Устройство для регулирования температуры

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 140780 (21) 2956136/18-24 3М. КП. с присоединением заявки Мо(23) Приоритет -й 05 П 23/19 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийДата опубликования описания 170882(72) Авторы изобретения Г.В. Чувиков, С.Д.=Сидяков и Д.В. Зел Тульский ордена Трудового Красного Знаме политехнический институт(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Изобретение относится к автомати-,ческому регулированию, в частностик устройствам регулирования температуры с ВысОКОЙ тОчнОстью,По основному авт.св. Р 613305известно устройство для регулирования температуры, содержащее последовательно соединенные термочувствительный мост, усилитель, широтно-импульсный модулятор, выполненный,например, в виде ждущего мультивибратора, ключевой элемент и источникпитания, причем термочувствительныймост подключен к источнику питаниячерез ключевой элемент, управляющийвход которого связан с выходом широтно-импульсного модулятора 1) .Одним из недостатков известногоустройства является то, что срабатывание ждущего мультивибраторапроисходит при некотором разбалансемоста, всегда отличном от нуля. Величина. разбаланса моста при его неизменной температуре, как известно,пропорциональна напряжению питания,следовательно, изменения напряженияпитания 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, гденеобходимость высокого КПД источника питания затрудняет применение мощных стабилизаторов. Кроме того, источник питания должен обладать и весьма малыми пульсациями, потому чтои быстрые колебания напряжения могутвызывать преждевременные срабатыва"ния мультивибратора и изменение величины регулируемой температуры.Вторым недостатком является то,что напряжение от источника питанияподается на термочувствительный мостчерез открытый ключевой элемент, значит и при высокостабильном источникепитания нестабильность величины падения напряжения на открытом ключевомэлементе вызывает изменение напря"жения на термочувствительном мосту,т.е. точность регулирования ухудшает ся.Третьим недостатком является то,что процесс нагрева термочувствительного моста и измерение его температуры совмещены во времени, когда клю чевой элемент открыт, т.е. в моментзамера мост интенсивно нагревается иотдает тепло в термостатируемыйобъем, следовательно, температурамоста в этот момент превышает температуру термостатируемого объема, чтовызывает неточность в определении 5температуры.Цель изобретения - повышение точности устройства.Поставленная цель достигается тем,что в устройство введены дополнитель ный источник питания и ограничительуровня, подключенный к неинвертирующему входу дифференциального усилителя,а дополнитвльныйисточникпитания подключен к входной диагонали термочувствительного моста.В частном случае, когда уровеньсрабатывания ждущего мультивибратора имеет отрицательную величину,ограничитель уровня можно исключить.На фиг,1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства,на фиг.2 - вариант выполнения дополнительного источника питания.Устройство для регулирования.температуры состоит из источникапитания 1 и последовательно соединенных ключевого элемента 2, термочувствительного моста 3, усилителя 4,ждущего мультивибратора 5, соединенного с управляющим входом ключевогоэлемента 2. К термочувствительномумосту 3, состоящему из резисторов6,7,8 и 9, подсоединен также дополнительный источник питания 10, ак одному из входов усилителя 4 подключен ограничитель уровня 11, Ограничитель 11 может быть выполненна стабилитроне 12, постоянно подключенном через резистор 13 к источнику вспомогательного напряжения 40Оп., а "+" вход усилителя 4 подключен через диод 14 к стабилитрону12. Для улучшения работы усилителя4 применено типовое решение уравновешивания величин сопротивлений для 45"+" и "-" входов усилителя, длячего вводится резистор 15, а длязащиты входов микросхемы от больших напряжений целесообразно применить типовую схему защиты на диодах 16 и 17. Между выходом мостаи "+" входом усилителя включен резистор 18 достаточно большого сопротивления,Дополнительный источник питаниясодержит батарею 19, последовательно с регулирующим элементом, выполненным на транзисторе 20, включендиод 21, защищающий от обратныхнапряжений транзистор 20, а ко входу операционного усилителя 22, подсоединенному через резистор 23 квыходу источника 10, подключен ограничитель уровня напряжения, состоящий из диода 24 и источника ограничивающегонапряжения 25. 65 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 мульти- вибратор 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, йри 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 ра10 15 20 25 30 35 40 4 50 55 60 ботает до тех пор, пока температурамоста 3 не превышаетзаданную величину, тогда полярность раэбалансамоста изменяется на обратную и навыходе усилителя 4 положительныйпотенциал в момент. измерения температуры моста уже не возникает, ждущий мультивибратор 5 не запускаетсяи закрытый ключевой элемент 2 непередает напряжение от источникапитания 1 на мост, тогда напряжениена мосту 3 постоянно равно напряжению низковольтного источника питания 10 и процесс измерения температуры удлиняется до тех пор, покатемпература моста не уменьшится довеличины, меньше заданной, в этотмомент полярность разбаланса моста3 вновь изменяется, на выходе усилителя 4 возникает положительный потенциал, ждущий мультивибратор запускается и вновь начинается процесснагревания термочувствительного моста 3 как описано выше.В частном случае, когда уровеньсрабатывания ждущего мультивибратораимеет отрицательную величину, а."смещение нуля" усилителя таково,что в момент срабатывания ждущегомультивибратора разбаланс моста имееттакую полярность, что при плавномувеличении напряжения питания термочувствительного моста положительноенапряжение на выходе усилителя уменьшается, проходит ноль и затем изменяет полярность на обратную, то надобность в ограничителе уровня отпадает. В этом случае устройство упрощается, однако требует предварительного отбора иэ партии усилителейс наперед заданной величиной "смещения нуля", что усложняет наладкуи ремонт устройства, поэтому применимо только в лабораторных условиях.А работа устройства в этом частномслучае аналогична описанной выше.Необходимо отметить, что напряжение источника питания 10 должно бытьтакой величины, чтобы при наивысшейтемпературе окружающей среды мощность тепловых потерь от моста превышала бы мощность, выделяемую нарезисторах термочувствительного моста от источника питания 10,Достоинством предлагаемого устройства является то, что в процессеизмерения температуры источник питания 1 участия не принимает, а изменения напряжения источника 1 оказывают влияние только на скоростьнагрева термочувствительного моста,что вызывает минимальное влияниеэтого 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 полупроводниковые ключевые устройства беэ 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 Спри использовании в качестве усилителя 4,операционных усилителей в микросхемном исполнении выпускаемыми промышленностью, без специального подбора по минимальному "смещению нуля" на входе и без регулировки элементов устройства, не входящих в термонувствительный,мост. При этом допускается нестабильность источника питания 1 более 50. В этих же условиях известное устройство дает точность порядка 0,1 ОС. 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 0,001 ОС. В тех же условиях предлагаемое устройство обеспечивает более высокую точность регулирования до 0,0001 ОС.Формула изобретенияУстройство для регулирования температуры по авт.св. 9 613305, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения точности устройства,оно содержит дополнительный источник питания и ограничитель уровня,подключенный к неинвертирующему входу усилителя, а дополнительный источник питания подключен к входнойдиагонали,термочувствительного моста,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССРР 613305, кл. Ц 05 0 23/19, 1976прототип ).951253 Составитель Л. ПтенцоваРедактор М. Дылын Техред С.Мигунова Корректор А. Гриценк 5945 53 Тираж 9 4 ПодписноВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий13035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4 а ул. Проектная, 4 г, Ужго илиал ППП Пат