Устройство для регулирования температуры в термостате

) блока. ых ОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ САНИЕ ИЗОБ К АВТОРСКОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВ(72) В.М.Люлько и В.И.Ведищев (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро морского гидрофизического института АН Украинской ССР (53) 621.555.6(088.8)(56) 1, Авторское свидетельство СССР к 623194, кл. б 05 Э 23/19, 1978.2. Авторское свидетельство СССР У 779983, кл. 6 05 Р 23/19, 19803. Авторское свидетельство СССР У 991386, кл. 6 05 Э 23/19, 1983,4. Венкин Г.В. и др. Схема прецизионного термостатирования на интегральной микросхеме. -"Приборы и техника эксперимента" ,1975, В 4,5. Авторское свидетельство СССР У 798575, кл. 6 05 Р 23/19, 1983(54) (57) 1, УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТЕРМОСТАТЕ, содержащее датчик температуры объекта,датчик температуры нагревателя, потенциометр, выводы которого подсоединены к датчикам температуры, компаратор, первый вход которого соединенс задатчиком температуры, а выход -с соединенными последовательно исполнительным элементом и нагревателем,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения точности поддержания температуры объекта, в него до,801104480 полнительно введены суммирующий усилитель, дифференцирующая КС -цепь, ключ, переключатель и блок задержки, причем датчик температуры объекта и подвижный контакт потенциометра через соответствующие контакты переключателя подсоединены к первому входу суммирующего усилителя, датчик температуры нагревателя через дифференцирующую РС-цепь и ключ подсоединен к второму входу суммирующего усилителя, выход которого подключен к второму входу компаратора, вход блока задержки соединен с датчиком температуры объекта а его выход - с управляющими входами переключателя и ключа.2. Устройство по и. 1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что блок задержки содержит другие ключи, компаратор и дифференцирующую ЯС-цепь, а также первый и второй резистивные делители и конденсатор, причем выход блока задержки связан с входом дифференцирующей РС -цепи, связанной выходом с первым входом его компаратора, с первым входом его ключа, вторым входом подключенного через последовательно соединенные второй резистивный делитель и конденсатор к источни ку питания, связанному через первый реэистивный делитель с вторым входом компаратора, соединеного выходом с1 О 1 11 ОИзобретение относится к системам автоматического регулирования температуры и может быть использовано в различных термостатах с инерционными объектами термостатирования при повышенных требованиях.Известно устройство для регулирорования температуры, имеющее реэистивный термочувствительный мост, к выходной диагонали которого подключен первый блок управления, связанный с основным нагревателем, и форсирующий нагреватель, При этом в одно из плеч моста последовательно с основным резистором включен дополнительный резистор, параллельно которому подключен вход второго блока управления 13.Известно также устройство для регулирования температуры, имеющее со 20 единенные последовательно задатчик температуры, блок управления, исполнительный элемент с подключенным к нему основным нагревателем и форсирующий элемент с форсирующим нагревателем, а также преобразователь уровня и сумматор, к одному из входов дао 2 выход второго - с первым входом первого элемента, второй вход которогосоединен с выходом первого компаратора, второй вход которого подключенк выходной диагонали моста в точкеподсоединения термодатчика нагревателя, первый вход второго элементаИ-НЕ соединен с выходом второго компаратора, второй вход которого связанс вторым входом первого компаратора,второй вход этого элемента соединенс выходом третьего компаратора, второй вход которого подключен к выходной диагонали места в точке подсоединения термодатчика объекта. В этомустройстве устойчивость поддержаниятемпературы достигается вследствиетого, что температура нагревателяудерживается в определенном (не широком) диапазоне температур, определяемом опорными напряжениями компараторов. Долговременная точностьподдержания температуры объекта обеспечивается тем, что на сигнал датчика объекта не влияет сигнал датчиканагревателя 31.которого подключен датчик температуры, а к выходу - другой вход блока управления, причем вход преобразователя уровня связан с выходом форсирующего элемента 2 .В этих устройствах время выхода с 30 заданной точностью на рабочий тепловой режим сокращается за счет того,что момент первого отключения задается при регулировке схемы так, чтобы он происходил при накоплении внутри термостата количества тепла, соответствующего скорейшему выходу на режим при распределении тепла по объему термостата. При расположении термодатчика вблизи термостатированиятакие схемы обеспечивают высокую точность поддержания температуры объекта. 45 Известно термостабилизирующее устройство, содержащее два термодатчика, размещенные соответственно на нагревателе и на объекте и включенныев смежные плечи моста, в другие смеж ные плечи которого подключены задающие резисторы, а во входную диагональ - источник постоянного напряжения, В нем имеются три компаратора,два элемента И-НЕ и последовательно 55соединенные ключевой элемент и нагреватель. Выход первого элемента И-НЕсоединен с входом ключевого элемента,Однако для повышения устойчивости поддержания температуры в данном уст- ройстве необходимо сужать диапазон температуры нагревателя, что приводит к уменьшению интервала температур внешней среды, при которых устройство обеспечивает заданную точность поддержания температуры объекта. Кроме того, в устройстве велико время выхода на рабочий тепловой режим. Это объясняется тем, что первое отключение нагревателя происходит при достижении им верхнего значения заданного диапазона температур, а затем это значение температуры нагревателя поддерживается до момента достижения объектом номинальной температуры. При таком построении схемы устройства его нельзя применять в регуляторе температуры пропорционального типа.Известно устройство, в котором для повьппения устойчивости поддержания температуры датчики температуры объекта и нагревателя через общую цепь соединены с исполнительной ча-, стью схемы терморегулирования. В нем момент первого выключения нагревателя или снижения мощности нагрева в пропорциональных нагревателях определяется соотношением номиналов элементов (резисторов), входящих вцепи, в которые включены датчикитемпературы 4 1.Однако точность поддержания температуры в таком устройстве снижается на исполнительную часть схемы 5терморегулирования. Поэтому электрйческий сигнал на входе исполнительнойчасти неточно соответствует температуре объекта термостатирования, появляется погрешность поддержания тем- Опературы объекта, которую нельзяучесть в условиях изменения температуры окружающей среды ввиду непостоянства разницы температур датчиков.Наиболее близким к предложенному 15по технической сущности является устройствс для регулирования температуры, содержащее связанный с нагревателем первый датчик температуры,включенный в одно из плеч моста, вер- Юшина которого подключена к входу компаратора, выход которого через регулирующий орган соединен с нагревателем. В нем имеются также датчиктемпературы, связанный с объектом, 25постоянный резистор и потенциометр,через который второй датчик температуры включен параллельно термочувствительному плечу моста, а постоянныйрезистор - параллельно смежному с 30ним плечу моста, при этом подвижныйконтакт потенциометра соединен с вторым входом компаратора. Известноеустройство позволяет изменять моментпервого отключения нагревателя и тем-,З 5самым добиваться минимального времени выхода на рабочий тепловой режимбез изменения номиналов элементовсхемы, путем регулирования среднейточки потенциометра, в случаях иэменения,теплоемкости объекта термостатирования или конструкции термостата Г 53Однако из-за влияния сигнала датчика температуры нагревателя известное устройство не может обеспечиватьвысокую точность поддержания температуры объекта.Целью изобретения является повыше .ние точности поддержания температурыобъекта термостатирования при обеспечении высокой устойчивости поддержания температуры объекта и минимального времени выхода на тепловой рабочий режим в условиях быстроменяющихсятемператур окружающей среды.Поставленная цель достигается тем,что в устройство, содержащее датчиктемпературы объекта, датчик температуры нагревателя, потенциометр, выводы которого подсоединены к датчикамтемпературы, компаратор, первый входкоторого соединен с задатчиком температуры, а выход в ,соединенными последовательно исполнительным элементом и нагревателем, дополнительно введены суммирующий усилитель, дифференцирующая РС -цепь, ключ, переключательи блок задержки, причем датчик температуры объекта и подвижной контактпотенциометра через соответствующиеконтакты переключателя подсоединенык первому входу суммирующего усилителя, датчик температуры нагревателячерез дифференцирующую РС -цепь иключ подсоединен к второму входусуммирующего усилителя, выход которого подключен к второму входу компаратора, вход блока задержки соединен с датчиком температуры объекта,а его выход - с управляющими входамиключа и переключателя,Кроме того, блок задержки содержитдругие ключи, компаратор, дифференцирующую РС-цепь, а также первый ивторой резистивные делители и конденсатор, причем вход блока задержки связан с входом его дифференцирующей РС -цепи, связанной выходомс первым входом его компаратора, исс первым входом его ключа, вторымвходом подключенного через последовательно соединенные второй резистивный делитель и конденсатор к источнику питания, связанному через первый резистивный делитель с вторымвходом компаратора, выходом соединенного с выходом блока.Для поддержания температуры объекта термостатирования,с высокой точностью необходим сигнал, точно соответствующий температуре объекта.Поэтому в устройство введен переключатель, который после выхода термостата на рабочий тепловой режимотключает от исполнительной части схемы. сигнал, идущий от подвижного контакта потенциометра и состоящий иэ сигналов датчиков температуры объекта и нагревателя, иподключает сигнал только датчикатемпературы объекта.Для достижения высокой динамической устойчивости поддержания температуры в термостате используетсяне.полный сигнал датчика температуры нагревателя, а только динамиче"ская составляющая этого сигнала.11044С целью сохранения динамической составляющей сигнала датчика температуры нагревателя в устройствовведена дифференцирующая ЙС -цепь,через которую датчик температуры на 5гревателя подключен к исполнительнойчасти схемы.Ключ в этой цепи введен для того,чтобы отсоединить дифференцирующуюЙС-цепь от схемы во время выхода тер"0мостата на рабочий тепловой режимво избежание затягивания процесса.Этим обеспечивается минимальное времявыхода на рабочий режим.Введение в устройство суммирующего усилителя между датчиками температуры и исполнительной частью схемы позволяет при наличии дифференцирующей Рс -цепи вырабатывать управляющий сигнал, равный сумме напряжений датчиков температуры объектаи динамической составляющей сигналадатчика температуры нагревателя,что обусловливает высокую точностьи стабильность поддержания температу ры объекта,Подключение цепей датчиков температуры объекта и нагревателя к разным входам суммирующего усилителяпозволяет исключить взаимное влияниеэлектрических цепей датчиков и упростить регулировку устройства.Введение в устройство блока задержки, вход которого подключен к датчику температуры объекта, а выход со"единен с управляющими контактамиключа и переключателя, обеспечиваетсвоевременное срабатывание переключателя и ключа после первого отключения нагревателя и окончание пере"40ходкого теплового процесса.На фиг. 1 приведена структурнаясхема одного из возможных вариантоввыполнения. предложенного устройствадля регулирования температуры термос 45тата; на фиг. 2 - принципиальная схема блока задержки; на фиг. 3 - временные диаграммы температур нагревателя и объекта.Устройство для регулирования температуры в термостате (фиг. 1) содержит датчик 1 температуры объекта,датчик 2 температуры нагревателя,потенциометр 3, блок 4 задержки, дифференцирующую цепь 5, переключатель6, ключ 7, суммирующий усилитель 8,компаратор 9, задатчик 10 температуры, исполнительный элемент 11, нагреватель 1280 6Датчики 1 и 2 температуры могут быть выполнены, например, в виде включенных последовательно терморезистора и резистора, точки соединения каждого иэ которых являются выходами датчиков температуры. Свободные концы термореэисторов подключены к положительному полюсу источника питания, а свободные концы резисторов - к его отрицательному полюсу.Термореэистор датчика 1 закреплен непосредственно на объекте термостатирования, а терморезистор датчика 2 - на нагревателе 12 способом, обеспечивающим хороший тепловой контакт с этими элементами.Нагреватель 12 служит для нагрева термостата и может быть выполненв виде обмотки из провода с высокимсопротивлением, расположенной на корпусе термостата, который находитсявнутри теплоиэолирующей оболочки. Терморезисторы датчиков 1 и 2 должны иметь близкие характеристики, но их полная идентичность необязательна. Резисторы датчиков 1 и 2 могут подбираться по номиналу или быть переменными.Выход датчика 1 температуры объекта подключен к одному выводу потенциометра 3 и далее через один иэ контактов переключателя (1-е положение переключателя) к первому входу суммирующего усилителя 7, К второмуконтакту переключателя (П-е положение переключателя) подсоединен подвижный контакт потенциометра 3.Выход датчика 2 температуры нагревателя подключен к другому свободному выходу потенциометра 3 и далее к контакту ключа 7 через дифференцирующую цепь 5.Постоянная времени дифференцирун 5- щей РС -цепи должна быть близка к постоянной времени переходного теплового процесса (передачи тепла внутри термостата от нагревателя к объекту термостатирования).Потенциометр 3 определяет долювлияния каждого из датчиков 1 и 2 навход исполнительной части схемы при выходе на рабочий тепловой режим ивеличину превышения температуры нагревателя и корпуса термостата над номинальной температурой объекта термостатирования,Переключатель 6 и ключ 7 предназначены цля смены режимов работы исполни80 8044тельной части схемы. Переключате;и6 может представлять собой реле спереключающей группой контактов,группу электронных ключей и т.п.В качестве ключа 7 может быть исполь 5зовано реле, электронный ключ и т.д.Управляющие входы переключателя6 и ключа 7 подсоединены к выходублока 4 управления, вход которогоподключен к выходу датчика 1 темпера.-Отуры объекта.Блок 4 задержки служит для получения напряжения, подаваемого на управляющие входы переключателя 6 иключа 7 при выходе термостата на рабочий режим после окончания теплового переходного процесса внутри термостата.Блок задержки (фиг. 2) содержитдругой компаратор 13, другой ключ 14, 20дифференцирующую РС -цепь 15, На одинвход компаратора 13 подается опорноенапряжение со средней точки первогорезистивного делителя 16, Другой входкомпаратора 13 соединен с выходомдифференцирующей цепи 15 и с входомключа 14. К управляющему входу ключа14 подсоединена средняя точка резистивного делителя 17, который черезконденсатор 18 подключен к источникупитания.Компаратор 13 может быть выполненв виде обычного интегрального компаратора, например, операционного усилителя и т.п, Ключ 14 может представлять собой реле, электронный ключ ит,д,Входом: блока задержки (фиг, 2)является вход дифференцирующей цепи 15, а выходом - выход компаратора 13.40Дифференцирующая цепь 5 (фиг. 1)предназначена для исключения постоянной составляющей сигнала, поступающего на суммирующий усилитель 8 отдатчика 2 температуры нагревателя45(через ключ 7) .Суммирующий усилитель служит длясуммирования сигнала датчика 1 температуры объекта и переменной составляющей сигнала датчика 2 температуры 50нагревателя. В качестве суммирующегоусилителя 8 может быть выбран усилитель с высоким входным сопротивлениемдля исключения взаимного влияния цепей, подключенных к его входам. Онможет быть выполнен, например, надвух операционных усилителях по из"вестным схемам включения,Термадатчики датчика 1 объекта и датчика 2 нагревателя (фиг. 1) регулируют так, чтобы при изменении температуры, равной номинальной температуре объекта термостатирования, напряжения на выходах датчиков 1 и 2 были равны, Для этого подбирают величины сопротивлений резисторов, включенных последовательно с терморезисторами.Подвижный контакт потенциометра 3 устанавливают так, чтобы напряжение на этом контакте при достижении значения, вызывающего первое отключение нагревателя 12, соответствовало такому соотношению напряжений на выходах датчиков температуры (и соответственно температур объекта и нагревателя), при котором после отключения нагревателя 12 на объекте термостатирования установилась температура, равная номинальной (фиг. 3, точка А).Задатчик 10 температуры регулируют так, чтобы срабатывание компаратора 9 при установившемся тепловом режиме термостата (фиг. 3, сс) происходило при температуре объекта, равной номинальной.Порог срабатывания компаратора 13 блока 4 задержки устанавливают так, чтобы сигнал на выходе блока 4 задержки появлялся по окончании теплового переходного процесса с термостате после первого отключения нагревателя (фиг. 3, е,)После включения устройства на управляющем входе ключа 14 (фиг. 2) появляется напряжение, открывающее этот ключ до момента заряда конденсатора 18. Постоянная времени цепи (18 и 17) выбрана так, что за время заряда конденсатора 18 конденсатор 19 цепи, 15, подключенный к выходу датчика 1 (фиг. 1), успевает зарядиться до напряжения датчика 1, При этом напряжение на входе компаратора 13 оказывается равным нулю, т.е. меньше опорно-го напряжения, задаваемого цепью 15. На выходе компаратора 13 устанавливается некоторое напряжение, которое подается на управляющие входы переключателя 6 и ключа 7 (фиг. 1). Пе- .реключатель 6 подключает к первомувходу суммирующего усилителя 8 датчик 1 (1-е положение переключателя),а ключ 7 замыкается, подсоединяяк второму входу суммирующего усилителя 8 выход дифференцирующей цепи 5.9 1104На выходе суммирующего усилителя 8напряжение оказывается меньше напряжения эадатчика 10 и на выходе компаратора устанавливается напряжение,под действием которого исполнитель 5ный элемент 11 включает нагреватель12.При необходимости исключения влияния начального скачка напряжения квыходу дифференцирующей цепи 5 можноподключить разрядную цепь, подобнуюпримененной в блоке 4 задержки (13,18 и 17 на фиг. 2) .При разогреве термостата температура нагревателя и корпуса повышается быстрее, чем температура объектатермостатирования. Кривая 1 (фиг,3)соответствует температуре объекта термостатирования; кривая 2 - температуре нагревателя, кривая 3 отражаетизменение температуры, соответствующей напряжению на подвижном контакте потенциометра 3; СО -- время резкима разогрева термостата;время переходного теплового процесса; Т ) й 2 - время рабочего режима термостатированияТ - номинальная1 Ономтемпература объекта термостатирования.При повышении температуры объекта появляется изменение напряжения датчика 1. Изменяющаяся во времени составляющая этого напряжения проходит через дифференцирующую цепь 15 (фиг.2) и поступает на вход компаратиора 13. Так как напряжение на входе компаратора 13 оказывается больше опорного,35 на выходе блока 4 задержки устанавливается напряжение, воздействием которого переключатель б подключает к первому входу суммирующего усилителя40 8 подвижной контакт потенциометра 3 (П-е положение переключателя), а ключ отсоединяет дифференцирующую цепь 5 от второго входа суммирующего усилителя 845Напряжение на подвижном контакте потенциометра (с учетом коэффициента передачи усилителя 8) меньше напряжения задатчика 10, компаратор 9 не изменяет своего состояния, поэтому нагреватель 12 остается вклю 50 ченным.Нагрев термостата продолжается до тех пор, пока напряжение на подвижном контакте потенциометра 3 не достигнет значения (с учетом коэффициента передачи усилителя 8) напряжения задатчика 10, после чего на выходе, компаратора 9 устанавли 480 1 Овается напряжение, под воздействиемкоторого исполнительный элемент 11отключает нагреватель 12, С этогомомента (фиг. 3, С ) начинается перераспределение температур внутритермостата без воздействия нагревателя (фиг. 3), температура нагревателя падает (кривая 2), температура объекта растет (кривая 1),Скорость нарастания температурыобъекта, а соответственно и скорость измерения напряжения на выходедатчика 1, уменьшается и в концепереходного теплового процесса становится близкой к нулю. В этот моментвремени (фиг. 3, С )на выходе блока4 задержки установйтся напряжение,под действием которого переключательб подключит к первому входу суммирующего усилителя 8 выход датчика 1температуры объекта (1-е положениепереключателя), а ключ 7 замкнется,подсоединяя к второму входу суммирующего усилителя 8 датчик 2 температуры нагревателя через дифференцирующую цепь 5.Если при настройке устройства положение подвижного контакта потенциометра 3 выбрано правильно, то переключение с начального режима работы (фиг. 3, ЕО(С( Г) на рабочий режим (фиг. 3, е)произойдет придостижении объемом термостатированияноминальной температуры ТОномНачиная с момента времени Т вы 2хода на рабочий режим на входы суммирующего усилителя 8 поступают напряжение с выхода датчика 1 температуры объекта и динамическая составляющая напряжения с выхода датчика2 температуры нагревателя. Если температура объекта и нагревателя неотклоняются от ТО , напряжения наО но,фвыходах блока 4 задержки, суммирующего усилителя 8 и компаратора 9 неизменяются, поэтому нагреватель остается выключенным.При быстрых изменениях температуры корпуса термостата изменитсятемпература нагревателя и появитсядинамическая соатавляющая напряженияс выхода датчика 2 на втором входесуммирующего усилителя 8, сработаетисполнительная часть схемы и включится нагреватель 12.При медленных изменениях температуры термостата, вызывающих отклонение температуры объекта от номинальной и неприводящих к появлению динамической составляющей напряжения на выходе дифференцирующей цепи 5, изменяется напряжение на выходе датчикатемпературы объекта и соответственно на выходах суммирующего уси лителя 8, компаратора 9, приводящее к срабатыванию исполнительного элемента 11. Включение (выключение) нагрева 10 теля приводит к изменению температуры нагревателя и корпуса термос- тата и появлению динамической составляющей сигнала на входе суммирующего усилителя, приводящей к отключению (включению) нагревателя. Таким образом происходит постепенное (сту-пенчатое) изменение температуры термостата, исключающее значительные отклонения температуры объекта от номинальной, связанные с инерционностью процессов теплообмена,Благодаря динамической устойчивости поддержания температуры объекта напряжение на входе блока 4 задержки не изменяется со скоростьюпри которой могут происходить срабатывания блока 4 задержки и изменение положения переключателя 6 и ключа 7.Использование предложенного устройства регулирования температуры в термостатах позволит повысить точность поддержания температуры объекта термостатирования в несколько раз за счет исключения погрешности измерения температ 5 ры объекта, вносимой. датчиком температуры нагревателя, что предотвращается актом сравнительных испытаний; Уменьшить вре" мя выхода на рабочий тепловой режим вследствие снижения теплоемкости корпуса термостата без потери стабильности поддержания температуры объекта; упростить разработку термостата за счет того, что исключается необходимость расчета (или упрощается расчет) теплопроводящих свойств корпуса, помещенного внутри теплоизолирующей оболочки, и выбора )места расположения объекта термостатирования./34 Тираж 842 НИИПИ Государственного ком по делам изобретений и 13035, Москва, Ж, Раушс/5 Патент", г. Ужгород, ул. Проек Редактор Л, Грат ета СССРкрытийя наб.,рректор М.Демин