Устройство для регулирования температуры

ЗОБ ТЕЛЬСТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ К АВТОРСКОМУ СВ(56) Авторское свидетельство СССР650055,.кл. 6 05 В 23/19, 1977.1 еждународная заявка ЮО РСТ/СВ83/00574, кл, 6 05 Р 23/24, 1983. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее образцовый резистор, подключенный первым выводом к нулевой шине, а вторым - к первому выводу терморезистора, второй вывод которого через фильтр нижних частот подсоединен к выходу ключевого элемента, связанного управляющим входом с выходом компаратора, а вхо- дом - с источником питания, р т л и - ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности поддержания температуры нагреваемого объекта в усло.виях изменения в широких пределах теплофиэических параметров окружающейсреды, в него введены первый ивторой дифференциальный усилители, перемножитель, первый и второй резисторы .и квадратор, вход которого подключенк точке подсоединения образцового резистора и терморезистора к инвертирующему входу второго дифференциального усилителя, а выход квадраторак первому входу перемножителя, связанного вторым входом с выходом второго дифференциального усилителя и спервым входом компаратора, соединенного вторым входом с выходом .первогоцнфференциального усилителя, подклюенного неинвертирующим входом к точке соединения образцового резистораи терморезистора, а инвертирующимвходом - к второму выходу терморезистора, причем неинвертирующий входвторого дифференциального усилителя.через первый резистор связан с выходом перемножителя, а через второйрезистор - с шиной нулевого потен1 ОФ 15 20 25 30 35 40 50 Изобретение относится к автоматическому регулированию температуры и может быть использовано для поддержания стабильной температуры объектов, работающих в условиях значительных перепадов величины тепловой мощности, отдаваемой в окружающую среду, например, в потоках жидкостей или газов, изменяющих в широких пределах свои Физические и динамические параметры.Цель изобретения - повышение точности поддержания температуры нагреваемого объекта в условиях изменения в широких пределах теплофизических параметров окружающей среды.На Фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства для ре гулирования .температуры; на Фиг. 2 вариант конструктивного исполнения узла нагревательный элемент - нагреваемый объект.Устройство для регулирования темпе ратуры содержит образцовый резистор 1, один из выводов которого подключен к нулевой шине, а противоположный - к одному из выводов терморезис- тора 2, подсоединенного противоположным. выводом через фильтр 3 нижних частот к выходу ключевого элемента 4, связанного управляющим входом с выходом компаратора 5. Устройство содержит также первый дифференциальный усилитель 6 и источник 7 питания, неинвертирующий вход первого дифференциального усилителя 6 подклю .ченк точке соединения образцового резистора 1 и терморезистора 2, инвертирующий вход - к противоположному выводу терморезистора 2, а выход - к одному иэ входов компаратора 5, связанного другим входом с выходом второго дифференциального усилителя 8, подключенного инвертирующим входом к точке соединения образцового резистора 1 и терморезистора 2В состав устройства входят пере- множитель 9, квадратор 10 и делитель напряжения на первом 11 и втором 12 резисторах. Один из выводов резистивного делителя напряжения на резисторах 11 и 12 подключен к нулевой шине, противоположной вывод - к выходу перемножителя 9, а средняя точка - к неинвертирующему входу, дифференциального усилителя 8, инвертирующий вход которого подключен к входу квадратора 10, связанного выходом с первым входом перемножителя 9, второй вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя 8. Терморезистор 2 размещен: в непосредственной близости от нагре- ваемого объекта 13 и может быть удален от электрической схемы устройства на значительное расстояние, сое- . диняясь со схемой при помощи четырех- проводной линии шинами 14 - 17. Параллельно ключевому элементу 4 включен балластный резистор 18.Практический вариант конструктивного исполнения узла нагревательныйэлемент 2 - нагреваемый объект 13 (Фиг, 2) может быть представлен в в виде плоского терморезистора 2, отделенного от внешней средыэлектроизоляционными пластинами 19, йа внешней поверхности одной из которых размещен термостатируемый объект 13 (например, чувствительный элемент химического датчика .Устройство для регулирования температуры нагреваемого объекта работает следующим образом.В начальный момент, после подачи питающего напряжения на устройствЬ, температура нагреваемого объекта 13 и термореэистора 2 находится на уровне ниже требуемого. При этом, независимо от сигнала с выхода компаратора 5, балластный резистор 18 обеспечивает протекание через терморезистор 2 минимального тока, величи на которого не достаточна для заметного разогрева терморезистора 2, однако позволяет по величине падения напряжения на терморезисторе 2 и образцовом .резисторе 1 оценитьвеличину сопротивления терморезистора 2 и, следовательно,его температуру. Терморезистор 2 включен.по четырехпроводной схеме таким образом что величина падения напряжения на нем передается на вход дифференциального усилителя 6 через шины 15 и 16 практически без ошибок, так как при этом по шинам 15 и 16 текут ничтожно малые токи, обусловленные высоким входным сопротивлением дифференциального усилителя 6, На выходе дифференциального усилителя 6 присутствует однополярное напряжение, пропорциональное падению напряжения на термореэисторе 2. Допустимая рассеиваемая мощность и температурный коэффициент образцового ре3зистора 1 выбраны таким образом, что его сопротивление практически не зависит от величины протекающего через него тока. При этом на вход дифференциального усилителя 8 поступает напряжение, пропорциональное величине тока через терморезистор 2. В общем. случае величина напряжения на выходе дифференциального усилителя 8 является некоторой нелинейной функцией от величины входного напряжения. Вид передаточ- ной функции, реализуемой на выходе дифференциального усилителя 8, опре деляется конкретными значениями коэффициентов теплопроводности конструктивных элементов термостатируемого объекта 13, а также видом зависимости сопротивления терморезистора 2 от температуры.Поскольку в начальный момент температура объекта 13 и терморезистора 2 находится ниже требуемого уровня, то сопротивление терморезистора 2 отличается от той величи-ны, которая должна установиться при требуемой температуре. При этом соотношение величин падений напряже- ния на терморезисторе 2.и образцовом резисторе 1 устанавдивается таким образом, что напряжение на выходах дифференциальных усилителей 6 и 8- переключает компаратор 5 в состоя-. ние, при котором сигнал с его выходавключает ключевой- элемент 4. В этом случае по цепи от источника 7 питаниячерез ключевой элемент 4, фильтр 3 нижних частот, шину 14, .терморезистор 2, шину 17 и образцовый. резистор 1.начинает протекать ток, величина которого нарастает во.вре- . , мени с некоторой скоростью, определяемой параметрами фильтра 3 нижних частот, Постоянная времени фильтра 3 нижних частот выбирается большей; чем постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность терморезистора 2, вследствие чего каждому значению тока, протекающего через терморезистор 2, соответствует прак- тически установившееся значение температуры термореэистора 2 и нагреваемого объекта 13. 1196827 в окружающую среду. При увеличении температуры меняется сопротивление терморезистора 2, что приводит к из.менению состояния величин. напряжений, поступающих на входы дифференциальных усилителей 6 и 8, Соответственно изменяется соотношение напряжений на входах компаратора 5.При некотором значении сопротивления термореэистора 2 и его температуры соотношение величин падений напряжения на терморезисторе 2 и образцовом резисторе 1 достигает такого значения,что напряжения на входах компаратора 5 становятся равными.При этом сигнал на выходе компаратора 5 изменяет свое значение на противоположное, что приводит к запиранию ключевого элемента 4. Ток, протекающий через терморезистор 2, начинает .уменьшаться. Начинает уменьшаться также тепловая мощность, подводимая к терморезистору 2, его температура, а .также сопротивление. Это приводит к изменению соотношения величин. падений напряжения на терморезисторе 2 и образцовом резисторедо значения, при котором компаратор 5 переключается в предшествующее состояние и сигнал с его выхода нова включает ключевой элемент 4.алее процесс циклически повторяется. 15 20 25 30 35 40 Если параметры окружающей средыостаются неизменными, то температура терморезистора 2 автоматическиподдерживается на определенном уровне, При этом температура термостатирующего объекта 13 также остаетсястабильной.50 Положим; что в начальный моментвремени величина теплового сопротивления от,терморезистора 2 и объекта.13 до окружающей среды велика. Приэтом тепловая мощность, отводимая И от терморезистора 2, мала и, следовательно, мал тепловой поток от терморезистора 2 к нагреваемому объек"Ъту 13. В связи с этим мал перепад Таким образом, с увеличением тока начинает возрастать температура терморезистора 2 и объекта 13. При определенном установленном значении постоянной времени фильтра 3 нижних 4, частот зависимость температуры терморезистора 2 от величины тока определяется только величиной тепловой мощности, отдаваемой в окружающую среду, так как в тепловом балансе терморезистора(2 доля тепловой энергии, необходимой для поВышения температуры и обусловленной теплоемкостью терморезистора 2 мала по 1 О сравнению с энергией, отдаваемой(2) 5 11 температур между терморезистором 2 и объектом 13, вследствие чего с достаточной точностью .можно принять, .что температура объекта равна температуре нагревателя. Если в силу каких-либо причин теплоотдача от тер. морезистора 2 и объекта 13 в окружающую среду увеличится, например за счет уменьшения температуры окружающей среды или за счет увеличения ее теплопроводности, то это приводит к снижению температуры терморезистора 2 и к изменению его сопротивления. Изменение сопротивления терморезистора 2 вызывает изменение соотношения величин напряжений подаваемых на входы дифференциальных усилителей 6 и 8, что, в свою очередь, вызывает разбаланс напряжений на входах компаратора 5. Сигнал на выходе компаратора 5 изменяется таким образом, что среднее значение тока, протекающего через ключевой элемент 4 и далее по цепи через терморезистор 2, увеличивается по отношению к первоначальному значению, что вызывает увеличение тепловой мощности, выделяющейся в терморезисторе 2, и повышение его температуры.Однако состояние равновесия, уста новившееся в результате описанного процесса, не будет характеризоваться прежним значением температуры терморезистора 2, так как величина падения напряжения на образцовом резисторе 1, пропорциональна току через терморезистор 2, передается на вход компаратора 5, претерпев нелинейные преобразования. В связи с этим стабилизирующее значение температуры терморезистора 2 увеличивается при увеличении тока .через терморезистор и, следовательно, при увеличении выделяющейся на нем мощ, ности. Как отмечалось, при увеличении теплоотдачи в окружающую сре-. ду температура объекта 13 умейьшается относительно температуры нагревателя. Поскольку тепловая мощность, выделяемая на терморезисторе 2, практически полностью передается в окружающую среду, то существует определенная функция преобразования, реализация которой с помощью элементов 8-12 позволяет увеличить температуру терморезистора 2 с увеличением подводимой к нему мощности таким образом, что рост температуры термо 96827 Ьрезистора компенсирует увеличениеразницы температур между терморезистором и объектом, вследствие чеготемпература объекта 13 остается неизменной.Работа устройствана конкретномпримере (фиг. 2)Тепловая мощность, выделяющаясяв терморезисторе 2, отводится, как о показано стрелками на фиг. 2, черездве обкладки из конструкционногоэлектроизолирующего материала 19в окружающую среду. Для упрощенияпримем, что тепловые мощности, отво димые от обеих поверхностей нагреваемого объекта 13, равны. (Это условие не является обязательным). Примемтакже справедливое для подавляющегобольшинства материалов условие пос О тоянства теплового сопротивленияв ограниченном диапазоне температур. При этих условиях разница температур между терморезистором 2 итермостатируемым объектом 13 вырад 5 жается зависимостью где Р - тепловая мощность, передаваемая от терморезистора к 30объекту;- тепловое сопротивление оттерморезистора до объекта.В свою очередь где 1 К - электрическая мощность,подводимая к терморезистору..В случае необходимости стабильного поддержания температуры термостатируемого объекта предпринимаются специальные меры по уменьшению 4 теплового сопротивления объект - нагреватель, в связи с чем относительное изменение температуры нагревателя, необходимое для поддержаниястабильной температуры объекта, оказывается, как правило, сравнительно 50малым. В связи с этим для большинства неполупроводниковых терморезисто.ров в ограниченном интервале температур можно принять температурнуюзависимость сопротивления как линейную К .= К + (3)где К - исходное значение сопротивления терморезистора приО С;11968с - температурный коэффициентсопротивления.Функциональный преобразователь, выполненный на элементах 8-12 реалиЭ зует передаточную функцию, необходимую для поддержания стабильной темпе ратуры объекта 13. При условиях, что тепловое сопротивление между термо резистором 2 и объектом 13 является постоянным и что температурная зави симость сопротивления терморезистора 2 линейна в ограниченном интервале температур, функциональный преобразо ватель работает следующим образом. Входным сигналом функционального пре образователя является напряжение, величина которого определяется фор- мулой= 0,5 В реальном устройК, К выбраны т что обеспечивается в ве зна им обр олнениде ина сопротивления цового резистора 1, Вподается на инвердифференциального на вход квадратора 10 ное квадрату напряа квадратора 10 постувходов перемножиой вход которого ение с выхода диффе илителя 8.ом, напряжение на вь тели 9 определяетсяряжение ий вход еля 8 и Напряжение, ра жения, с выход пает на один и теля 9, на вто подается напря ренциального уТаким образ ходе перемножи 35 ЫХ В 40 и жением Кф+ Ы 1-0,5 р солрот ка, кональномого у 50 де- напряжение на выходе функционального преобразователя,Напряжение с выхода перемножителя 9 через делитель, образованный ,резисторами 11 и 12, подается с коэффициентом передачи К 1 на неинвертирующий вход дифферейциального усилителя 8, имеющего коэффициент передачи К 2 . Напряжение на выходе дифференциального усилителя 8 и всего функционального преобразователя может быть выражено формулойЕых =БВХ+ ЦВ(1 В )КЖ ( г ВЫ терморезистораыполняется для фбразователя предва. Отсюда следу рая пре ройс К(14) с+0,5 Уе 1 к= й,сть, а ивлени получим зависим7) висимости сопро алогич от те аротекающий через обуй резистор 1; ВЫКВ () ВЫЛ (6) 0 где- температура стаби чувствительного э Например, при выборе, оп ного значения К величины находятся решением системыНа входах компаратора 5 величины нацряжений поддерживаются практически равными за счет обратных связей. Отсюда следует, что напряжение на выходе дифференциального усилителя 6 также определяется выражением (12). Поскольку дифференциальный усилитель 6 имеет линейную передаточную характеристику, то при коэффициенте передачи дифференциального усилителя 6 К = -1, напряжение на терморезисторе 2 также будет определяться выра(12). В этом случае выражение сопределяет зависимостьивления 2 от тото в ункциого о лагае1-0,5 р где С - темпер К тора. Путем матема ний выражение ( видура терморезисческих преобразова ) можно привести к(Ко + ай ), (16) где 1(Ко+ ор) выделяющаяся йа прохождении черОтсюда следу- тепловая мощность,терморезисторе приз него тока 1.т, что(17 тем нуа олье 9 11туры для терморезистора с линейнойхарактеристикой.Сс+ О 5 Р 1 КоВыражение, опре 1-О,5 р Ы 1деляет температуру термореэистора,которая является функцией тока 1: Р Иэ изложенного следует, что ратура терморезистора не являет постоянной и зависит от величин рассеиваемой им мощности по зак описанному выражением (17), тог:как.температура термостатируемо объекта является стабильной, по ку она меньше, чем температура" морезистора на величину, равнуюуР. При этом .температура объекта не зависит от условий теплообмена с окружающей средой. Следователь но, предлагаемое устройство обеспечивает точность поддержания темпера-туры нагреваемого объекта в условияхизменения в широких пределах теплофизических параметров окружающей 1 О. среды.Технические преимущества предлагаемого устройства заключаются в том,что в нем учитывается зависимостьразницы температур нагревателя и тер мостатируембго объекта от условийтеплоотдачи. Эти преимущества позволяют успешно использовать предлагаемое устройство для поддержаниястабильной температуры объектов, ра ботающих в потоках жидкостей или газов, изменяющих в широких пределахсвои физические и динамические параметры, что обеспечивает повышениеточности измерений физических и хи мических параметров, позволяет создавать миниатюрные, дешевые, высокочувствительные датчики параметровконтролируемых сред, автоматизировать контроль технологических про- ЗО цессов, что способствует повьппениюэффективности производства."Патент род, ул. Проектная, 4 илиал аказ 7563/46 Тираж 862ПВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб , .д, 4/5