Устройство стабилизации температуры термостата

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 11,03.81 (2 ) 3260326/18-24с присоединением заявки М -С 05 П 23/19 РВЗчРретвиай квинтет ИЮР дв дедам взееретеввй в етврытвй(7) Зая сцт 1," 4) УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕ РАТУРЬИзобретение относится к средствам автоматического управления параметрами, преимущественно для регулирования температуры объектов, например биологических термостатов, устройств для выращивания кристаллов.Известен регулятор температуры, содержащий термочувствительный мост, .блок управления, исполнительное реле 11.Однако его использование не обеспечивает высокой точности поддержания заданной температуры, являющейся необходимым условием, работы биологического термостата и других подобных устройств, ввиду того, что в известном регу 1 ляторе происходят значительные колебания температуры около заданного значения потому, что исполнительное реле (нагреватель) отключается при температуре выше заданного значения, а включается 20 при температуре, которая ниже заданного значения, Разность между верхним н нижним значениемтемпературы может, достигать несколько градусов 2Наиболее близкой по технической сушности к предлагаемому устройству является схема стабилизации температуры, содержащая терморезистор в качестве датчика температуры, измерительный мост, в который входит датчик температуры. К одной диагонали моста прикладывается напряжение питания, к второй - подключен вход операционного усилителя. Пер- вый конденсатор устанавливается в нулевой диагонали измерительного моста и таким образом шунтирует входы операционного усилителя, ослабляя нежелательные высокочастотные помехи по амп лнтуде. Второй конденсатор подключен между выходом операционного усилителя и его инвертируюшим входом, который дополнительно ослабляет высокочастотные помехи, попадающие на вход операционного усилителя 23 .В результате включения этих конденсаторов усиление схемы управления. в частотном диапазоне ВЧ помех становится меньше единицы. Кроме того, в конст/рукции .примеряется диод, включенный в цепь питания операционного усилителя для зашиты его при изменении полярности питающего напряжения. Выходной сигнал операционного усилителя управляет транзистором усилителя мощности через стабилитрон и ограничительный резистор.Нагревательный элемент включен в коллекторную цепь транзистора.Напряжение отрицательной обратной 10 связи, снимаемое с делители напряжения, включенного параллельно нагревателю, подается на вход операционного усилителя. При этом коэффициент отрицательной обратной связи становится равен 500, Это повы з шает устойчивость работы схемы стабилизации температуры, но вместе с тем снижает точность стабилизации температуры до0,5 С что недостаточно для ее, использования в биологических термоста О тах. Кроме того, в схеме стабилизации температуры, имеющей линейную переда-, точную харахтеристику, вьшеляется значительная мощность на выходном транзисторе, что снижает коэффициент полезного 2 действия и требует создания дополнительных условий для обеспечения нормального температурного режима выходного транзистора.Цель изобретения - повышение точнос ЗО ти устройства стабилизации температуры,Поставленная цель достигается тем, что устройство стабилизации температуры, содержацее последовательно соединенные измерительный мост, операционный усилитель, усилитель мощности и исполнительный элемент причем выход усилителя мощности связан с неинвертируюшим входом операционного усилителя, содержит генератор импульсов стабильной амплиту ды, а измерительный мост - регулирсл.вочный резистор, включенный последова,тельно с датчиком температуры, и их общий вывод связан с выходом генератора импульсов стабильной амплитуды.Импульсы с выхода генератора импульсов стабильной амплитуды, поступающие на вход операционного усилителя, устраняют гистерезис устройства, что обеспечивает повышение точности стабилизации50 температуры.На фиг. 1 показана электрическая схе ма предлагаемого устройства; на фиг, 2- график работы; на фиг. 3 - график зависимости входных и выходных напряжений. 55Устройство стабилизации температуры содержит измерительный мост 1, датчик 2 температуры, расположенный в термостате 3, переменный резистор 4 для установки температуры статирования и дварезистора 5 и 6, В диагональ моста 1включен операционный усилитель 7, выход которого подключен к входу усилителя 8 мощности, выход которого подслючен к нагревателю 9 и резистору 10обратной связи, второй выход которогосоединен с неинвертируюшим входом операционного усилителя 7.Последовательно с терморезистором2 включен регулировочный резистор 11,соединенный через резистор 12 с первойбазой (Б 1) однопереходного транзистора13, генератора 14 импульсов стабильной амплитуды, вторая база (Б 2) которого подключена к источнику питания,а эмиттер - к резистору 15 и конденсатору 16, представляющий собой времязадаюшую последовательную ВС-цепь.На фиг. 2 изображены графики работыпредлагаемого устройства:а - график изменения напряжения раэбаланса термочувствительного моста безгенератора импульсов со стабильной амплитудой (кривая 17) и при наличии генератора импульсов со стабильной амплитудой (кривая 18);б - график изменения напряжения нанагревателе при работе без генератораимпульсов со стабильной амплитудой;в - график изменения напряжения нанагревателе при наличии генератора импульсов со стабильной амплитудой в устройстве;г - график изменения температуры втермостате при отсутствии генератораимпульсов со. стабильной амплитудой(кривая 19) и при наличии генератораимпульсов (кривая 20) со стабильнойамплитудой,Устройство стабилизации температурыработает следующим образом.При значении температуры в термостате ниже значения температуры, соответствуюшего заданной температуре стаби- лизации, мост 1 разбалансирован, так как сопротивление датчика 2 велико и напряжение в точхе соединения его с резистором 5 не равно напряжению в точке соединения резисторов 4 и 6.Разность этих напряжений (сигнал раэбаланса) Ои импульсы с генератора поступают на вход операционного усилителя 7. При этом сумма напряжений сигнала разбаланса Ои амплитуды импульсов Оименьше верхнего порога срабатываниями устройства .О к(фиг. 2 а ) и устройство5 М 8664 бнаходится в одном из двух устойчивых теля поступает только сигнал разбалансасосгояний, когда нагреватель 9 включенЦцно устройство остается и первоначаль(фиг. 2 в). Такой режим работы с двумя ,ном состоянии, так как этот сигнал меньустойчивыми состояниями создается за ше напряжения нижнего порога срабатывасчет положительной обратной связи с выхо ния устройства. Постепенно температурада усилителя мощности 8 через резистор в термостате начинает снижаться, а на10 на неинвергирующий вход операцион- пряжение разбаланса Ом соответственноного усилителя, Благодаря этому потери увеличиваться. В момент временй Ф темэнергии в усилителе мощности .снижаются пература достигает такого значения, придо минимума за счет того, что выходной 10 когором напряжение ОМ становится равнымтранзистор или открыт (нагреватель вклю- напряжению нижнего порога срабатывачен) или закрыт (нагреватель отключен), ния устройства:вместе с тем, вследствие действия положительной обратной связи, в устройстве ЧЧ =(КН. (о)2 КНпоявляется гистерезис, величина которого 15равна разности напряжения Он, поступающего на вход операционного усилителя,и вызымющего включение нагремтеля 9и напряжения, вызымюшего отключениенагревателя Ока (фиг. 2),20 О,.= Ов - Осн. т.е. величина разбаланса моста, при кото-ром устройство переключается из .состояния "включено" в состояние выклю чено" должна быть равна величине раэбаланса, при котором устройство переключается из состояния выключено" в состояние "включено", Из равенства (1)- (3) видно, что это условие может быть выполнено, если:О цмто=.Ок- Окнт.е, амплитуда импульсов, поступающих с генератора, должна быть равна разности напряжений верхнего и нижнего пороГов срабатывания устройства.На фиг. 3 представлен график, поясняющий процесс устранения гистереэиса в предлагаемом устройстве.В начальный момент времени устройство находится в состоянии, которое на граТак как напряжение Ц, поступающеена вход операционного усилителя, пропор.ционально температуре, то гистерезисприводит и к колебаниям температуры стати рования,Устранить гистерезис и соответственно повысить, точность поддержания заданной температуры в предлагаемом устройстве позволяет генератор 14 импульсовстабильной амплитуды на однопереходномтранзисторе 13, Частота импульсов, вырабатываемых генератором, зависит отвеличины сопротивления резистора 15 иемкости конденсатора 16. Амплитуда выходных импульсов регулируется с помощьюподстрочечного резистора 1 1При повышении температуры в термостате и приближении ее значения к ) стнапряжение разбаланса моста уменьшается,В момент времени 6. на вход операционного усилителя поступает импульсс генератора амплитудой Ои сигналразбаланса Ом, Сумма этих напряжений .становится равной верхнему порогу срабатывания устройства. ОкаОимп+ Ом = Окв (2) 50м,Это приводит к тому, что нагреватель9 отключается. При этом температурапродолжает некоторое время повышатьсяза счет инерционных свойств нагревателя и термостата. Продолжает уменьшать 55ся и сигнал разбаланса Ом . После окончания действия импульса, поступающего сгенератора, на вход операционного усилиУстройство стабилизации переключает ся в состояние, при котором нагреватель9 включен, но температура продолжает падать, а напряжение раэбаланса Ощ увеличиваться вследствие инерционных свойств термостата и нагревателя. При этом сумма Омп и Ом, поступающая на вход операционного усилителя, меньше напряжения верхнего порога срабатывания устройства ОКО. И устройство не переключается в первоначальное положение, при котором нагреватель 9 отключен, Через некогорое . время температура в термостате начинает повышаться и цикл работы устройства стабилизации повторяется.Высокая точность стабилизации температуры в предлагаемом устройстве достигается уменьшения напряжения гистерезиса до значения, близкого к нулю. Это значит, что должно выполняться условие:ММ 64, 8а напряжение разбаланса О - соответсън- венно уменьшаться. В момент времени,и- когда состояние устройства выраженоп-,точкой 22 графике, цикл работы устройства стабилизации температуры повториъся,Требуемая амплитуда импульсов навыходе генератора 14 устанавливаетсяс помощью регулировочного резистора 11,Предлагаемое устройство стабилизации температуры использовано в биологическом термостате. В устройстве использован операционный усилитель типаК 1 40 УД 1 А. Экспериментальные исследования термостата с предлагаемым устройством стабилизации температуры покаэыговают, что колебание температуры а Тпри отсутствии генератора импульсов достигают 0,2 С (фиг 2, кривая 19), Приподключении генератора импульсов колебания температуры дТ при тех же условиях уменьшаются до 0,005 С.чПрименение биологического термостатас предлагаемым устройством позволяет25 обойтись беэ"дополнительных устройствдля перемешивания жидкости в термостао те и сохранить биологические объекты вй . стабильных оптимальных физиологическихусловиях с прецизионными характеристиЗО ками стабилизации температуры,7фике обозначено точкой 21. При этом нагреватель включен, а на вход операцио ного усилителя поступает сигнал разбала са моста Оои импульсы стабильной ам литуды с генератора Оп. Постепенно температура в термостате возрастает и приближается к Т и (фиг. 2 г), В момент времени, когда состояние устройства ста билизации температуры выражено точкой 22 графика, напряжение разбаланса мос та равно, нижнему порогу переключения устройства Ок ,а нагреватель будет включен до того времени, пока на вход операционного усилителя не поступит им пульс напряжения с генератора амплитудой, равной разности напряжений верхне Ькэ и нижнего Опорогов перехлючения устройства. При этом устройство кратковременно перейдет в состояние, выражен ное точкой 23 графика и вслед за этим в состояние, выраженное точкой 24 графика. Время перехода из точки 23 в то ху 24, будет очень небольшим и опреде лится быстродействием применяемого операционного усилителя, После скончания импульса напряжения, поступающего на вход операционного усилителя, устройств перейдет в состояние, выраженное точко 25 графика, при хогором нагреватель от .ключен, а на вход операционного усилителя поступает сигнал Ом 1, который на величину ВО меньше напряжения нижнего порога переключения устройства Охн, Еше некоторе время напряжение разбаланса моста О продолжает уменьшаться .вследствие инерционных свойств нагревателя й термостата. Постепенно температура втермостате начинаетпацать, анапряжение разбаланса увеличиваться.В момент времени, когда состояние устройства выражено точкой 26, нагреватель вновь включится,так как напряжениераэбаланса моста равно нижнему порогу переключения устройства Он, и устройство перейдет в состояние, выраженное точкой 27 графиха. Время перехода из точки 26 в точку 27 также определяется быстродействием операционного усилителя.В точке 27 напряжение разбаланса моста Обольше на величину дО напряжения нижнего порога переключения устройства, а сумма О и О,п меньше напряжения верхнего порога переключения устройства, Через некоторое время темпе.ратура в термостате начнет повышаться,"5 формула изобретения Устройство стабилизации температурытермостата, содержащее последовательносоединенные измерительный мост, операционный усилитель, усилитель мощностии исполнительный элемент, причем выходусилителя мощности связан с неинвертирующим входом операционного. усилителя,отличающеесятем, что,сцелью повышения точности устройства,оно содержит генератор импульсов стабильной амплитуды, а измерительный мострегулировочный резистор, включенныйпоследовательно с датчиком температуры,и их общий вывод связан с выходом генератора импульсов стабильной амплитуды,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРСоставитель С. Стрелецкий Техред Ж.Кастелевич едактор А. Козор рректор 1". Решетняк Заказ 9921/5 4/5 филиал ППП "Патент, г. Ужгород,ктная, 4 6 Тираж 914 ПодВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобречений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.