Терморегулятор

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 51) 5 6 05 О 23/1 ЫЙ КОМИТЕТЯМ И ОТКРЫТИЯМ ГОСУДАРСТПО ИЗОБРЕТПРИ ГКНТ С ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ОУУ СВИДЕТЕЛЬСТ В термометр ильный реения (3), 1 еватель (5), ждения (6), определя- аналоговых рукторское бюзводствен ногоа"оропаев о СССР 1976,о СССР4, 1980. 1(56) Авторское свидетельствМ 623194, кл, 6 05 0 23/19Авторское свидетельствМ 1118976, кл. О 05 О 23/2 Изобретение относится к автоматическому регулированию температуры, в частности к прецизионным регуляторам температуры, входящим в системы термостатирования измерительных ячеек приборов, предназначенных для массовых определений диэлектрических характеристик диэлектриков,Известно устройство для регулирования температуры, содержащее резистивный термочувствительный мост, к выходной диагонали которого подключен блок управления, связанный со вторым блоком управления, В одно из плеч термочувствительного моста включен платиновый термометр сопротивления, а в другое потенциометрический четырех- разрядный декадный задатчик.Недостатками терморегулятора являются, во-первых, сложность коммутирующей схемы задатчика, во-вторых, большая погрешность задания температуры термостатирования ( +.2 С),Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является терморегулятор БТП, содержащий усилитель напряжения, к выходу которого подключен усилитель мощности с исполнительными(57) Терморегулятор содержит 1 сопротивления (1), 1 термостаб зистор (2), 1 усилитель напряж усилитель мощности (4), 1 нагр 1 исполнительный элемент охла 1 цифровой программатор (7), 1 ющий усилитель (8), 2 цифро преобразователя (9, 10), 1 ил. элементами нагрева и охлаждения, программатор, термометр сопротивления, (Я включенный в первое плечо измерительного ( моста, к измерительной диагонали которого подключен вход усилителя напряжения, задатчик, выключенный в противоположное плечо измерительного моста и выполненный в виде двух последовательно соединенных резисторов, между точкой соединения г 4 которых и вершиной питающей диагонали д моста через замыкающие контакты ключей, ф управляющие входы которых связаны с выходом программатора, включены тетрады 1 рр двоичновзвешенн ых резисторов, соответствующие десятым долям, единицам, десяткам и сотням градусов цельсия,Недостатками терморегулятора яелякгт-,мяа ся, сложность, большое энергопотреблениед и низкая надежность коммутирующей части схемы задатчика температуры, состоящей из 16 ключей и 19 эталонных резисторов, а также неидеальность сопряжения передаточной функции задатчика температуры со статической характеристикой термометра сопротивления, ограничивающая точность задания температуры.(3) Баланс моста в рассматриваемом терморегуляторе описывается следующим уоавнением; В, + К 1+А 1+ ВР) Ц 5+Ццийй где В 1 - сопротивление балластного резистора, включенного последовательно с термометром сопротивления, описываемого Функцией В 1 = ВО(1+ Ат+ Вт );г,Ц 5, Ц 4 - проводимости последовательно включенных резисторов, образующих противоположное плечо моста;Лц - проводимость резистора, включенного в тетраду градусов и соответствующего изменению задания температуры на один градус;: - заданная температура, С;ВО - сопротивление термометра при 0 С; В 2 и Вз - сопротивления резисторов, образующих третье и четвертое плечи моста,Делая допущения Ц 5+ ц 4 Лц т, преобразуем уравнение баланса моста (1) В 1+ В,(1+А+ ВР) ц 5+Ь т,"В 1+ Во (1+ Ат+В 1 )1Ц 4 + Ц 5ц 4 В 2 Вз в (Ц 5 1 4 Х + Ц 5 Ч 4 + Ц 5 ля) Пренебрегая в разложении членами выше второго порядка., получим ряд уравнений, связывающих параметры задатчика и термометра сопротивления, Для этого приравняем коэффициенты при нулевой, первой и второй степенях 1 в правой и левой частях уравнения (2): В 1+ ВО( - + - ) = В 2 ВЗ; 1, 1 Ц 4 Ц 5(5) Кз уравнений (3), (4) и (5) имеем р, з5 Ц 4 =ЦВгВз В 2 10Подставляя (7) и (8) в (3), находим уравнение для определения балластного сопротивления В 1: При расчете параметров задатчика тер- морегулятора проводимости резисторов ц 4 и ц 5 приходится выбирать из двух противоречивых соображений: во-первых, чем выше ц 4 и ц 5, тем лучше сопряжение передаточной функции задатчика со статической характеристикой термометра, во-вторых, чрезмерное увеличение ц 4 и ц 5 снижает чувствительность терморегулятора, Выбор параметров терморегулягора упрощается, если в уравнениях (3) - (9) принять Ц 4 ц 5.30 Тем не менее, проводимость ц 4 не можетбыть выбрана как уголно большой, так как при этом и квантующая проводимость Лц должна быть тоже увеличена до таких пределов, что невозможно будет реализовать двоичновзвешенные татрады, так какВ,ЛС . -С 14,Целью изобретения является упрощение терморегулятора при одновременном 40 повышении его надежности и точности задания температуры.Поставленная цель достигается тем, чтов терморегулятор, содержащий усилитель напряжения, к выходу которого подключены усилитель мощности с исполнительными элементами нагрева и охлаждения, программатор, термометр сопротивления и термостабильный резистор, первые выводы которых соединены с входом усилителя напряжения, дополнительно введены операционный усилитель, выход которого соединен со вторым выводом термометра сопротивления и два цифроаналоговых преобразователя, цифровые входы которых соединены с выходом программатора, а выход первого цифроаналогового преобразователя соединен с первым суммирующим входом операционного усилителя и входом опорного сигнала второго цифроаналогового преобразователя, выход которого связан с вычитающим(4) вход ом операционного усилителя, второй При изменении температуры в термосуммирующий вход которого соединен с ис- стате(например, из-за изменения окру жаюточником опорного напряжения, вторым щей температуры) сопротивление выводом термостабильного резистора и термометра 1 изменяется, баланс моста навходом опорного сигнала первого цифроа рушается и на входе усилителя 3 появляется налогового преобразователя, сигнал разбаланса, который усиливаетсяВведение первого ЦАП, цифровые вхо- усилителями напряжения 3 и мощности 4 и ды которого связаны с выходом программа- в зависимости от полярности сигнала управ- тора, позволяют формировать напряжение, ляет нагревателем 5 или исполнительным пропорциональное заданной температуре 10 элементом охлаждения 6. В результате темрегулирования. пература в термостате восстанавливается.Введение второго ЦАП, цифровые вхо- При изменении цифрового сигнала на ды которого также связаны с выходом про- выходе программатора 7 (в ручном или автограмматора, а вход опорного сигнала - с матическом режиме задания температуры) выходом первого ЦАП, позволяет формиро цифровой код, соответствующей заданной вать поправку, учитывающую квадратичный температуре регулирования, поступает на характер характеристики платинового тер- вход цифроаналоговых преобразователей мометра сопротивления, что в конечном и 10. В результате на выходе ЦАП 9 появляитоге повышает точность задания темпера- ется напряжение, пропорциональное протуры регулирования, 20 изведению заданной температуры иВведение инвертирующего операцион- опорного напряженияного усилителя позволяет подавать на тер- О 9 = к 9 От, (1)мометр сопротивления сумму напряжений, где О 9 - напряжение на в ходе Ца именно соответствующего реперной тем- К 9 - коэффициент передачи ЦАП 9;пературе(например, 0 С) и пропорциональ с - заданная температура;ного заданной температуре регулирования О - напряжение опорного источника, (с первого ЦАП), а также учитывающего квад- поступающее одновременно на термостаратичный характер статической характеристи- бильный резистор 2, второй суммирующий ки термометра сопротивления (со второго вход операционного усилителя 8 и вход ЦАП). Инвертирование напряжения, подава опорного сигнала ЦАП 9.ого на термометр сопротивления, по от- С выхода ЦАП 9 напряжение О поступаеми а и- ношению к опорному напряжению, ет на первый суммирующии вход опер ц - подаваемому на термостабильные резисто- онного усилителя 8 и на вход опорного ры, позволяет получить нулевой сигнал на сигнала ЦАП 10, на выходе которого уста- входе усилителя напряжения при достиже навливается напряжение.нии объектом температуры, равной заданно 2му значению. 010 = к 9 к 10 От, (2)На чертеже приведена принципиальная где 110 - коэффициент передачи Ц АП 10. схема предлагаемого терморегулятора, Напряжение О 10 поступает на вычитаюТерморегулятор содержит термометр 40 щий вход операционного усилителя 8, высопротивления 1, термостабильный рези- ходное напряжение которого имеет вид стор 2, усилитель напряжения 3, усилительмощности 4, нагреватель 5, исполнитель- О 8 = -к 81 О - к 82 О 9+ к 83010 (3) ный элемент охлаждения 6, цифровой про- где 181, 182, Квз - коэффициенты передачи грамматор 7, операционный усилитель 8 и 45 операционного усилителя 8 по первому и цифроаналоговые преобразователи 9 и 10, второму суммирующим входам и третьемуТерморегулятор работает следующим вычитающему соответственно.Напряжение О 8 поступает на термометр соПусть в исходном состоянии на выходе противления, Баланс моста (нулевой потенпрограмматораприсутствует цифровой код, 50 циал на входе усилителя напряжения 3) соответствующий заданию температуры будет иметь место при равенстветоков, протермостатирования 0 С, температура в тер- текающих через термометр сопротивления мостате также равна 0 С и сопротивление 1 и термостабильный резистор 2;термометра 1 равно Во. При этом на входеусилителя 3 отсутствует сигнал разбаланса, 55 О 8 + О -так как в этот момент сопротивление термо- сстабильного резистора 2 и термометра 1равны и на них подаются напряжения про- где Я - сопротивление термометра при зативоположного знака, равные по абсолют- данной температуре;ной величине.(7) 40 45 50 В 2 - сопротивление термостабильного резистора 2.Сопротивление платинового термометра достаточно точно описывается квадратичной функцией в широком диапазоне :емпературЯ = Ро(1 + А 1 + Вт ), (5)где Я - сопротивление термометра при температуре т;Й 0 - сопротивление термометра при реперной температуре т 0, обычно равной 0 С;А =- 3,908 10; В =5,802 10 - коэффициенты., учитывающие кривизну статической характеристики термометра сопротивления,Подставляя в (4) выражения (3) и (5) и учитывая (1) и (2), получим 1 к 81 + к 82 к 9к 83 к 9 к 10 т ( ),гВ 2 К,(1+ Ат+ В 2) Из (б) очевидно, что заданная температура в термостате установится при выполнении следующих условий: Уравнения (7) имеют практическую ценность, так как позволяют рассчитать параметры элементов терморегулятора, оаеспечивающие идеальное сопряжение передаточной функции задатчика температуры со статической характеристикой термометра сопротивления и обеспечить более высокую точность задания температуры,Введение двух ЦАП и операционногоусилителя взамен позволяет отказаться от 5 коммутирующих элементов и эталонных резисторов двоично взвешенных тетрад, что упрощает устройство, повышает надежность и снижает энергопотребление и массогабаритные характеристики терморегулятора, 10 Формула изобретенияТерморегулятор, содержащий усилительнапряжения, к выходу которого подключены усилитель мощности с исполнительными элементами нагрева и охлаждения, про грамматор, последовательно соединенныетермометр сопротивления и термостабильный резистор, объединенные выводы которых поисоединены к входу усилителя напряжения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, 20 с целью упрощения при одновременном повышении надежности и точности задания температуры, в него дополнительно введены операционный усилитель, выход которого связан с вторым выводом термометра 25 сопротивления, и два цифроаналоговыхпреобразователя, цифровые входы которых соединены с выходом программатора, а выход первого цифроаналогового преобразователя соединен с первым суммирующим 30 входом операционного усилителя и входомопорного сигнала второго цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с вычитающим входом операционного усилителя, второй суммирующий вход кото рого соединен с источником опорного напряжения, с вторым выводом термостабильного резистора и входом опорного сигнала первого цифроаналогового преобразователя,1734083 5 оставитель Ю,Подгорныехред М.Моргентал орректор О.Кравцов едактор Н,Горват Заказ 1670 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 НТ ССС Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101