как этот сигнал мёньjue напряжения нижнего порога срабатыва- ния устройства. Постепенно температура в термостате начинает снижаться, а на- пряжение разбаланса Ощ соответственно увеличиваться. В момент времени ta температура достигает такого значения, йри котором напряжение становится равным напряжению нижнего порога срабатывания устройства: Ч н. ( Устройство стабилизации переключается в состояние, при котором нагреватель 9 включен, но температура продолжает падать, а напряжение разбаланса С/м увеличиваться вследствие инерционных свойств термостата и нагревателя. При этом сумма t/K|W(n м I поступающая на вход операционного усилителя, меньще напряжения верхнего порога срабатывания устройства (j Иустройство не переключается в первоначальное положение, при котором нагреватель 9 отключен. Через некоторое время температура в термостате начинает повышаться и цикл работы устройства . стабилизации повторяется, Высокая точность стабилизации температуры в предлагаемом устройстве достигается уменьшения напряжения гистерезиса до значения, близкого к нулю. Это значит, что должно вьшолняться условие: M,-UM.,,(J т.е. величина разбаланса моста, при котором устройство переключается из сое- тояния включено в состояние выключено, должна быть равна величине разбаланса, при котором устрюйство переключается из состояния вьпслючено в состояние, включено. Из равенства (1) (3) видно, что это условие может быть выполнено, если: имп - кв-икн, 15) Т.е. амплитуда импульсов, поступающих с генератора, должна быть равна раЪности напряжений верхнего и нижнего порогов срабатывания устройства. На фиг. 3 представлен график, поясняющий процесс устранения гистерезиса в предлагаемом устройстве. В начальный момент времени устройство находится в состоянии, которое на графике обозначено точкой 21. При нагреватель включен, а на вход операцион ного усилителя поступает сигнал разбалан са моста и/то и импульсы стабильной амп литуды с генератора . Постепенно температура в термостате возрастает и приближается (фиг. 2г). В момент времени, когда состояние устройства стабилизации температуры выражено точкой 22 графика, напряжение разбаланса моета равно, нижнему порогу переключения устройства ,,a нагреватель будет включен до того времени, пока на вход операционного усилителя не поступит импульс напряжения с генератора амплиту- йой, равной разности напряжений верхнег и -нижнего . порогов переключения устройства. При этом устройство кратковременно перейдет в состояние, выраженное Точкой 23 графика и вслед за этим в состояние, выраженное точкой 24 графика. Время перехода из точки 23 в точ ку 24, будет очень небольшим и определится быстродействием применяемого операционного усилителя.После окончания импульса напряжения, поступающего на . вход операционного усийителя, устройство перейдет в состояние, выражеиное точкой 25 графика, при когором нагреватель от,.ключен, а на вход операционного усилителя поступает сигнал U(s/|. , который на величину 4U|y.j меньще напряжения нижнего порога переключения устройства Uj. Еще некоторе время напряжение разбалан са моста Uij( продолжает уменьшаться . йследствие инерционных свойств нагревателя и термостата. Постепенно температура в термостате начинает падать, а напряжение разбаланса увеличиваться. В момент времени, когда состояние устройства выражено точкой 26, нагревэ гель вновь включится,так как напряжение разбаланса моста равно нижнему порогу переключения устройства U| , и устройство перейдет в состояние, выраженное точкой 27 графика. Время перехода из точки 26 в точку 27 также определяется быстродействием операционного усилителя. В точке 27 напряжение разбаланса моста U|v,2 больше на величину напряжения нижнего порога переключения устройства, а сумма JLnиU,p(P меньще напряжения верхнего порога переключения устройства. Через некоторое время темпе ратура в термостате начнет повышаться. 6 в4 .,S а напряжение разбаланса U - соответст венно уменьшаться. В момент времени, когда состояние устройства выражено точкой 22 графика, цикл работы устройства стабилизации температуры повторится. Требуемая амплитуда импульсов на выходе генератора 14 устанавливается с помощью регулировочного резистора 11, Предлагаемое устройство стабилизации температуры использовано в биологическом термостате. В устройстве использован операционный усилитель типа К140УД1А. Экспериментальные исследования термостата с предлагаемым устройством стабилизации температуры показывакуг, что колебание температуры л Т при отсутствии генератора импульсов достигают 0, (фиг. 2, кривая 19). При подключении генератора импульсов колебания температуры лТ при тех же условиях уменьшаются до 0,005 С, I Применение биологического термостата с предлагаемым устройством позволяет обойтись без-дополнительных устройств для перемешивания жидкости в термостате и сохранить биологические объекты в стабильных оптимальных физиологических условиях с прецизионными характеристиками стабилизации температуры. Формула изобретения Устройство стабилизации температуры термостата, содержащее последовательно соединенные измерительный мост, операционный усилитель, усилитель мощности и исполнительный элемент, причем выход усилителя мощности связан с неинвертирующим входом операционного усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит генератор импульсов стабильной амплитуды, а измерительный мост регулировочньй резистор, включенный последовательно с датчиком температуры, и их общий вывод связан с выходом генератора rovCiynbcOB стабильной амплитуды. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 646322, Кл. G05D 23/19, 1976. 2.Патент США № 3831003, КЛ. Н 05 fe 1/О2, опублик. 1978 (прото-г тип).

Фиг-З