Термоэлектрический термостат

(Ю ОИ 4 1 3ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ьифЯфО ; п,ь й двтинй иийъсУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ОООРГО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЧИ(71) Всесоюзный ордена ТрудовогоКрасного Знамени научно-исследовательский, проектно-конструкторскийи технологический институт источников тока(56) 1. Авторское свидетельство СССРВ 560214, кл, 3 05 Э 23/19, 1974 е2. Авторское свидетельство СССРУ 682885, кл. 6 05 1) 2 Э/30, 1977(54)(57) ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕРМОСТАТ, содержащий камеру, снабженнуювнешней теплоиэоляцией, датчик температуры, расположенный на внешнейповерхности камеры и соединенный с ВИВ 6 05 Р 23 19. С 05 Р 23 30 системой регулирования, основнуютермобатарею, расположенную на торце внешней поверхности камеры, дополнительную термобатарею, теплопо"глощающие спаи которой расположенына датчике температуры, и радиаторосновной термобатареи, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповьппения точности термостатированияпри одновременном упрощении схемырегулирования в него введены тепловой шунт, соединяющий тепловыделяющие спаи дополнительной термобатареей и теплопоглощаюп 9 е спаи основной термобатареи, а также нагреватель, диоды и потенциометры, причемосновная термобатарея электрическиподключена параллельно двум цепям,образованным последовательно соединенньии соответственно первьи диодом,первьи потенциометром и дополнительной термобатареей, и вторьм диодом,включенньи встречно первому, вторьи потенциометром и нагревателем,размещенньи на датчике температуры.1Изобретение относится к регулированию и поддержанию температуры втеплофизических устройствах, основанных на эффекте Пельтье и предназначенных для стабилизации температуры различных объектов, в частности кварцевых резонаторов,Известно устройство для термостатирования в радиоэлектронной технике, где в качестве основного исполнительного органа широко используютсятермоэлектрические батареи (ТЭБ),а в качестве дополнительного - компенсационная ТЭБ 13,Недостаткам данного устройстваявляется низкая точность термостатирования ввиду отсутствия обратнойсвязи дополнительной ТЭБ с основнойи невозможности перераспределения токов между основной и дополнительнойТЭБ для компенсации ошибки термостатирования.Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности й достигаемому результату является термоэлектрический термостат, содержащий камеру термостата, снабженную внешнейтермоизоляцией, датчик температуры,расположенный на внешней поверхностикамеры и соединенный с системой регулирования, основную ТЗБ, расположенную на внешней поверхности камеры,дополнительную ТЭБ, теплопоглощающиеспаи которой. расположены на датчикетемпературы, и радиатор основнойТЗБ,Кроме того, в состав известноготермоэлектрического термостата входит радиатор дополнительной (компенсационной) батареи и блок коррекции,содержащий линейные масштабные элементы, масштабные квадраторы, сумматоры, источник опорного напряженияи нуль-орган, причем входы первоголинейного масштабного элемента и первого масштабного квадратора соединены с первым входом блока коррекции,а выходы - с выходами первого сумматора, соединенного с источникомопорного напряжения 2 3.Недостатками известного устройства являются низкая точность термостатирования и сложная система регулирования.Низкая точность термостатирования (порядка +0,5 К) обусловленаследующим. Так как ток в дополнительной ТЭБ выбирается иэ условиякомпенсации ошибки термостатирова 104481 2ния, то при работе основной ТЭБ врежиме нагрева при больших перепадахтемператур между температурой окружающей среды и температурой статирования, малый ток в дополнительнойТЭБ не может обеспечить необходимыхбольших перепадов температур в этойтермобатарее, Из-за этого возникаютзначительные некомпенсирующиеся 1 О потоки тепла через дополнительнуюТЭБ непосредственно на датчик температуры, что существенно ухудшаетточность термостатирования.Кроме того, использование блокакоррекции с линейными масштабнымиэлементами, масштабными квадраторами и сумматорами не обеспечиваетвысокую точность термостатированияввиду зависимости номинала настроечных параметров от температуры окружающей среды, При эксплуатации термостата реализация варьирования настроечных параметров в зависимости оттемпературы окружающей среды не пре дусмотрена в схемах решения блокакоррекции, в связи с чем возникающаяв этом термостате ошибка термостатирования не может быть уменьшена.Низкая точность термостатированияобусловлена значительной тепловойсвязью дополнительной (компенсационной) ТЭБ с окружающей средой ввидунепосредственного теплосъема с тепловыделяющих спаев компенсационнойТЭБ радиатором этой термобатареи.Возникающая значительная тепловаясвязь компенсационной ТЭБ с окружающей средой приводит к дополнительнымтепловым натеканиям на датчик температуры, что еще в большей степениухудшает точность термостатирования.Целью изобретения является повышение точности термостатирования приодновременном упрощении схемы регули Рования температуры.Поставленная цель достигается тем,что в термоэлектрический термостатвведены тепловой шунт, соединяющийтепловыделяющие спаи дополнительной 50термобатареи и теплопоглощающие спаиосновной термобатареи, а также нагреватель, диоды и потенциометры, причемосновная термобатарея электрическиподключена параллельно двумя цепям,образованным последовательно соеди- .55ненными соответственно первым диодом,первым потенциометром и дополнительной термобатареей, и вторым диодом, включенным встречно первому, вторым потенциометром и нагревателем, размещенным на датчике температуры.Введение нагревателя обеспечивает возможность дополнительного выделения тепла на датчике температуры, необходимое для компенсирования тепловых натеканий через дополнительную ТЭБ при работе ее в режиме нагрева при больших перепадах температур между температурой статирования и темпе О ратурой окружающей среды. Необходимость дополнительного выделения,теп,ла на датчике температуры обусловлена тем, что ток в компенсационной ТЭБ выбирается из условия уменьшения .15 ошибки термостатирования и обычно малый ток по величине не может обеспечить большой перепад температуры на термобатарее. В этом случае на датчик температуры поступает неком пенсирующийся тепловой поток из окружающей среды, что существенно понижает точность термостатирования. Введение компенсационного нагревателя, расположенного на датчике тем пературы, позволяет создать тепловой поток при работе основной ТЭБ в режиме нагрева, компенсирующий "вредные" тепловые натекания через компенсационную ТЭБ на датчик темпе- ЗО ратуры.Полученные на основе рассмотре. ния обобщенной модели термоэлектрического термостата теоретические кривые зависимости ошибки термостатирования от температуры окружающей среды для известного термостата (фиг. 3, кривая 1) и предлагаемого показывают, что введение нагревателя уменьшает ошибку термостатирования (фиг. 3, кривая 2) больше, чем в два раза (от 0,6 К для известного до 0,25 .К для предлагаемого).Введение потенциометров делает возможным выбор компенсационного сопротивления при настройке каждого термостата. Если в известном термостате настроечные параметры зависят от температуры окружающей среды и эта зависимость для каждого термос- тата имеет свой вид, то в предлагаемом выбранные при помощи потенциометров компенсационные сопротивления по" стоянны во всем диапазоне изменения температур окружающей среды. При этом компенсационное сопротивление, выбранное при помощи первого потенциометра, определяется из условия, что температура объекта при минимальной температуре окружающей средыьрассматриваемого диапазона температурокружающей среды должна быть равнатемпературе статирования. Компенсационное сопротивление, выбранноевторым потенциометром определяется из условия, что температура объекта термостатирования йри минимальной температуре окружающей средырассматриваемого диапазона температур окружающей среды должна бытьравна температуре статирования.Кривая зависимости ошибки термостатирования от температуры окружающей среды при введении потенциометров и при,выборе компенсационных сопротивлений указанным .способом уменьшает ошибку термостатирования в области нагрева основной ТЭБ от 0,25 Кдо 015 К и в области охлаждения основной ТЭБ от 0,4 К до 0,2 К (фиг.3,кривая 3),Значительная тепловая связь между тепловыделяющими спаями компенсационной ТЭБ, ее радиатором и окружающей средой также обуславливаетнизкую точность термостатированияиз-за больших тепловых натеканий надатчик температуры Эта тепловаясвязь в предлагаемом термостатеуменьшается за счет применения тепло"вого шунта, соединяющего тепловыделяющие спаи компенсационной ТЭБ не срадиатором, как в известном термостате, а с теплопоглощающими спаямиосновной ТЭБ.,При этом компенсационная батарея не имеет тепловой связис окружающей средой, что значительноуменьшает тепловые натекания иэ окружающей среды на датчик температуры иповышает точность термостатированиядо +0,1 К во всем рассматриваемомдиапазоне изменения температур ок-,ружающей среды (фиг. 3, кривая 4).Наличие диодов, включенных спротивоположной полярностью, функци 1ональнообеспечивает прохождение тока либо через компенсационную ТЭБ,либо через нагреватель в зависимостиот режима работы компенсационногоблока. Таким образом, введение нагревателя, диодов, потенциометрови теплового шунта повышает точностьтермостатирования от +0,5 К доВ случае отрицательного увода температуры первый диод 12 , соединенный последовательно с дополнительной ТЭБ 4, подключен к ней в режиме Оти 35 крыто", а второй диод 12 , соединенный последовательно с нагревателем 5, включен к нагревателю в режиме "Закрыто".Если термостат обладает положительным уводом, то первый диод 12 подключен последовательно к дополнительной ТЭБ в режиме "Закрыто", а второй диод 12 - к нагревателю в режиме "Открыто". 40 1104тов; на Фиг. 3 - теоретические кривые зависимости ошибки термостатирования от температуры окружающей среды для известного термостата.Термоэлектрический термостат содержит объект 1 термостатирования,камеру 2 термостата, основную ТЭБ 3,дополнительную (компенсационную)ТЭБ 4, нагреватель 5, датчик 6 температуры, радиатор 7 основной тер Оркобатареи, тепловой шунт 8, внеш"йюю тепловую изоляцию 9 термостата,подложку 10 крепления объекта термостатирования, электрические выводы11 датчика температуры и объекта 15термостатнрования. Кроме того, термостат содержит первый и второй ди"оды 12 и 12 и потенциометры 13и 13Термоэлектрический термостат работает следующим образом.При температуре окружающей средывыше температуры статирования основная ТЭБ 3 работает в режиме охлажде"ния. Прн этом возможен отрицательный 25увод температуры, когда с ростом температуры окружающей среды темпера-.тура объекта уменьшается, и положительный, когда с ростом температурыокружающей среды температура объекта,увеличивается. 481 6Предлагаемая схема подключенияобеспечивает работу компенсационногоблока в зависимости от знака уводатемпературы объекта либо в режимеохлаждения (ток течет через дополнительную ТЭБ 4), либо в режименагрева (ток течет через нагреватель),При температуре окружающей средыниже температуры статирования основная ТЭБ 3 работает в режиме нагрева.Прн этом выделения тепла на допол"нительной ТЭБ 4 и нагревателе аналогичны предыдущему случаю.Выбор компенсационных сопротивлений, постоянных во всем диапазонеизменения температур окружающейсреды, осуществляется при настройкетермостата посредством выбора номинала сопротивления соответствующегопотенциометра 13. Выбор величиныкомпенсационного сопротивления, подключенного последовательно с дополнительной ТЭБ, осуществляется первымпотенциометром 13 , подключенньи последовательно с дополнительной ТЭБ,а выбор величины компенсационногосопротивления, подключенного последовательно с нагревателем, осуществляется вторым потенциометром 13,подключенным последовательно с на"гревателем,Предлагаемое изобретение позволитповысить точность термостатированияот +0,5 К до +0,1 К при одновременном упрощении схемы регулирования,что понижает энергопотребность от9,5 до 8,2 Вт, массу термостатирующего устройства от 5,1 до 3,2 кг иобъем от 1300 до 1050 см. Созданиеи использование предлагаемого термостата является актуальной проблемойпри разработке ряда малогабаритныхпрецизионных термоэлектрических термостатов, используемых в радиоэлекчронной, вычислительной и других областях техники.-а 7 Составитель Л. ПтенцоваРедактор Л. Гратилло Текред О.Неце ректор М.Дем Подписное а нлиал ППП "Патент", г. Уагор Проектная,5210/34 ВНИИПИ Государ по делам из 113035, Москваираж 842венногоретенийЖ, Ра комитета СССРи открытийушская наб д.