Термостат Советский патент 1983 года по МПК G05D23/30 

(54) ТЕРМОСТАТ

Изобретение относится к технике . термосТагирования, а именно к устроит ствам для термостатирования различных элементов и приборов, например чувствительных систем гравиметров, и может быть использовано в различных областях техники, где необходимо поддержание постоянной температуры отдельньох элементов или систем.

Известны термостаты, содержащие те плои золяцион ный кожух, вкотором размещена термостатируемая камера. с нагревателем на. ее боковой поверхности . f 11.

В таких термостатах датчик температуры измеряет ее в какой-либо фиксированной точке или среднюю по поверхности камеры. При этом температурное поле камеры существенно меняется при изменении внешней температуры , по длине возможны большие градиенты температуры, что не позволяет обеспечить высокую точность термостатирования г

Известен также термостат, содержащий теплоизоляционный кожух, внутри которого расположена термостатируемая камера с нагревателем и датчиком температуры. Для повышения точности термостатирования внутри

камеры такого термостата установлен металлический стержень с дополнитель-. ным нагревателем С23.

Однако разнесенность нагревателя и датчика приводит к фазовому запаздыванию и самовозбуждению системы регулирования при больших коэффициентах передачи в цепи обратной связ11, что снижает точность термостатиро10вания. /

Для уменьшения потерь тепла в качестве теплоизоляционного кожура используют сосуд Дьюара, что- позво15ляет уменьшить размерял термостата, а для повышения точности работы системы регулирования уменьшают тепло-, вое сопротивление между нагревателем и камерой термостата, для чего про20вод нагревателя наматывают непосредственно на поверхность камеры в один слой. При этом наимеиьи ую погрешность, как известно, имеют системы пропорционального терморегулирования

25 с объединенным измерительным и нагревательным элементами, так. как IB этом случае запаздывание в системе регулирования минимально, что позваляет повысить точность стабилиза-

30 дии температуры.

Наиболее близким по технической сущности,к предложенному является термостат, содержащий сосуд Дьюара с теплоизоляционной пробкой и камерой тепла, на поверхности которой размещен основной нагреватель, подключенный к блоку управления. Для повышения точности работы термостат снабжен дополнительным нагревателем размещенным на теплоизоляционной пробке 3,

В таком термостате снижено влияние изменения температуры окружающе среды на распределение температурного поля, однако и здесь отсутствует выравнивание температурных градиентов. Датчик регистрирует интегральную температуру объекта, тогда как по длине объекта возмохсны большие градиенты температуры. Это не позволяет достичь высокой точности термостатирования, особенно необходимой в термостатах гравиметров.

изобретения является повышение точности термостатирования путем обеспечения максимального теплового контакта термочувствительной части измерительно-нагревательной обмотки термостата с термостатируемым объектом ,

Поставленная цель достигается тем, гто в термостате., содержащем сосуд .Дьюара с расположенным в нем тепловыравнив.ающим корпусом, па котором размещена связанная с блоком управления измерительно-нах ревательная обмотка, и теплоизоляционную пробку с первым нагревателем, на внутренней поверхности тепловыравнивающего корпуса в срэднеу части выполнен связанный с термостатируемым объектом выступ, на котором размещена термочувствительная часть измерительно-нагревательной обмотки причем в верхней части тепловыравнивающего корпуса установлен второй нагреватель, включенный параллельно С измерительно-нагревательной обмоткой .

Таким образом, объект термостатиров.ания имеет непосредственный контакт только с термочувствительным плечом моста, а часть корпуса, на которой размещена остальная обмотка, изолирована от объекта воздушным слоем (порядка 5 мм), создающим большое тепловое сопротивление между объектом и корпусом в зоне отсутстВИЯ прямого контакта с термочувствительным плечом.

Кроме того, для обеспечения минимальных градиентов температуры по длине термостатируемого объекта в верхней части тепловыравнивающего корпуса установлен второй дополнительный нагреватель, включенный параллельно с измерительно-нагреватель ной обмоткой и компенсирующий неоднородность теплового сопротивления корпуса с внешней средой.

За счет такого выполнения термостата повышается точность термостатирования, так как обеспечивается минимальный перепад между термостатируемым объектом и термочувствительным плечом измерительной схемы, т.е. максимальная теплопередача между ними.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема предложенного термостата, на фиг. 2 - схема терморегулирования.

Термостат, содержит сосуд Дьюара 1 с теплоизоляционной пробкой 2, внутри которой установлены первый нагреватель 3 выполненный в виде однослоной обмотки, и дифференциальный усилитель 4, связанные с термочувствительным мостом 5 и блоком управления (не показан).

Внутри сосуда Дьюара размещен тепловыравнивающий корпус 6, выполненный из материала с высокой теплопроводностью в форме закрытого цилиндрического стакана,.на боковой поверхности которого размещена измерительно-нагревательная обмотка в виде бифилярной намотки медных и. . манганиновых проводов (термочувстви тельный мост) .

Внутри тепловыравнивающего корпуса 6 установлен термостатируемый объект 7, к которому прилегает выступ 8 тепловыравнивающего корпуса, выполненный в средней части тепловыравнивающего корпуса 6. При этом термочувствительная часть 9 измерительно-нагревательной обмотки расположена на выступе тепловыравнивающего корпуса в зоне теплового контакта с терм статируе /ш м объектом.

В верхней части корпуса размещен второй нагреватель 10 в виде однослойной обмотки, включенный.параллелно с измерительн.о-нагревательной обмоткой. Корпус окружен слоем 1-1 изоляции, например мипорой.

. Терморегулирование предложенного термостата осуществляется по схеме с объединенным измерительно-нагревательным мостом.

Схема (см. фиг. 2) содержит термочувствительный .мо.ст, в котором сопротивления R1 ji R2 выполнены из медного провода и йвляются термочувствительными элементами, а сопротивления R3 и Rk выполнены из манганинового провода, сопротивление которого не зависит от температуры. Такая мостовая схема является саморегулирующейся, т.е. одновременно служит и датчиком температуры и нагревателем (исполнительным элементом), К входу моста параллельно подсоединены первый нагреватель R5 (фиг. 1, п, 3) и второй нагреватель R6 (фиг, 1, п. 10). На выходе моста установлен дифференциальный усилитель (фиг. 1, п. 4), связанный с блоком управления 12 и источником постоянг.ного напряжения 12В, Термостат работает следующим образом. Через блок-управления на термочувствительный мост 5 и включенные параллельно ему обмотки 3 и 10 пода ют напряжение.питания. При изменении температуры термостатируемого объекта 7 сигнал разбаланса с моста поступает на входа дифференциальног усилителя 4, а затем - на усилитель мощности блока управления, который в случае увеличения температуры уменьшает напряжение, подаваемое на мостовую схему, инаоборот. . Температура термостатирования Т определяется по формуле Т Т т +ДТ ,. где Тд - температура баланса моста; ДТ - отклонение температуры от точки баланса моста. При отклонении температуры объекта от точки баланса моста(см.фиг. в результате изменения сопротивлени термочувствительных элементов R1 и R2 на диагонали моста возникает сиг нал разбаланса (f U, который подаетс на вход дифференциального усилителя (fu Л ДТ, (2) где и - выходное напряжение дифференциального усилителя; oi - температурный коэффициент сопротивления меди, С выхода дифференциального усили теля 4 через блок управления 12, со держащий усилитель мощности, на тер мочувствительный мост и нагреватели R5 и R6 подается напряжение и . К cfU,(3) где К - коэффициент усиления дифференциального усилителя. Из формул. (2)и (3) получаем Затем из формул (1) и (4) опреде ляем значение температуры термостатированияТ Т + -Ij.. (5) т о oL В термостатах известных конструк ций полученное соотношение (5) опре деляет температуру датчика температуры (измерителя), Использование данной схемы терморегулирования в предложенной теплофизической конструкции термостата позволяет осущест влять регулирование температуры объ кта, находящегося в непосредственном, тепловом контакте только с термочувствительными элементами моста. Технико-экономическая эффективность использования изобретения обусловлена снижением термических погрешностей , определяемых характером теплообмена в месте контакта с датчиком температуры. В предложенном термостате обеспечивается прямой контакт термочувствительного плеча моста с термостатируемым объектом, за счет чего температура датчика максимально приближается к температуре объекта термостатирования. Введен также второй регулируемой нагреватель, позволяющий свести к минимуму градиенты температуры по всему термостатируемрму объекту, что особенно важно для гравии/ютров. в результате этого снижается инерционность термостата и повьааается точность термостатирования. Использование предлагаемого термостата обеспечивает по сравнению с известными увеличение коэффициента термостатирования до величины порядка 2 10 (лучшие термостаты известных гравиметров 1-го класса, например ГАГ-2, имеют коэффициент термостатирования не более 500) , уменьшение времени выхода в рабочий режим и улучшение выравнивания градиентов температуры по всему термостируемому объекту. Формула изобретения Термостат, содержащий сосуд Дьюара с расположенным в кем тепловыравни-Бающим корпусом, на котором размещена связанная с блоком управления измерительно-нагревательная обмотка, и теплоизоляционную пробку с первым нагревателем, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности термостатирования, на внутренней поверхности тепловыравнивающего корпуса в средней части выполнен связанный с термостатируемым объектом выступ, иа котором размещена термочувствительная часть измерительнс|нагревательной обмотки, пРИчем в верхней части тепловыравнивающего корпуса установлен второй нагреватель, включенный параллельно с измерительнонагревательной обмоткой. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Кейн В. М. Конструирование терморегуляторов. М., Советское радио , 1971, с. 55, . 2. Авторское свидетельство СССР 414574, кл. G 05 О 23/30, 1972, 3, Авторское свидетельство СССР № 596924, кл, G 05 О 23/30, 1976 (ПРОТОТИП),