Термокриостат

Изобретение относится к экспери."ментальной физике и химии, в частности к устройствам стабилизации иширокодиапазонного регулированиятемпературы образцовдиэлектрических материалов, исследуемых в приборах для определения диэлектрических характеристик.Известен термокриостат, содержащий систему нагрева, систему охлаж-.дения, устройство перемешивания теплоносителя и цифровой терморегулятор 11 .Однако этот термокриостат характеризуется недостаточно широким диапазоном температуры, Кроме того,теплоносителем служит жидкость, чтосоздает неудобства в эксплуатации.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсятермокриостат, содержащий теплоизолированный корпус с расположеннойв нем с зазором рабочей камерой, накоторой размещены нагреватель икольцевой распылитель хладагента,связанный с выходом устройства дпя,хранения и подачи хладагента, ипропорционально-позиционный регулятор температуры, состоящий иэ последовательно соединенных программного задатчика температуры, цифроаналогового преобразователя и схемысравнения, ко второму входу которойподключен датчик температуры, выход схемы сравнения через первый ивторой Формирователи управляющегосигнала подключен соответственноко входам первого и второго усилителя мощности,. выход первого изкоторых связан со входом устройствадля хранения и выдачи хладагента,а выход второго связан с нагревателем 123,Недостатками термокриостата являются наличие градиента температуры в рабочей камере и большаяпогрешность стабилизации температур, близких к окружающей.Цель изобретения - уменьшениеградиента температуры в рабочей камере и повьааение точности термоста"тирования. 51015 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 60 65Поставленная цель достигается тем, что термокриостат снабжен отражателем, выполненным из теплопроводного материала в виде усеченного конуса, закрепленного меньшим основанием на теплоизолированном корпусе, дополнительным нагревателем, третьим формирователем управляющего сигнала, задатчиком коэфФициентов преобразования и третьим / усилителем мощности, связанным с дополнительным нагревателем, дешифратором и инвертором, выход которого подключен к управляющему вхо. ду первого формирователя управляющего сигнала, вход инвертора подключен к управляющему входу второго формирователя управляющего сигнала и выходу дешифратора, вход которого связан с информационным входом третьего Формирователя управляющего сигнапа, с входом цифро-, аналогового преобразователя и с выходом программного задатчика температуры.Третий формирователь управляющего сигнала содержит последовательно соединенные коммутатор, цифро-аналоговый преобразователь и формирователь импульсов управления.На чертеже изображена функциональная схема термокриостата.Термокриостат содержит теплоизолированный корпус 1, в котором распо" ложены центробежный вентилятор 2, рабочая камера 3, состоящая из полого цилиндра и усеченного конуса, датчик 4 температуры, кольцевой рас" пылитель 5 хладагента, основной б и дополнительчый 7 нагреватели. В термостатируемую рабочую камеру 1 помещается термостатируемый объект 8 (измерительные ячейки диэлькометров с образцами диэлектриков), укрепленный на отражателе 9, .который в свою очередь прикреплен к корпусу 1 через теплоизолирующие прокладки 10. Термокриостат содержит также устройство 11 для хранения и выдачи хлад- агента, представляющее собой трубоПровод, герметично закрепленный на горловине сосуда Дьюара, с располо-. женными на нем электромагнитным клапаном и нагревателем, погруженным в жидкий хладагент. Выход трубопровода подключен к кольцевому распылителю 5 хладагента, Кроме того,. термокриостат содержит пропорционально-позиционный регулятор температуры, состоящий из последовательно соединенных программного задатчика 12 температуры, цифро-аналогового преобразователя 13 и схемы 14 сравнения, ко второму входу которой подключен датчик 4 температуры, формирователей 15-17 управлякяце го сигнала с усилителями 18-20 мощ-, ности, дешифратора 21, инвертора 22 и задатчика 23 коэффициентов преобразования. Формирователь 17 управляющего сигнала состоит из последовательно соединенных коммутатора 24, цифро-аналогового преобразователя 25 и формирователя 26 импульсов управления, через усилитель 20 мощности связанного с дополнительным нагревателем 7; Задатчик 23 коэффициентов преобразования состоит из четырех переключателей 27-30, выхощы которых подключены к управляющим входам коммутатора 24 . Информационный вход коммутатора 24 Формирователя 17Иеобходимая температура или закон ее изменения ) задается программным 45 ; задатчиком 12, выходной сигнал которого стандартный четырехразрядный двоично-десятичный код )через цифро-аналоговый преобразователь 13 подается на схему 14 сравнения, где сравнивается с сигналом датчика 4 температуры, Раэностный сигнал подается иа информационные входы формирователей 15 и 16 управляющего сигнала. В случае, когда температура в рабочей камере 1 выше заданной и на управлякщем входе Формирователя 15 присутствует сигнал, соответствующий логической "1", форьврователь 15 вырабатывает релейный сигнал, который, усиливаясь усилителем 18 мощности, 6 О включает электромагнитный клапан и нагреватель устройства 11 для хранения и выдачи хладагента. Хладагент начинает испаряться и под давлением поступает в распылитель 5 и из него 65 В диапазоне заданных задатчиком 12 .температур от -180 до -49,9 С на выходе дешифратора 21 и на управляющем входе Формирователя 16 присутствует логический "0", запрещающий работу терморегулятора по 1 каналу нагрева. На управляющем входе формирователя 15 при этом присутствует логическая "1" и работа канала охлаждения производится, как.описано выше. управляющего сигнала связан с выходом программного задатчика 12 и выходами цифро-аналогового преобравателя 13 и дешифратора 21, выход которого связан с управляющим входом формирователя 16 управляющего 5 сигнала и через инвертор 22 с управляющим входом формирователя 15 управляющего сигнала. Информационные входы Формирователей 15 и 16 управляю- щего сигнала связаны с выходом схемы 10 14 сравнения, а их выходы через усилители 18 и 19 мощности связаны с устройством 11 для хранения и вы-дачи хладагента и основным нагревателем б соответственно . 15Жермокриостат работает следую- щиМ образом.При включении термокриостата подается напряжение на электродвигатель центробежного вентилятора 2, 2 О который нагнетает теплоноситель (пары хладагента в диапазоне температур от -180 до -50 С .или воздух в диапазоне температур от 50 до 500 С) ;в зазор между стенками теплонэоли рованного корпуса.1 и рабочей каме-. рой 3. При этом теплоноситель проходит сквозь спирали нагревателей б и 7, огибает распылитель 5 хлад- агента и,отражаясь отражателем 9,посту пает в термостатируемлй объем, обтекая термостатируемый объект 8. При этом отражатель 9 формирует поток теплоносителя, повышая интенсивность перемешивания, служит хорошим проводником тепловой энергии между теплопроводящими стенками теплоизолироваииого корпуса 1, рабочей камерой 3 и термостатируеьим объектом 8, со-здавая замкнутую тепловую поверхность, а также допопнительно фэкранирует" термостатируеьий объем от окружающей среди. в рабочую камеру 3, понижая в последней температуру. При достижении равенства температуры в рабочей камере 3 и заданной эадатчиком 12 раэностный сигнал на выходе схемы 14 сравнения становится равным нулю, в результате чего релейный сигнал на выходе формирователя 15 также становится равным нулю и устройство 11 для хранения и выдачи хладагента выключается, прекращая поступление хладагента в рабочую камеру 3. В результате температура в последней повьюается и процесс периодически повторяется, осуществляя регулирование температуры в рабочей камере 3 по каналу охлаждения. При наличии логического "0" на управляющем входе формирователя 15 релейный сигнал на его выходе равен нулю при любом значении разностного сигнала на выходе схемы 14. Следовательно, в этом случае хладагент в рабочую камеру 3 не поступает и регулирования по канулу охлаждения не происходит. В случае, когда температура в рабочей камере ниже заданной и на управляющем входе Формирователя 16 присутствует логическая "1", последний вырабатывает аналоговый сигнал, пропорцио" нальный разностному сигналу с выхода схемы 14. Этот сигнал, усиливаясь усилителем 19 мощности, подается на нагреватель 6, В результате температура в рабочей камере 3 начинает повышаться, разностный сигнал с выхода схеьы 14 уменьшается, уменьшая сигнал формирователя 16 и, как следствие, мощность, выделяемую на на" гревателе 6. В результате на нагревателе 6 выделяется мощность, достаточная" для компенсации .тепловых потерь термокриостата. В данном случае осу" ществляется пропорциональное регулирование температуры в рабочей камере 3 по 1 каналу нагрева. При наличии логического "0" на управляющем входе Формирователя 16 сигнал на его выходе отсутствует при любом значении разностного сигнала с выхода схем 14 и регулирования по 1 каналу нагрева не происходит,Логические сигналы, подаваеьые на управляющие входы Формирователей 15 и 16, вырабатываются дешнфратором 21 и инвертором 22.В диапазоне заданных задатчикбм12 температур от 50 до 500 С на выходе дешифратора 21 и на управляющем входе формирователя 16 присутствует логическая "1" и работа терморегулятора по 1 каналу нагревапроизводится, как описано выше. Науправляющем входе формирователя 15при этом присутствует логический фО"запрещающаий работу терморегулчторапо каналу охлаждения,Двоично-десятичный код, соответствующий заданному значению температуры 1 д) поступает также на информационный вход коммутатора 24 формирователя 17 управляющего сигнала. 15На управляющие входы коммутатора 24подаются сигналы в двоично-десятичном коде с переключателей 27-30 задатчика 23 коэффициентов преобразования. Переключателями 27-30 перед 20включением термокриостата задаютсякоэффициенты преобразования, исходяиз заранее определенной статическойхарактеристики термокриостата с каждым конкретным объектом термостатирования.С выхода коммутатора 24 на входцифро-аналогового преобразователя25 поступает двоично-десятичный код,численное значение которого равно 30произведению Кзддгде к, - соответствукший коэффициентпреобразования,,д- значение температуры, заданной задатчлком 12, 35При этом в диагазоне температур от0 до 49,9 С выходной сигнал коммута тора 24 равен К 1 где К - число,установленное переключателем 27. Вдиапазоне температур от 50 до.199,9 С 4выхогной.сигнал коммутатора 24 равенК 2 " 1 д, где К - числоУстановленное переключателем 28. В диапазонетемператур от 200 до 349,9 С выходной сигнал коммутатора 24 равенз щ, где КЗ - число, установленное45переключателем 29. В диапазоне температур от 350 до 500 С выходной сигнал коммутатора 24 равен Кд к д где К - число, установленное переключателем 30. В диапазоне температур от -180 до -0,1"С выходной сигнал коммутатора равен нулю.С выхода цифро-аналогового преобразователя 25 аналоговый сигнал, пропорциональный К; 1,дд , через формирователь импульсов управления и усилитель 20 мощности поступает на нагреватель 7, благодаря чему на последнем выделяется мощность, пропорциональная К 1,дд. Таким образом, в диапазоне температур от -180 до -0,1 С. работает только канал охлаждения. В диапазоне температур от О.одо +49,9 С работает канал охлаждения и П канал нагрева (нагреватель "7). В диапазоне температур от 50 до 500 С работают оба канала нагрева, При этом для эффективной работы термокриостата коэффициент КЛ выбирается таким, чтобы температура в рабочей камере была бы на 15-20 С выше заданной, если бы канал охлаждения был выключен. Коэффициенты К- К вы- бираются такими, чтобы мощность, выделяемая на нагревателе 7, всегда составляла 70-80 полной мошности, потребляемой термокриостатом при данной температуре.Предлагаемый термокриостат обес" печивает стабилизацию и программное изменение температуры во всем диапазоне от -180 до 500 С с погрешностью не более + 0,3 С у прототипа - базового объекта ВТК+ 0,5 С) Градиент температуры не превьпаает 0,1 С/см при 500"С, что в 3 раза меньше, чем у базового объекта. Термокриостат обеспечивает "сквозное" программное изменение температуры как в сторону уменьшения, так и в сторону повышения и, что особенно важно при исследовании температурных зависимостей диэлектрических характеристик материалов, "безударный" переход через диапазон температур, близких к окружающей + 10 С от окружающей) .106748 З Составитель. В. Барабашедактор Н. Киштулинец . ТехредЛ.Микеш КорГ е 847венного комитета ССтений и открытий35, Раушская наб.,Пот исноСР аказ 11209/5 Тира ИПИ Государст делам изобре 5, Москва, Жп130 4/5 илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проект 4