Устройство для регулирования температуры в криостате

 

Изобретение относится к системам регулирования неэлектрических величин и может быть применено для термостатирования объектов при криогенных температурах. Целью изобретения является повышение эффективности регулирования криогенных температур путем уменьшения количества тепла, вносимого в объем криостата, и снижение расхода хладагента. Устройство для регулирования температуры содержит автогенераторную схему (АГС), состоящую из двухполюсника 1 с отрицательным дифференциальным сопротивлением, блокировочного конденсатора 8, регулируемого резистивного элемента (РРЭ) 9, параллельного колебательного контура, составленного из катушки 2 и конденсатора 4, последовательно которому включены терморезистор 3 и дополнительный резистор 5, шунтированный размыкающими контактами электромагнитного реле (ЭМР) 16, к выходу АГС через широкополосный усилитель 6 подключены детектор 12, соединенный с управляющим входом РРЭ, и входы частотных реле 13 и 14, выходы которых соединены с входами триггера 15, подключенного к обмотке ЭМР, замыкающие контакты которого включены в цепи исполнительного устройства 18. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (11) (S1) ф С 05 D 23/19

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н Д BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ. L

gtuz.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4340714/24-24 (22) 08. 12. 87 (46) 15.09.89. Бюл. N> 34 (71) Харьковский институт радиоэлектроники им. акад. N. К.Янгеля (72) Л.И. Биберман, Л.П.Захаров, В.О.Мусиенко и Д.В.Плужник (53) 621.555.6 (088.8). (56) Приборы и техника эксперимента, 1987, 1"- 1, с. 222-223.

Авторское свидетельство СССР

Р 344481, кл. G 08 В 17/06, 1970. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ В КРИОСТАТЕ (57) Изобретение относится к системам регулирования неэлектрических величин и может быть применено для термостатирования объектов при криогенных температурах. Целью изобретения является повышение эффективности регулирования криогенных температур пу.тем уменьшения количества тепла, вно2 симого в объем криостата, и снижение расхода хладагента. Устройство для регулирования температуры содержит автогенераторную схему (АГС), состоящую из двухполюсника 1 с отрицательным дифференциальным сопротивлением, блокировочного конденсатора 8, реryлируемого резистивного элемента (РРЭ)

9, параллельного колебательного контура, составленного иэ катушки 2 и конденсатора 4, последовательно которому включены терморезистор 3 и дополнительный резистор 5, шунтированный размыкающими контактами электромагнитного реле (3MP) 16, к выходу

АГС через широкополосный усилитель 6 подключены детектор 12, соединейный lc управляющим входом РРЭ, и входы частотных реле 13 и 14, выходы которых соединены с входами триггера 15, подключенного к обмотке Э1(Р, замыкающие контакты которого включены в цепь исполнительного устройства 18.. 3 ил.

Изобретение относится к системам управления или регулирования неэлектрических величин и может быть применено для термостатирования объекта при криогенных температурах.

Цель изобретения — повышение эффективности регулирования криогенных температур за счет уменьшения количества тепла, вносимого в объем крио- 10 стата, и снижения за счет этого расхода хладагента, а также затрат на обслуживание криостата.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для регули- 15 рования температуры в криостате; на фиг. 2 — эквивалентная по переменному току схема генераторной части уст-

1 ройства; на фиг. 3- границы области устойчивости, частотные характеристи- 20 ки и диаграммы работы устройства.

Устройство для регулирования температуры в криостате (фиг. 1) содержит двухполюсник 1 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (на- 25 пример, туннельный диод), параллельно которому подключен колебательный контур, состоящий из индуктивной ветви с катушкой 2 и емкостной ветви, содержащей последовательно включенные тер- 30 морезистор 3, конденсатор 4 и дополнительный резистор 5. Кроме того, параллельно двухполюснику 1 включены вход широкополосного усилителя 6 и цепь 7, состоящая из последовательно соединенных блокировочного конденсатора 8 и регулируемого резистивного элемента 9, в качестве которого может быть использован полевой транзистор 10, в цепи стока которого включен40 подстроечный резистор 11. Выход широкополосного усилителя 6 нагружен на входы детектора 12, собранного, например, по диодной схеме, и частотных реле 13 и 14 соответственно высоких 45 и низких частот. Выход детектора 12 подключен к управляющему входу регулируемого реэистивного элемента 9, а выходы частотных реле нагружены на соответствующие входы триггера 15, выход которого подключен к обмотке электромагнитного реле 16, замыкающие контакты 17 которого осуществляют включение исполнительного механизма

18, а размыкающие контакты 19 включены параллельно дополнительному резистору 5. Первый электрод терморезистора 3 соединен с внутренней стенкой 20 криостата и через нее с общей шиной

Гс

r—

1+ с — р

P †. r, R где r=- — -- —;

l н!

rñ (2) Rñ г — --; с= с (р и

Сн

L

С (К,! безразмерные параметры, введение которых упрощает анализ работы схемы; (R„l — модуль отрицательного сопротивления двухполюсника 1 в рабочей точке.

Графическое изображение границы в области параметров r,й для случая с > с f) с 1 + c> приведено на фиг. За и представляет собой две гиперболы с, ассимптотами r и и r 1 + с с с и

Штриховкой на графике показана область отсутствия колебаний, слева и устройства, а второй электрод терморезистора соединен с одной обкладкой конденсатора 4, выполненного из диэлектрика с низкой теплопроводностью и запрессованного в наружную стенку

21 криостата так, что его другая обкладка выходит наружу криостата.

Двухполюсник 1 с отрицательным дифференциальным сопротивлением,блокировочный конденсатор 8 и регулируемый резистивный элемент 9, а также параллельный колебательный контур, состоящий из катушки 2, конденсатора 4, термореэистора 3 и дополнительного резистора 5, образуют автогенераторную систему с потерями в контуре, эквивалентная схема которой приведена на фиг. 2.

На этой схеме обозначены сопротивление терморезистора 3 .и дополнитель" ного резистора 5 К, сопротивление резистивного регулйруемого элемента 9 R, емкость блокировочного кон- денсатора 8 С, двухполюсник 1 с отрицательным сопротивлением 1 представлен, как это принято, резистором с сопротивлением -R!! и параллельно включенной емкостью С,!.

Анализ условий возбуждения такой схемы показывает, что граница области ее устойчивости может быть приближенно описана выражениями

5 150 справа от нее расположены области генерации. Частота колебаний вблизи границ описывается соответственно вы-. ражениями

8195

+ си) (3) fî (4) где f — собственная частота контура, 1

2 о -Д.С

Графическая зависимость частоты в полулогарифмическом масштабе от параметра r соответственно для правой и левой ветвей гипербол, изображенных на фиг. За, показана на фиг, Зб.

Устройство работает следующим ббразом.

Режим авто генераторной схемы выбирают таким, чтобы при сопротивлении терморезистора, соответствующем допустимой температуры, изображающая точка А схемы находилась в области отсутствия колебаний (фиг. За). При этом колебания на выходе автогенера- . торной схемы отсутствуют, напряжение с выхода детектора 12 на регулируемый резистивный элемент 9 не подается и его сопротивление, определяемое только сопротивлением подстроечного резистора 11 (так как транзистор 10 открыт), равно r (фиг. 3a) и задает положение изображающей точки А по вертикали. Триггер 15 при этом находится в низком состоянии,.электромаг.нитное реле 16 не срабатывает, контакты 17 разомкнуты, контакты 19 замкнуты, исполнительное устройство

18 включено, а дополнительный резистор 5, включенный в емкостную ветвь контура, закорочен.

При повьппении температуры внутри криостата сопротивление терморезистора снижается (для термометров КГГ,КА, БГ и ряда других), изображающая точка А при этом движется в направлении левой границы устойчивости и при некотором, заранее установленном значении температуры, выходит в область возбуждения (точка А, на фиг. 3a). На выходе автогенераторной схемы появляются колебания низкой частоты (фиг. Зб) малой амплитуды, которые усиливаются широкополосным усилителем 6, выпрямляются детектором 12, и полученное напряжение прикладывается

10 l5

55 к управляющему входу регулируемого резистивного элемента 9 (затвору транзистора 10), закрывая транзистор.

При этом сопротивление сток — исток транзистора увеличивается и изображающая точка А1 смещается по вертикали в положение А, удаляясь в результате этого от границы устойчивости. Зто приводит к нарастанию амплитуды колебаний на выходе автогенераторной схемы и дальнейшему увеличению сопротивления Е в результате запирания транзистора 10. Процесс продолжается до тех пор, пока амплитуда низкочастотных колебаний не окажется достаточной для срабатывания частотного реле 14 низкой частоты.

При этом триггер 5 переключается в верхнее устойчивое состояние, срабатывает реле 16, замыкаются контакты

17 и размыкаются контакты 19. Включается исполнительное устройство, отсасывающее пары хладагента иэ криостата, и одновременно изображающая точка А скачком смещается в область отсутствия колебаний А> благодаря увеличению сопротивления Р - емкостной цепи контура на величину сопротивления 5. При этом колебания на выходе автогенераторной схемы срываются, напряжение на выходе детектора

12 пропадает и сопротивление регулируемого резистивного элемента 9 лада-) ет до величины, определяемой подстроечным резистором 11. Изображающая точка А скачком смещается вертикально вниз в положение А, оставаясь при этом в области устойчивости.

Отсос паров хладагента сопровождается понижением температуры в криостате, ростом сопротивления терморезистора 3 и перемещением изображающей точки параллельно оси r в направлении правой границы . При выходе изображающей точки за правую границу области устойчивости (точка А ) на вы 5 ходе авто генераторной схемы появляются высокочастотные колебания с малой амплитудой, частота которых определяется по формуле (3) . Напряжение этих колебаний, будучи усилено и выпрямлено, приводит к закрыванию транзистора 10 и уходу изображающей точки вертикально вверх в положение А и,,как следствие, к удалению ее от границы области устойчивости. В результате амплитуда колебаний на выходе автоге1508195 нераторной схемы нарастает до величи-. ны, достаточной для срабатывания частотного реле 13 высокой частоты

<. триггер 15 опрокидывается и отпускает электромагнитное реле 16. При этом

5 размыкаются контакты 17 и замыкаются контакты 19. Исполнительное устройство 18 выключается, а изображающая точка скачком перемещается в положение А в связи .с уменьшением сопротивления R емкостной цепи контура на величину сопротивления 5. Колебания на выходе автогенераторной схемы срываются, транзистор открывается и 15 изображающая точка скачком перемещается в положение А, устройство возвращается в исходное состояние.

Колебания в цепи термореэистора существуют лишь до момента включения 20 или отключения исполнительного устройства, что существенно сокращает выделение мощности на терморезисторе.

Наличие положительной обратной связи через детектор в момент возникновения колебаний на выходе автогенераторной схемы способствует повышению чувствительности частотных реле, что повышает скорость их срабатывания.

Благодаря тому, что конденсатор кон- 30 тура образует тепловой разрыв цепи от терморезистора к автогенераторной схеме и обладает малой теплопроводностью, существенно сокращается приток тепла по соединительным проводам 35 криостата. Все это обеспечивает снижение расхода хладагента и затрат на обслуживание объекта.

Формула изобретения 10

Устройство для регулирования температуры в криостате,,содержащее терморезистор, подключенный к одной обкладке конденсатора параллельного колебательного контура, включенного параллельно двухполюснику с отрицательным дифференциальным сопротивлением и нагруженного на широкополосный усилитель и исполнительный механизм

oтлич ающее ся тем, что, с целью повышения его эффективности за счет снижения количества тепла, вносимого в криостат, оно снабжено частотными реле высоких и низких частот

У триггером, электромагнитным реле с замыкающими и размыкающими контактами, детектором, ре гулируемым резистивным элементом, блокировочным конденсатором, а в колебательный контур введен дополнительный резистор, причем входы частотных реле высоких и низких частот и детектора подключены к выходу широкополосного усилителя, выходы частотных реле соединены с со- ответствующими входами триггера, соединенного с электромагнитным реле, замыкающие контакты которого расположены в цепи исполнительного устройства, размыкающие контакты включены параллельно дополнительному резистору колебательного контура, выход детектора соединен с управляющим входом регулируемого резистивного элемента, подключеííîro через блокировочный конденсатор параллельно двухполюснику с отрицательным дифференциальным сопротивлением, а конденсатор колебательного контура выполнен из диэлектрика с низкой теплопроводностью и герметично вмонтирован в отверстие в наружной стенке криостата, при этом вторая его обкладка через дополнительный резистор соединена с двухполюсником с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

1508195

У ++Ch

Фиг. У гс

Составитель Л. Птенцова

Редактор А. Огар Техред М.Ходанич Корректор С.Шекмар

Заказ 5538/49 Тираж .788 Подписное

ВНИИПИ- Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Я-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101