Способ термостатирования и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к способам автоматического регулирования температуры и может быть использовано при прецизионном термостатировании объектов в метрологии, радиотехнике. В способе и устройстве решается задача повышения точности стабилизации температуры. Способ основан на статировании температуры объекта по сигналу изменения частоты кварцевого генератора с термозависимым кварцевым резонатором. Новым в способе является изменение значения мощности возбуждения кварцевого генератора, обеспечивающее достижение провала температурно-частотной характеристики кварцевого резонатора в точке статирования Устройство содержит кварцевый генератор 2 с термочувствительным кварцевым резонатором 1 в термокамере 13, преобразователь частота - код 3, задатчики кодов 4 - 6, элементы 7, 8 сравнения, коммутатор 9, RS-триггер 10, усилитель 11с переменным коэффициентом передачи и нагреватепь 12 2 с.п. Ф-лы, 2 ил. (Л С xj О

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (зал G 05 D 23/19

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ, 1 Ь (21) 4773078/24 (22) 30,10.89 (46) 15.06.92. Бюл. ¹ 22 (71) Харьковский политехнический институт им. B.È.Ëåíèíà (72) В.Г.Воронов, А,И,Гапон, П.А.Качанов и М.В.Гунбин (53) 62,50 (088.8) (56) Автоматизация производства и промышленная электроника. М,; Советская энциклопедия, т,4, 1965, с,33 — 34.

Воронов В,Г., Гапон А.И„Гунбин M.Â, и др, Анализ устойчивости систем термостатирования с пьеэокварцевым датчиком. — B кн.: Системы сбора и обработки информации. Таганрог, ТРТИ, 1985, вып.6, с,87 — 95.

Альтшуллер Г.Б„Ефимов Н.Н„Шапулин В.Г. Кварцевые генераторы: Справ. пособие, M,: Радио и связь, 1984.

Симонов B.È. Провалы активности в высокочастотных гармониковых кварцевых резонаторах. — Электронная техника. Сер,8, Радиодетали и радиокомпоненты, 1981, вып. 4, с.46 — 49.

Ballato А. Static and Dynamic Behavior

of Quartz Resonators, — IEEE Transactions

on Sonics and Ultrasonics, vol. SU-26, No.4, J uly 1979, Ы 1741110 А1 (54) СПОСОБ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ И

УСТРОЙСТВО 4ЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к способам автоматического регулирования температуры и может быть использовано при прецизионном термостатировании объектов в метрологии, радиотехнике. В способе и устройстве решается задача повышения точности стабилизации температуры. Способ основан на статировании температуры объекта по сигналу изменения частоты кварцевого генератора с термозависимым кварцевым резонатором. Новым. в способе является изменение значения мощности возбуждения кварцевого генератора, обеспечивающее достижение провала температурно-частотной характеристики кварцевого резонатора в точке статирования, Устройство содержит кварцевый генератор 2 с термочувствительным кварцевым резонатором 1 в термокамере 13, и реобразователь частота — код 3, задатчики кодов 4 — 6, элементы 7, 8 сравнения, коммутатор 9, RS-триггер 10, усилитель 11 с переменным коэффициентом передачи и нагреватель 12.

2 с.п, ф-лы, 2 ил.

1741110

50

Изобретение относится к способам автоматического регулирования температуры и может быть использовано там, где требуется прецизионное термостатирование объектов, например в метрологии, радиотехнике и т.п.

Известен способ термостабилизации в термоэлектрическом термостате, включающий измерение температуры термостатируемого объекта, воздействие на объект тепловым потоком, при отклонении температуры объекта от заданного значения.

Недостатком этого способа термостабилизации является низкая точность.

Наиболее близким к предлагаемому является способ термостатирования, основанный на регулированиитемпературы объекта с помощью регулятора по сигналу изменения частоты автоколебаний генератора с кварцевым резонатором, имеющим провал активности температурно-частотной характеристики (ТЧХ) в диапазоне статирования.

Известно устройство для термостатирования, содержащее кварцевый генератор с чувствительным кварцевым резонатором, размещенным в термокамере, преобразователь частота-код, задатчик кода, элемент сравнения, RS-триггер и последовательно соединенные усилитель и нагреватель.

Недостатком известного способа и устройства является низкая точность термостатирования за счет низкой термочувствительности, которая не превышает

200 Гц/ОС.

Цель изобретения — повышение точности статирования температуры.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу термостатирования, заключающемуся в контроле частоты кварцевого генератора с термозависимым кварцевым резонатором, имеющим провал ТЧХ и формировании по ее значению управляющего воздействия, при достижении частотой кварцевого генератора значения, соответствующего температуре статирования, устанавливают значение мощности возбуждения кварцевого генератора, обеспечивающее достижение провала на температурно-частотной характеристике кварцевого резонатора.

При этом в устройство для термостатирования, содержащее кварцевый генератор с термочувствительным кварцевым резонатором, размещенным в термокамере преобразователь частота-код, первый задатчик кода, первый элемент сравнения, RS-триг-. гер, последовательно- соединенные усилитель и нагреватель, введены коммутатор, второй элемент сравнения, второй и третий задатчики кода, а усилитель выполнен с регулируемым коэффициентом передачи, вход управления которого подключен к выходу

RS-триггера, связанного R-входом с выходом первого элемента сравнения, à S-Входом с первым выходом второго элемента сравнения, второй выход которого соединен с входом усилителя, выход кварцевого генератора соединен с входом преобразователя частота-код, выход которого подключен к одним из входов первого и второго элементов сравнения, к другому входу первого элемента сравнения подсоединен выход первого задатчика кода, а к другому входу второго элемента сравнения подключен выход коммутатора, входы которого связаны с выходами первого и второго задатчиков кодов соответственно, управляющие входы коммутатора и кварцевого генератора соединены с выходом RS-триггера.

Известно, что при повышении мощности возбуждения генератора с кварцевым резонатором AT-среза, его ТЧХ имеет провалы до десятков миллионных долей от основной частоты fo на интервале температур

0,001 — 0,1 С. Для резонатора, колеблющегося на частоте 5 МГц, это соответствует чувствительности 5000 Гц/ С, в то время как лучшие образцы термочувствительных кварцевых резонаторов имеют термочувствительность не выше 200 Гц/ С. При увеличении мощности возбуждения возрастает амплитуда провала частоты, что позволяет регулировать термочувствительность. Провалы активности AT-резонаторов являются следствием нелинейного взаимодействия основной моды колебаний с модами более низких порядков, поэтому температуру провала можно изменять путем коррекции геометрических размеров или угла среза шлифовкой пьезоэлемента. Таким образом, можно получить кварцевый резонатор с требуемой чувствительностью в заданной точке статирования температуры, Гистерезис провала активности ТЧХ, о котором упоминается, объясняется влиянием динамического коэффициента частоты, который для резонаторов AT-среза составляет порядка 13 10 ""/ С и зависит, следовательно, от скорости изменения температуры. В реальных системах термостатирования скоростью изменения температуры (по техническим требованиям и системам) не превышает 2 — 4 С/мин, поэтому гистерезисом можно прен бречь.

На фиг,1 представлены температурночастотная характеристика одного из кварце1741110

15

25

30 описачо выше, 40

55 вых резонаторов с AT-срезом и участок этой

ТЧХ с провалом активности в точке статирования; на фиг.2 — структурная схема устройства, реализующего способ термостабилизации.

Устройство для термостатирования содержит термочувствительный кварцевый резонатор 1, кварцевый генератор 2, преобразователь частота-код 3, задатчики 4 — 6 кодов, элементы 7 и 8 сравнения, причем выходы задатчиков 4 и 5 через коммутатор 9 соединены с первым входом элемента 7 сравнения, а выход задатчика 6 соединен с первым входом элемента 8 сравнения, вторые входы элементов 7 и 8 сравнения соединены с выходом преобразователя частота-код 3, второй выход элемента 7 сравнения и выход элемента 8 сравнения соединены соответственно с S-u R-входами

RS-триггера 10, прямой выход которого подключен к управляющим входам коммутатора 9, кварцевого генератора 2 и усилителя

11 с переменным коэффициентом передачи, информационный вход которого соединен с первым входом элемента 7 сравнения, а выход через последовательно соединенные нагреватель 12 и термокамеру 13 — с входом термочувствительного кварцевого резонатора 1.

В задатчике 4 записан код температуры точки 1 (фиг.1), в зада гчике 5 — код температуры статирования то«к ; 2 . фиг.1), в задатчике 6 — код температура точки 3 (фиг.i), Способ термостатирования реализован следующим образом, Способ термостатирования включает два режима. Первый соответствует режиму с низким уровнем возбуждения кварцевого генератора с термозависимым кварцевым резонатором и с высоким коэффициентом передачи системы регулирования, Этот режим используется в качестве предварительного для подведения системы к области рабочей точки, т.е. система работает в режиме начального прогрева объекта.

При достижении частотой кварцевого генератора. значения, соответствующего температуре статирования, устанавливают значение мощности возбуждения кварцевого генератора, обеспечивающее достижение провала ТЧХ кварцевого резонатора, и снижают коэффициент передачи системы (второй режим), Устройство работает следующим образом.

В процессе выхода (нагрева) термокамеры 13 в режим разность кодов преобразователя частота-код 3 (N ) и задатчика 4(N4) больше нуля (N> - Nq > О), на первом выходе элемента сравнения 7 появляется сигнал управления и через усилитель 11 включает нагреватель 12 термокамеры 13. При достижении температуры точки 1 (Йл — — N4) на втором выходе элемента 7 сравнения появляется сигнал, который переключает триггер 10 в

".1", Своим сигналом триггер скачкообразно увеличивает мощность возбуждения генератора 2 и уменьшает коэффициент передачи усилителя 11 и через кОммутирующее устройство 9 подключает к входу элемента 7 сравнения задатчик 5 и отключае задатчик

4. Таким образом, формируется ТЧХ кварцевого резонатора, имеющая вид, представленный на фиг,1 (появляется провал активности ТЧХ в диапазоне статирования).

С целью более точного приближения к температуре статирования и исключения перегрена уменьшают коэффициент передачи усилителя. Стабилизация температуры осуществляется относительно точки 2 (фиг.1), В случае воздействия возмущающего воздействия, которое система не в состоянии отработать, или же при выходе в режим из зоны температур выше температуры статироаания код Ь4 будет больше или равен Nr, и на выходе элемента 8 сравнения появится сигнал, который переведет RS-триггер 10 в "0" (увеличится коэффициент передачи усилитеns) и уменьшится мощность возбуждения генератора. К входу элемента 7 сравнения через коммутирующее устройство 9 подключается задатчик 4 и отключается задатчик 5. При достижении температуры точки 1 (фиг.1) термокамера выходит в режим, как

Формула изобретения

1, пособ термостатирования, заключающийс;. :в контроле частоты кварцевого генератора с ермозависимым кварцевым резо,;а аро.::, имеющим прова;. активное и темггературно-частотной характерис иа.. и формк,рование по ее значению управля.ощего воздейс. вия, о т л и ч à IG шийся гем, что, с целью повышения точности, при пости>кении частотой кварцевого генератсра значения, соответствующего температуре статирования, устанавливают значение мощности возбуждения кварцевого генератора, обеспечивающее достижение провала на температурно-частотной характеристике кварцевого резонатора, 2, Устройство для термостатирования, содержащее кварцевый генератор с термачуствительным кварцевым резонатором. размещенным в термокамере, преобразователь частота-код, первый задатчик;;ода, первый элемент сравнения, RS-триггер, последовательно соединенные усилитель и нагреватель, о т л и ч а ю щ 6 8 с я тем, что, с целью повышения точности, устройство со1741110

50 держит коммутатор, второй элемент сравнения, второй и третий задатчики кода, а усилитель выполнен с регулируемым коэффициентом передачи, вход управления которого подключен к выходу RS-триггера, связанного R-входом с выхода первого элемента сравнения, а S-входом — с первым выходом второго элемента сравнения, второй выход которого соединен с входом усилителя, выход кварцевого генератора соединен с входом преобразователя часто. та-код, выход которого подключен к одним из входов первого и второго элементов сравнения, к другому входу первого элемента сравнения подсоединен выход первого

5 задатчика кода, а к другому входу второго элемента сравнения подключен выход коммутатора, входы которого связаны с выхода-ми первого и второго задатчиков кодов соответственно, управляющие входы ком10 мутатора и кварцевого генератора соединены с выходом RS-триггера.