Терморегулятор
Терморегулятор содержит 1 термометр сопротивления (1), 1 термостабильный резистор (2), 1 усилитель напряжения (3), 1 усилитель мощности (4), 1 нагреватель (5), 1 исполнительный элемент охлаждения (6), 1 цифровой программатор (7), 1 определяющий усилитель (8), 2 цифроаналоговых преобразователя (9, 10). 1 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (sl)s G 05 D 23/19
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4822831/24 (22) 29,03,90 (46) 15,05.92. Бюл. N. 18 (71) Ангарское опытно-конструкторское бюро автоматики Научно-производственного объединения "Химавтоматика" (72) Ю.B.Ïoäãîðíûé и В.И.Воропаев (53) 621,555.6(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР
М 623194, кл. 6 05 D 23/19, 1976.
Авторское свидетельство СССР
М 1118976, кл. G 05 D 23/24, 1980.
Изобретение относится к автоматическому регулированию температуры, в частности к прецизионным регуляторам температуры, входящим в системы термостатирования измерительных ячеек приборов, предназначенных для массовых определений диэлектрических характеристик диэлектриков, Известно устройство для регулирования температуры, содержащее резистивный термочувствительный мост, к выходной диагонали которого подключен блок управления, связанный со вторым блоком управления, B одно из плеч термочувствительного моста включен платиновый термометр сопротивления, а в другое потенциометрический четырехразрядный декадный задатчик.
Недостатками терморегулятора являются, во-первых, сложность коммутирующей схемы задатчика, во-вторых, большая погрешность задания температуры термостатирования (+.2 С), Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является терморегулятор БТП-78, содержащий усилитель напряжения, к выходу которого подключен усилитель мощности с исполнительными
„„59„„1734083 Al (54) ТЕPMOP Е ГУЛ ЯТОP (57) Терморегулятор содержит 1 термометр сопротивления (1), 1 термостабильный резистор (2), 1 усилитель напряжения (3), 1 усилитель мощности (4), 1 нагреватель (5), 1 исполнительный элемент охлаждения (6), 1 цифровой программатор (7), 1 определяющий усилитель (8), 2 цифроаналоговых преобразователя (9, 10), 1 ил. элементами нагрева и охлаждения, программатор, термометр сопротивления. (/) включенный в первое плечо измерительного ( моста, к измерительной диагонали которого подключен вход усилителя напряжения, задатчик, выключенный в противоположное плечо измерительного моста и выполненный в виде двух последовательно соединенных резисторов, между точкой соединения г 4 которых и вершиной питающей диагонали (д3 моста через замыкающие контакты ключей, ф„ управляющие входы которых связаны с выходом программатора, включены тетрады 1Оу1 двоичновзвешенн ых резисторов, соответствующие десятым долям, единицам, десяткам и сотням градусов цельсия, Недостатками терморегулятора яеляют-,м а ся, сложность, большое энергопотребление и низкая надежность коммутирующей части схемы задатчика температуры, состоящей из 16 ключей и 19 эталонных резисторов, а также неидеальHîсть сопряжения передаточной функции задатчика температуры со статической характеристикой термометра сопротивления, ограничивающая точность задания температуры.
1734083
hq
В Ц4+Ц5. (6) (7) q4 R2 R3
Ц5= Ц -р Ц4
А (8) Р2 R3
1 1 1 (— + — ) q4 Ц5 (9) Ц4 R2 3 или
В 2)) Ц4 Ц5
Ц4 + Ц5
q4 R2 3 (3) Баланс моста в рассматриваемом терморегуляторе описывается следующим уоавнением: н1+ к,,11+ А + BP) ц5+ Лц
= — д- | ) где R< — -опротивление балластного резистора, включенного последовательно с термометром сопротивления, описываемого функцией Й = R0(1+ Ат+ Bt ); г.
q5, q4 — проводимости последовательно включенных резисторов, образующих противоположное плечо моста;
Лц — проводимость резистора, включенного в тетраду градусов и соответствующего изменению задания температуры на один градус; . — заданная температура, С;
R0 — сопротивление термометра при 0 С;
R2 и R3 соп ротивления pe3I4cTopoB, образующих третье и четвертое плечи моста.
Делая допущения q5+ q4 «Лц t, преобразуем уравнение баланса моста (1) R>+R,(1+A1:+ ВР) q5+hq 1:
=(Ч5+ Ц «У —, + (st ) Пренебрегая в разложении членами выше второго порядка., получим ряд уравнений, связывающих параметры задатчика и термометра сопротивления, Для этого приравняем коэффициенты при нулевой, первой и второй степенях 1 в правой и левой частях уравнения (2): 1 + 0(— + — ) = R2 3;
1 . 1
q4 Ц5
Ro В Лц q4, (4)
2 2
R2 R3 q4 + Ц5 Ц4 + Ц5
RoA Ц4 г
R2 R3 Ц4+Ц5 (5) Из уравнений (3), (4) и (5) имеем р 3
5 Ц4 =»Ц.
R2 R3 В2
Подставляя (7) и (8) в (3), находим уравнение для определения балластного сопротивления R>:
При расчете параметров задатчика терморегулятора проводимости резисторов q4 и q5 приходится выбирать из двух противоречивых соображений: во-первых, чем выше
q4 и ц5, тем лучше сопряжение передаточной функции задатчика со статической характеристикой термометра, во-вторых, черезмерное увеличение ц4 и q5 снижает чувствительность терморегулятора, Выбор параметров терморегулягора упрощается, если в уравнениях (3) — (9) принять Ц4» ц5.
Тем не менее, проводимость q4 не может быть выбрана как уголно большой, так как при этом и квантующая проводимость Лц должна быть тоже увеличена до таких пределов, что невозможно будет реализовать
35 двоичновзвешенные татрады, так как ,,В, hq. — С 4.
Целью изобретения является упрощение терморегулятора при одновременном
40 повышении его надежности и точности задания температуры.
Поставленная цель достигается тем, что в терморегулятор, содержащий усилитель напряжения, к выходу которого подключены усилитель мощности с исполнительными элементами нагрева и охлаждения, программатор, термометр сопротивления и термостабильный резистор, первые выводы которых соединены с входом усилителя напряжения, дополнительно введены операционный усилитель, выход которого соединен со вторым выводом термометра сопротивления и два цифроаналоговых преобразователя, цифровые входы которых соединены с выходом программатора, а выход первого цифроаналогового преобразователя соединен с первым суммирующим входом операционного усилителя и входом опорного сигнала второго цифроаналогового преобразователя, выход которого связан с вычитающим
1734083 (4) вход ом операционного усилителя, второй При изменении температуры в термосуммирующий вход которого соединен с ис- стате(например, из-за изменения окру жаюточником опорного напряжения, вторым щей температуры) сопротивление выводом термостабильного резистора и термометра 1 изменяется, баланс моста навходом опорного сигнала первого цифроа- 5 рушается и на входе усилителя 3 появляется налогового преобразователя, сигнал разбаланса, который усиливается
Введение первого ЦАП, цифровые вхо- усилителями напряжения 3 и мощности 4 и ды которого связаны с выходом программа- в зависимости от полярности сигнала управтора, позволяют формировать напряжение, ляет нагревателем 5 или исполнительным пропорциональное заданной температуре 10 элементом охлаждения 6. B результате темрегулирования. пература в термостате восстанавливается.
Введение второго ЦАП, цифровые вхо- При изменении цифрового сигнала на ды которого также связаны с выходом про- выходе программатора 7 (в ручном или автограмматора, а вход опорного сигнала — с матическом режиме задания температуры) выходом первого ЦАП, позволяет формиро- 15 цифровой код, соответствующей заданной вать поправку, учитывающую квадратичный температуре регулирования, поступает на характер характеристики платинового тер- вход цифроаналоговых преобразователей мометра сопротивления, что в конечном и10. В результате на выходе ЦАП 9появляитоге повышает точность задания темпера- ется напряжение, пропорциональное протуры регулирования, 20 изведению заданной температуры и
Введение инвертирующего операцион- опорного напряжения ного усилителя позволяет подавать на тер- Ug = kgUt, (1) мометр сопротивления сумму напряжений, где Ug — напряжение на в ходе Ц а именно соответствующего реперной тем- kg — коэффициент передачи ЦАП 9; пературе(например, 0 С) и пропорциональ- 25 с — заданная температура; ного заданной температуре регулирования U — напряжение опорного источника, (с первого ЦАП), а также учитывающего квад- поступающее одновременно на термостаратичный характер статической характеристи- бильный резистор 2, второй суммирующий ки термометра сопротивления (со второго вход операционного усилителя 8 и вход
ЦАП). Инвертирование напряжения, подава- 30 опорного сигнала ЦАП 9. ого на термометр сопротивления, по от- С выхода ЦАП 9 напряжение U поступаем и а и- ношению к опорному напряжению, ет на первый суммирующии вход опер ц - подаваемому на термостабильные резисто- онного усилителя 8 и на вход опорного ры, позволяет получить нулевой сигнал на сигнала ЦАП 10, на выходе которого уставходе усилителя напряжения при достиже- 35 навливается напряжение. нии объектом температуры, равной заданно2 му значению. 010 = kg k1oUt, (2)
На чертеже приведена принципиальная где k
Терморегулятор работает следующим вычитающему соответственно.
Напряжение Ua поступает на термометр соПусть в исходном состоянии на выходе противления, Баланс моста (нулевой потенпрограмматора присутствует цифровой код, 50 циал на входе усилителя напряжения 3) соответствующий заданию температуры будет иметь место при равенстветоков, протермостатирования 0 С, температура в тер- текающих через термометр сопротивления мостате также равна 0 С и сопротивление 1 и термостабильный резистор 2: термометра 1 равно Ro. При этом на входе усилителя 3 отсутствует сигнал разбаланса, 55 Ua + U — 0 так как в этот момент сопротивление термо- Rt P стабильного резистора 2 и термометра 1 равны и на них подаются напряжения про- где R — сопротивление термометра при зативоположного знака, равные по абсолют- данной температуре; ной величине.
1734083 о, к82 k9 А к81 к 81 к83 к9 к10
k81 (7) 40
50
R2 — сопротивление термостабильного резистора 2.
Сопротивление платинового термометра достаточно точно описывается квадратичной функцией в широком диапазоне
:емператур
% = Ro(1 + At + Вт ), (5) где R< — сопротивление термометра при температуре т;
R0 — сопротивление термометра при реперной температуре то, обычно равной 0 С;
А =- 3,908 10; В =5,802 10 — коэффициенты., учитывающие кривизну статической характеристики термометра сопротивления, Подставляя в (4) выражения (3) и (5) и учитывая (1) и (2), получим
1 k81 + k82 k9 < k83 k9 i<10 t () .г
R.(1+ At+ В 2) Из (6) очевидно, что заданная температура в термостате установится при выполнении следующих условий:
Уравнения (7) имеют практическую ценность, так как позволяют рассчитать параметры элементов терморегулятора, оаеспечивающие идеальное сопряжение передаточной функции задатчика температуры со статической характеристикой термометра сопротивления и обеспечить более высокую точность задания температуры, Введение двух ЦАП и операционного усилителя взамен позволяет отказаться от
5 коммутирующих элементов и эталонных резисторов двоично взвешенных тетрад, что упрощает устройство, повышает надежность и снижает энергопотребление и массогабаритные характеристики терморегулятора.
10 Формула изобретения
Терморегулятор, содержащий усилитель напряжения, к выходу которого подключены усилитель мощности с исполнительными элементами нагрева и охлаждения, про15 грамматор, последовательно соединенные термометр сопротивления и термостабильный резистор, объединенные выводы которых поисоединены к входу усилителя напряжения, отличающийся тем, что, 20 с целью упрощения при одновременном повышении надежности и точности задания температуры, в него дополнительно введены операционный усилитель, выход которого связан с вторым выводом термометра
25 сопротивления, и два цифроаналоговых преобразователя, цифровые входы которых соединены с выходом программатора, а выход первого цифроаналогового преобразователя соединен с первым суммирующим
30 входом операционного усилителя и входом опорного сигнала второго цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с вычитающим входом операционного усилителя, второй суммирующий вход кото35 рого соединен с источником опорного напряжения, с вторым выводом термостабильного резистора и входом опорного сигнала первого цифроаналогового преобразователя, 1734083
50
Составитель Ю,Подгорный
Техред М.Моргентал Корректор О.Кравцова
Редактор Н,Горват
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
Заказ 1670 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
