Устройство для двухпозиционного регулирования температуры

Изобретение относится к области приборостроения и может быть применено для регулирования температуры на объектах промышленного, транспортного, бытового, биомедицинского и сельскохозяйственного назначения. Технический результат - повышение точности регулирования. Для достижения данного результата генератор импульсов опорного напряжения выполнен в виде генератора одиночных импульсов, скважность и частота следования которых задаются в зависимости от реальных условий эксплуатации устройства. При этом блок формирования позиционного сигнала управления выполнен в виде схемы, срабатывающей по фронту входного импульса. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области автоматического регулирования температуры с использованием электрических средств и может быть применено на объектах промышленного, транспортного, бытового, биомедицинского и сельскохозяйственного назначения.

Известны устройства для двухпозиционного регулирования температуры (см. патенты РФ 2032209 С1, кл. G05D 23/19, 1995, Бюл. №9; РФ 2160920 С2, кл. G05D 23/19, 2000, Бюл. №35; РФ 2111525 С1, кл. G05D 23/19, 1998, Бюл. №14), в которых датчик температуры, обладающий пороговой функцией переключения, выполнен из измерительного моста с термометром сопротивления в одном из плеч, усилителя напряжения и пороговой схемы, содержащей компараторный или триггерный элемент.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является принятое за прототип устройство для двухпозиционного регулирования температуры (см. патент РФ 2233467, кл. G05D 23/19, 2004, Бюл. №21), содержащее последовательно включенные генератор импульсного опорного напряжения, пороговый датчик температуры, ключевой блок и исполнительный блок, пороговый датчик температуры в котором содержит последовательно включенные входной блок задания амплитуды импульсов опорного напряжения, прямовключенный термочувствительный S-диод, выходной блок формирования позиционного сигнала управления, выполненный в виде схемы сглаживающего фильтра, и токоограничительный резистор, включенный между выходом S-диода и общей шиной.

Недостаток этого устройства заключается в относительной неточности его работы, причинами которой являются следующие факторы:

1) самонагрев термочувствительного S-диода в открытом состоянии импульсным рабочим током, действующая величина которого (зависящая от скважности) принципиально не может быть в достаточной мере уменьшена путем увеличения скважности из-за ограничения допустимого уровня пульсаций позиционного управляющего сигнала, поступающего с выхода сглаживающего фильтра на вход ключевого блока;

2) резкий спад амплитуды импульсов опорного напряжения в период открытого состояния S-диода, происходящий вследствие подключения к выходу генератора импульсов низкоомной (на время переходного процесса накопления заряда) схемы сглаживающего фильтра;

3) функциональная и схемотехническая сложность (многозвенность), обусловленная необходимостью построения цепи обратной связи, корректирующей амплитудную нестабильность импульсов опорного напряжения.

Целью изобретения является повышение точности работы устройства при одновременном его упрощении.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для двухпозиционного регулирования температуры, содержащем последовательно включенные генератор импульсов опорного напряжения, пороговый датчик температуры, ключевой блок и исполнительный блок, пороговый датчик температуры в котором содержит последовательно включенные входной блок задания амплитуды импульсов опорного напряжения, прямовключенный термочувствительный S-диод, выходной блок формирования позиционного сигнала управления и токоограничительный резистор, включенный между выходом S-диода и общей шиной, генератор импульсов опорного напряжения выполнен в виде генератора одиночных импульсов опроса, скважность и частота следования которых задаются в зависимости от требуемой величины температурного гистерезиса и тепловой инерционности объекта регулирования, а блок формирования позиционного сигнала управления выполнен в виде схемы, срабатывающей по фронту входного импульса. При этом блок формирования позиционного сигнала управления может быть выполнен в различных модификациях, например либо в виде схемы перезапускаемого одновибратора с заданной длительностью выходного позиционного сигнала, либо в виде схемы совпадения входного (опроса) и выходного (отклика) импульсов термочувствительного S-диода.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем: 1) выполнение генератора импульсов опорного напряжения в виде генератора одиночных импульсов с заданными скважностью и частотой следования импульсов позволяет многократно уменьшить действующую величину импульсного рабочего тока термочувствительного S-диода и, соответственно, «паразитную» мощность, расходуемую на его нагрев и нагрев околосенсорного пространства (вокруг S-диода), что значительно уменьшает погрешность слежения за температурой; 2) выполнение блока формирования позиционного сигнала управления в виде схемы, срабатывающей по фронту входного импульса, обеспечивает функциональную способность устройства работать в режиме одиночных (т.е. редких и коротких) импульсов.

Электрическая мощность P_s, потребляемая S-диодом, равна произведению квадрата действующей величины I_д импульсного рабочего тока на внутреннее сопротивление R_ос в его открытом состоянии. Для последовательности импульсов прямоугольной формы I_д=I_a/Q^1/2 (см. «Справочное пособие по основам электротехники и электроники» под ред. А.В. Нетушила. М.: ЭАИ, 1997, с.106), где I_а - амплитуда импульсов, Q_и - скважность. Тогда мощность, расходуемая на самонагрев S-диода, обратно пропорциональна скважности импульсов, т.е. P_s=R_ос/Q_и. Следовательно, появилась возможность, увеличивая скважность, многократно повысить точность терморегулирования за счет более эффективной реализации главного принципа построения датчиков - принципа «неискажения» контролируемого параметра измерительным средством, то есть в данном случае - за счет минимизации самонагрева первичного термопреобразователя. Кроме того, варьирование скважностью импульсов рабочего тока S-диода и, соответственно, температурой его самонагрева в открытом состоянии позволяет настраивать устройство на требуемую величину температурного гистерезиса, т.е. использовать коэффициент скважности в качестве параметра управления температурным гистерезисом.

Таким образом, наличие в предлагаемом техническом решении указанной совокупности признаков, отличающих его от прототипа, обусловливает появление в нем свойств, предопределяющих положительный эффект.

Изобретение поясняется иллюстрациями, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства, а на фиг.2 а-е изображены диаграммы, поясняющие принцип его работы. На фиг.2а, г изображена последовательность импульсов опорного напряжения заданной амплитуды (импульсов опроса) на входе S-диода; на фиг.2б - вольт-амперная характеристика (ВАХ) S-диода; на фиг.2 в - последовательность импульсов отклика на выходе S-диода; на фиг.2д - двухпозиционный управляющий сигнал U⁰, U¹; на фиг.2е - уровни проводимости в цепи исполнительного канала ключевого блока.

Устройство для двухпозиционного регулирования температуры, функциональная схема которого представлена на фиг.1, содержит последовательно включенные генератор 1 одиночных импульсов опроса с заданными скважностью и частотой следования импульсов, пороговый датчик 2 температуры, ключевой блок 3 и исполнительный блок 4, а датчик 2 температуры содержит последовательно включенные входной блок 5 задания амплитуды импульсов опорного напряжения, прямовключенный термочувствительный S-диод 6, выходной блок 7 формирования позиционного сигнала управления, выполненный либо в виде схемы перезапускаемого одновибратора (по п.2 формулы), либо в виде схемы совпадения входного (опроса) и выходного (отклика) импульсов S-диода 6 (по п.3 формулы), и токоограничительный резистор 8, включенный между выходом S-диода 6 и общей шиной. На схеме устройства (фиг.1) и диаграмме управляющих позиционных сигналов (фиг.2д) штриховыми линиями обозначены отличия, относящиеся к модификации устройства, выполненного по п.3 формулы, т.е. со схемой совпадения импульсов.

На иллюстрациях приняты следующие обозначения: , , - амплитуда, частота и скважность импульсов (чертой сверху обозначены заданные или уставочные значения этих величин), t - текущее время, t₁-t₆ - временные координаты импульсов, U₅ - напряжение на выходе блока 5 задания амплитуды импульсов, I_s - ток S-диода, U_s - падение напряжения на S-диоде, U_от - напряжение открывания S-диода, R_н - сопротивление нагрузочной цепи S-диода, U_R - падение напряжения на нагрузочной цепи S-диода; U_п - пороговое напряжение (это напряжение питания схемы включения S-диода с нагрузкой, т.е. напряжение между его входом и общей шиной, необходимое и достаточное для открывания S-диода при заданной температуре: U_п(t°)=U_от(t°)+U_R), U₇ - двухпозиционный управляющий сигнал (U⁰, U¹) на выходе блока 7, К - проводимость исполнительного канала ключевого блока 3; на ВАХ S-диода обозначены: т.А - точка его закрытого состояния, т.В - точка открывания, т.С - точка открытого состояния (удержания).

Работает устройство следующим образом. На подготовительном этапе устройство тарируют с конкретно используемым экземпляром S-диода. Для этого сначала строят температурно-вольтовую характеристику порогового датчика температуры (при заданном R_н), т.е. характеристику, устанавливающую зависимость пороговых напряжений от температуры U_п=U_п(t°). С этой целью выбирают ряд реперных температур, например, имеющих определенное практическое значение: -20°С(зимняя), 0°С, 20°С (комнатная), 40°С (биомедицинская), 60°С (противопожарная), 80°С(автодвигателя), 100°С и т.п., и по ним сначала таблично, а затем посредством сглаживания строят температурно-вольтовую характеристику. По этой характеристике устройство шкалируют. Перед включением устройство настраивают на заданный режим эксплуатации путем установки значений и в блоке 1 и значения в блоке 5 (фиг.1). Величины скважности выбирают либо с целью установки заданной величины температурного гистерезиса, либо исходя из требования минимизации температурной погрешности. При этом величина скважности ограничивается сверху предельным быстродействием S-диода, а частота ограничивается снизу требованием к допустимой погрешности дискретизации отсчетов.

После включения электропитания устройства генератор 1 посылает одиночные импульсы опорного напряжения на вход блока 5 задания амплитуды, с выхода которого они в качестве импульсов опроса (импульсы опроса - это одиночные импульсы опорного напряжения, амплитудное значение которых равно пороговому напряжению) поступают на вход термочувствительного S-диода 6 (фиг.2а, г). Если температура S-диода ниже заданной, то он, находясь в закрытом состоянии (т.А на фиг.2б), блокирует их, а если равна или выше, то, находясь в открытом состоянии (т.т.В и С на фиг.2б), пропускает далее. Во втором случае на токоограничительном резисторе 8, выполняющем функцию нагрузки, формируются импульсы отклика (на фиг.2в импульсы с координатами t₂-t₄). Эти импульсы, поступая на вход блока 7, своими фронтами инициируют появление (прямое срабатывание) на его выходе позиционного сигнала управления высокого уровня U (момент t на фиг.2д). В модификациях устройства, выполненных по п.2 и п.3 формулы, имеют место некоторые взаимные отличия в принципах формирования переднего и заднего фронтов позиционного сигнала управления (эти отличия обозначены штриховыми линиями на фиг.1 и фиг.2д, е).

В модификации устройства, выполненного по п.2 формулы, т.е. со схемой перезапускаемого одновибратора, формирование заднего фронта позиционного сигнала управления (обратное срабатывание) инициируется по факту окончания временной задержки Δt₃, отсчитываемой от момента (t₄) поступления на вход схемы последнего импульса отклика (каждый импульс на входе перезапускает схему одновибратора). При этом интервал времени задержки, т.е. длительность позиционного сигнала, целесообразно устанавливать в пределах Т_и<Δt₃<2T_и, где T_и - период следования импульсов (фиг.2 в, г, д).

В модификации устройства, выполненного по п.3 формулы, т.е. со схемой совпадения импульсов, передний фронт позиционного сигнала управления формируется по факту одновременного присутствия импульсов на обоих входах схемы совпадения (момент t₂ на фиг.2 в, г, д), то есть импульса отклика, выполняющего функцию информационного импульса, на ее первом входе, и импульса опроса, выполняющего функцию синхроимпульса, на ее втором входе (обозначенном штриховой стрелкой на фиг.1). Формирование заднего фронта позиционного сигнала управления (обозначенного штриховой линией, момент t₅ на фиг.2д) инициируется появлением на втором входе схемы совпадения синхроимпульса (импульса опроса) в отсутствие информационного импульса (импульса отклика) на ее первом входе (момент t₅ на фиг.2в, г).

Уровнями U⁰, U¹ позиционного сигнала на выходе блока 7 управляются ключевой блок 3 и, соответственно, исполнительный блок 4 (фиг.2д, е).

Функциональные узлы и блоки экспериментальных образцов устройства выполнены на основе следующих элементов: генератор 1 одиночных импульсов опорного напряжения - на основе интегральной микросхемы (ИМС) таймера марки LM555CN; блок 5 задания амплитуды импульсов опроса - на основе ИМС управляемого стабилитрона марки TL431; блок 7 формирования позиционного сигнала управления - на основе ИМС двух компараторов LM1391N (в модификации по п.2 формулы) и на основе ИМС D-триггера серии 561 со схемой задержки синхроимпульса (в модификации по п.3 формулы); ключевой блок 3 - на основе ИМС оптоэлектронного реле малой мощности типа КР293; исполнительный блок 4 - на основе твердотельного реле большой мощности (380B, 25A) фирмы «CRYDOM».

Экспериментальный образец заявляемого устройства испытывался в калибровочном термостате марки U-90752-05 (USA). В результате проведенных оценочных испытаний предварительно установлено, что экспериментальный образец устройства обладает абсолютной погрешностью термостатирования, не выходящей за пределы значений ±0,03°С, что является уникальным показателем при сопоставлении с аналогами. Кроме того, заявляемое устройство технологично в изготовлении и схемотехнически значительно проще своих аналогов за счет меньшего числа функциональных элементов.

1. Устройство для двухпозиционного регулирования температуры, содержащее последовательно включенные генератор импульсов опорного напряжения, пороговый датчик температуры, ключевой блок и исполнительный блок, пороговый датчик температуры, в котором содержит последовательно включенные входной блок задания амплитуды импульсов опорного напряжения, прямовключенный термочувствительный S-диод, выходной блок формирования позиционного сигнала управления и токоограничительный резистор, включенный между выходом термочувствительного S-диода и общей шиной, отличающееся тем, что генератор импульсов опорного напряжения выполнен в виде генератора одиночных импульсов с заданными скважностью и частотой следования импульсов, а блок формирования позиционного сигнала управления выполнен в виде схемы, срабатывающей по фронту входного импульса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования позиционного сигнала управления выполнен в виде схемы перезапускаемого одновибратора с заданной длительностью выходного позиционного сигнала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования позиционного сигнала управления выполнен в виде схемы совпадения входного и выходного импульсов термочувствительного S-диода, у которой первый вход подключен к выходу термочувствительного S-диода, а второй вход - к выходу блока задания амплитуды импульсов опорного напряжения.