Термостат для калибровки и проверки океанографических приборов


 


Владельцы патента RU 2506624:

Федеральное государственное бюджетное учреждение "Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт" (ФГБУ "ААНИИ") (RU)

Изобретение относится к термостату для калибровки и поверки океанографических приборов. Технический результат заключается в повышении точности термостатирования до 0,001°C и в сокращении времени выхода термостата в заданную точку температуры в 3 раза за счет оптимизации алгоритма регулирования. Для этого предложен термостат, содержащий рабочую теплоизолированную камеру и размещенные в ней охлаждающий элемент Пельтье с вентилятором, подключенные непосредственно к стабилизированному источнику питания, резистивный нагревательный элемент, управ-ляемый исполнительным ключом в виде силового транзистора, и электронный регулятор температуры, состоящий из мостовой схемы с датчиком и задатчиком температуры, с уси-лителем разбаланса моста, при этом электронный регулятор температуры дополнен последовательно включенными между мостовой схемой и входом силового транзистора блоком плавного регулирования мощности нагревателя и блоком упрежде-ния включения и выключения нагревательного элемента, при этом блок упреждения включения и выключения нагревательного элемента выполнен на операционном усилите-ле с дифференцирующей RC-цепочкой в инвертирующей обратной связи операционного усилителя, а блок плавного регулирования мощности нагревательного элемента выполнен в виде генератора пилообразного напряжения треугольной формы с регулируемым поро-гом отсечки, построенного из двух логических элементов ИЛИ с интегрирующей RC- цепью на выходе генератора. 1 ил.

 

Изобретение относится к области океанографической техники и предназначено для калибровки и поверки измерительных приборов при использовании совместно с эталонным цифровым термометром.

Известны термостаты, содержащие теплоизолированный корпус и размещенные в нем блок питания, вентилятор, нагреватель и блок охлаждения, управляемые первым и вторым задатчиками и блоком регулирования температуры (Патент RU №95112630 от 27.07.1997 г. Термостат). Недостатком этого термостата является необходимость использования дополнительных хладоэлементов (предварительно охлажденных закладных емкостей) и электрического аккумулятора, что ограничивает продолжительность рабочего сеанса и тем самым создает неудобства в работе, снижающие производительность труда.

Известно также "Устройство для регулирования температуры" аналогичного назначения, используемого в электрорадиотехнических системах (патент RU №2160920 C2 от 20.12.2000 г.). Это устройство содержит последовательно включенные термочувствительный узел, усилитель с переключательной характеристикой компаратора и нагреватель. Устройство отличается тем, что в термочувствительный узел введен дополнительно высокоомный резистор. Кроме того, устройство отличается тем, что усилитель с переключательной характеристикой компаратора содержит первый и второй транзисторы и выходной транзисторный ключ, к коллектору которого подключен нагреватель. Преимуществом данного устройства согласно описанию является уменьшение потребления энергии в состоянии «выключено» и «уменьшение габаритов». Недостатком данного устройства, с точки зрения поставленной задачи, является низкая точность термостатирования, обусловленная двухпозиционным режимом работы регулятора. Этот недостаток связан с использованием усилителя с переключательной характеристикой компаратора. При двухпозиционном принципе регулирования нагреватель устанавливается в положение «включено» или «выключено» только в момент достижения заданной точки температуры. При этом неизбежно происходит перерегулирование за счет инерционности нагревательного элемента. В результате температура рабочей камеры все время колеблется около заданной точки термостатирования с некоторой амплитудой по пилообразному закону. Амплитуда и период колебаний температуры определяются соотношением теплоемкости нагревателя к теплоемкости содержимого рабочей камеры, а также временем запаздывания реакции датчика температуры. В типичном случае амплитуда колебаний температуры составляет от 0,1 до 1°C, а период колебаний - от одной секунды до минуты. Для целей калибровки океанографических приборов такие параметры термостата не приемлемы, так как требования к точности калибровки находятся на уровне 0,001°C и выше.

Наиболее близким техническим решением к заявленному по совокупности признаков является "Устройство для стабилизации температуры изделия" (патент RU 5359309 от 10.01.2009 г.). Согласно описанию этого изобретения устройство содержит связанные между собой стабилизированные цепи питания, первый и второй датчики температуры, два усилителя, генератор тока и выходной силовой транзистор, управляющий включением нагревателя.

Техническим результатом изобретения согласно прототипу является повышение надежности его работы путем исключения вероятности перегрева при одном отказе любого элемента за счет совмещения роли регулятора температуры и нагревателя без снижения надежности исполняемой функции.

Недостатком прототипа с точки зрения поставленной задачи является низкая точность стабилизации температуры, обусловленная его структурной схемой. Согласно структурной схеме температура устройства поддерживается на заданном уровне в некотором интервале от tmin до tmax, ограниченном первым и вторым задатчиками температуры. Так работает, например, бытовой холодильник, периодически включаясь при достижении температуры верхней границы заданного интервала и выключаясь при достижении нижней границы. Такие характеристики устройства не удовлетворяют требованиям поставленной задачи.

Задачей настоящего изобретения является создание термостата для калибровки измерительных приборов со стабильностью поддержания температуры в рабочей камере на уровне 0,001°C в нескольких заданных точках рабочего диапазона. При этом предполагается, что абсолютная погрешность калибровки обеспечивается эталонным цифровым термометром. Кроме того, в задачу изобретения входит повышение производительности труда оператора, выполняющего калибровку, которая обеспечивается достаточно быстрым процессом установления заданной температуры в термостате.

Указанные цели достигаются тем, что в термостате, содержащем рабочую тепло-изолированную камеру и размещенные в ней охлаждающий элемент Пельтье с вентилятором, подключенные непосредственно к стабилизированному источнику питания, резистивный нагревательный элемент, управляемый исполнительным ключом в виде силового транзистора, и электронный регулятор температуры, состоящий из мостовой схемы с датчиком и задатчиком температуры, с усилителем разбаланса моста, отличающийся тем, что электронный регулятор температуры дополнен последовательно включенными между мостовой схемой и входом силового транзистора блоком плавного регулирования мощности нагревателя и блоком упреждения включения и выключения нагревательного элемента, при этом блок упреждения включения и выключения нагревательного элемента выполнен на операционном усилителе с дифференцирующей RС-цепочкой в инвертирующей обратной связи операционного усилителя, а блок плавного регулирования мощности нагревательного элемента выполнен в виде генератора пилообразного напряжения треугольной формы с регулируемым порогом отсечки, построенного из двух логических элементов ИЛИ с интегрирующей RC-цепью на выходе генератора.

Блок-схема термостата представлена на Фиг. 1. В состав блок-схемы входят расположенные в теплоизолированной камере: стабилизированный источник питания 1, измерительный мост, в плечи которого подключены задатчик температуры 3 типа регулируемого потенциометра и термисторный датчик температуры 4, блок упреждения 5, построенный из операционного усилителя 6 и дифференцирующий цепочки 7, усилитель 8 сигнала разбаланса моста, исполнительный ключ 9 в виде полевого транзистора, резистивный нагревательный элемент 10, элемент Пельтье 11, вентилятор 12, блок плавного регулирования мощности нагревателя 13 в виде двух логических инверторов ИЛИ 14 и интегрирующей RC-цепочки 15.

Работа схемы происходит в следующем порядке. После включения стабилизированного источника питания 1, термостат начинает работать. Если температура окружающей среды выше заданной точки термостатирования, то включается охлаждающий элемент Пельтье 11 и доводит температуру рабочей камеры до температуры несколько ниже точки термостатирования. Далее элемент Пельтье остается постоянно включенным и не регулируется, поскольку ввиду его большой тепловой инерции регулирование не целесообразно. После выхода температуры камеры ниже точки термостатирования датчик температуры 4 выдает положительный сигнал разбаланса моста, который усиливается усилителем 8 и через исполнительный ключ на транзисторе 9 включает резистивный нагреватель 10. Тепловая мощность нагревателя выше мощности охлаждающего элемента Пельтье, поэтому рабочая камера начинает быстро нагреваться. На начальном участке нагрева камеры сигнал разбаланса датчика температуры имеет большую величину, вызывая ограничение усилителя 8. Ограниченный сигнал имеет постоянный уровень, близкий к напряжению питания, поэтому блок упреждения включения и выключения нагревателя 5 и блок плавного регулирования мощности 13, реагирующие на скорость изменения сигнала, не принимают участия в регулировании температуры. При подходе температуры к точке термостатирования в интервале порядка 0,1°C сигнал разбаланса моста 2 снижается на столько, что усилитель разбаланса 8 выходит из ограничения и переходит в линейный режим усиления. На этом этапе вступают в работу блоки упреждения 5 и плавного регулирования мощности нагревателя 13. Принцип действия блока упреждения заключается в том, что он вырабатывает выходной сигнал управления, пропорциональный скорости изменения температуры с учетом знака изменения. Эту функцию выполняет дифференцирующая RC-цепочка 7, включенная в обратную связь операционного усилителя 6. Выходной сигнал блока упреждения 5 складывается с сигналом разбаланса моста с учетом знака и тем самым вызывает упреждающее включение или отключение нагревателя. Чем больше скорость изменения температуры, тем раньше срабатывает блок упреждения. В результате упреждающего отключения нагревателя температура некоторое время продолжает по инерции изменяться в ту же сторону, но с меньшей скоростью и подходит к точке термостатирования по экспоненте, не переходя границу. На этой же стадии процесса нагрева, когда усилитель сигнала разбаланса выходит из ограничения и переходит в линейный режим, в работу включается блок плавного регулирования мощности нагревателя 13. Принцип действия этого блока заключается в том, что он вырабатывает сигнал пилообразного напряжения треугольной формы достаточно высокой частоты по отношению к инерционности рабочей камеры термостата. Этот сигнал вызывает прерывистое включение нагревателя короткими импульсами относительно высокой частоты. За счет тепловой инерции нагревателя импульсный режим сглаживается и воспринимается как плавное регулирование. При этом сохраняется высокий КПД управляющего ключа, который в отличие от действительно плавного аналогового регулятора задатчика температуры 3 не рассеивает на себе остаточной мощности. Плавно изменяемым параметром прерывистого включения является скважность управляющих импульсов, которая может изменяться от нуля до единицы. Длительность управляющих импульсов плавно регулируется сигналом разбаланса моста 2 путем изменения порога отсечки пилообразного напряжения. Пилообразное напряжение треугольной формы вырабатывается генератором пилообразного напряжения, построенным из двух логических элементов ИЛИ и интегрирующей RC-цепочки. В результате плавного регулирования мощность нагревателя автоматически устанавливается в точке термостатирования на таком уровне, при котором мощность теплового потока из термостата в окружающую среду равняется суммарной мощности нагревателя и охладителя. При этом регулирование температуры осуществляется устойчиво без колебаний. Остаточная погрешность регулирования температуры определяется чувствительностью датчика температуры 4 и коэффициентом усиления усилителя сигнала разбаланса моста 8.

Заявленные преимущества изобретения обеспечиваются его отличительными признаками. Высокая точность термостатирования на уровне 0,001°C достигается благодаря высокой чувствительности датчика температуры и большому коэффициенту усиления усилителя 8 сигнала разбаланса моста. При высокой чувствительности электронного регулятора его устойчивость обеспечивается только благодаря действию блоков упреждения включением нагревателя 5 и плавного регулирования мощности нагревателя 13. Без их участия схема регулирования неизбежно возбуждается на низкой частоте с большой амплитудой автоколебаний температуры.

Быстрый выход термостата на заданную температуру достигается за счет того, что большую часть цикла регулирования рост или снижение температуры происходит при максимальной мощности нагревателя или охладителя. И только при подходе температуры к точке термостатирования на 0,1°C включается режим плавного регулирования с относительно малой скоростью роста или снижения температуры. Такой алгоритм функционирования регулятора обеспечивает минимально возможное время выхода термостата в рабочую точку и соответственно высокую производительность труда при выполнении операций калибровки и поверки. Экспериментальные исследования опытного образца термостата подтвердили ожидаемые технические характеристики.

Термостат, содержащий рабочую теплоизолированную камеру и размещенные в ней охлаждающий элемент Пельтье с вентилятором, подключенные непосредственно к стабилизированному источнику питания, резистивный нагревательный элемент, управ-ляемый исполнительным ключом в виде силового транзистора, и электронный регулятор температуры, состоящий из мостовой схемы с датчиком и задатчиком температуры, с уси-лителем разбаланса моста, отличающийся тем, что электронный регулятор температуры дополнен последовательно включенными между мостовой схемой и входом силового транзистора блоком плавного регулирования мощности нагревателя и блоком упрежде-ния включения и выключения нагревательного элемента, при этом блок упреждения включения и выключения нагревательного элемента выполнен на операционном усилите-ле с дифференцирующей RC-цепочкой в инвертирующей обратной связи операционного усилителя, а блок плавного регулирования мощности нагревательного элемента выполнен в виде генератора пилообразного напряжения треугольной формы с регулируемым поро-гом отсечки, построенного из двух логических элементов ИЛИ с интегрирующей RC- цепью на выходе генератора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области арматуростроения, в частости к регулирующей насадке для управления радиаторным клапаном, и предназначено для регулирования потока жидкости.

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может использоваться в регуляторах температуры. .

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может использоваться в регуляторах температуры с автоматическим резервированием каналов управления.

Изобретение относится к терморегулятору, осуществляющему функции фазового регулирования и контроля перехода фазы через ноль. .

Изобретение относится к испытательной технике, преимущественно к технике проведения тепловых испытаний керамических обтекателей ракет при радиационном нагреве. .

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам систем безопасности. .

Изобретение относится к области стабилизации и регулирования температуры и может быть использовано при изготовлении и настройке работоспособности серийных терморегулирующих устройств, обеспечивающих управление исполнительными органами в заданном диапазоне температур.

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено в многозонных методических индукционных нагревателях. .

Изобретение относится к средствам контроля и управления полем температуры пространственно распределенных объектов и может быть использовано в автоматизированных системах управления тепловыми режимами в ракетно-космической технике. Устройство стабилизации температуры термостатируемого объекта содержит нагреватель, расположенный на подложке, с датчиком температуры и систему управления. Нагреватель дополнен резервным нагревательным элементом, снабженным датчиком температуры. Система управления предназначена для регулирования температуры термостатируемого объекта посредством включения/отключения питания нагревательных элементов. Подложка может представлять собой корпус термостатируемого объекта, выполненный из высокотеплопроводного материала, или тонкостенную высокотеплопроводную металлическую оболочку. Оболочка ограничивает объект термостатирования. Основной и резервный нагревательные элементы имеют идентичные тепловые и геометрические характеристики и расположены на диэлектрическом основании со сдвигом, равным шагу печатного рисунка. На подложке могут быть расположены дополнительные нагреватели с датчиками температуры. Технический результат - расширение функциональных возможностей, повышение надежности функционирования, качества стабилизации температуры, в частности пространственно распределенных объектов в широком диапазоне изменения температуры. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к термостатам. Техническим результатом является повышение однородности температурного поля. Для этого в известное термостатирующее устройство введены дополнительные нагревательный элемент, электронный ключ, соединенные в последовательную цепь и подключенные к зажимам сети, дополнительные датчик температуры и усилитель, а также источник опорного напряжения, три компаратора напряжения и два логических элемента, первый из которых подключен своим выходом к управляющему входу электронного ключа, а входами - соответственно к выходам первого, второго и третьего компараторов напряжения, второй из которых подключен своим выходом к управляющему входу дополнительного электронного ключа, а входами - соответственно к выходам первого, второго и третьего компараторов напряжения, причем усилитель основного датчика температуры подключен к суммирующим входам первого и третьего компараторов напряжения, а дополнительный - к суммирующему входу второго и вычитающему входу третьего компараторов напряжения, источник опорного напряжения входом соединен с сетью, а выходом - с вычитающими входами первого и второго компараторов напряжения, при этом первое логическое устройство выполняет функцию конъюнкции инвертированного сигнала первого компаратора и дизъюнкции инвертированного сигнала второго компаратора с конъюнкцией сигнала второго компаратора и инвертированного сигнала третьего компаратора, а второе - конъюнкцию инвертированного сигнала второго компаратора и дизъюнкции инвертированного сигнала первого компаратора с конъюнкцией сигнала первого компаратора и инвертированного сигнала третьего компаратора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу и устройству регулировки температуры в группе комнат здания. Технический результат - возможность точной и/или быстрой регулировки температуры во всех комнатах жилой единицы. Способ регулировки температуры в группе комнат (3) здания содержит следующие этапы: измеряют значение (Ta1) первой температуры окружающей среды в первой комнате (3a), используя термостат (5), предназначенный для управления функционированием первого теплорегулятора (8a), установленного на первом радиаторе (4a), размещенном в первой комнате (3a), в зависимости от измеренного значения (Ta1) первой температуры окружающей среды и первого заданного значения (Tset1) требуемой температуры в первой комнате (3a); измеряют первую околорадиаторную температуру (Tpr1) в первой комнате (3a) посредством первого датчика (9a), установленного вблизи первого радиатора (4a); измеряют значение (Tpr2) второй околорадиаторной температуры окружающей среды во второй комнате (3b) посредством второго датчика (9b), установленного вблизи второго радиатора (4b); сопоставляют измеренное значение второй околорадиаторной температуры (Tpr2) со вторым заданным значением (Ofs2) для второго теплорегулятора (8b) и по меньшей мере с измеренным значением (Tpr1) первой околорадиаторной температуры с целью получения второго управляющего значения для второго радиатора (4b); управляют функционированием второго теплорегулятора (8b), установленного на втором радиаторе (4b), в зависимости от полученного второго управляющего значения. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к способу регулирования температуры посредством вентиляторов и терморегулирующему устройству вентиляторного типа. Технический результат - более эффективная регулировка температуры посредством вентиляторов и терморегулирующего устройства. Устройство содержит вентиляторный блок, источники питания и блок управления вентиляторами. Вентиляторный блок содержит несколько вентиляторов и охлаждает охлаждаемое устройство. Источники питания запитывают электроэнергией вентиляторы вентиляторного блока. Блок управления вентиляторами управляет вентиляторами следующим образом: при температуре t охлаждаемого устройства ниже критической температуры t1 первого термочувствительного ключа все вентиляторы остановлены, при t выше температуры t1, но ниже критической температуры t2 второго термочувствительного ключа все вентиляторы вращаются со средней скоростью; при t выше t2, но ниже критической температуры t3 третьего термочувствительного ключа, вентиляторы первой вентиляторной секции вращаются с максимальной скоростью, а вентиляторы второй вентиляторной секции остановлены; при t большей, чем t3, все вентиляторы вращаются с максимальной скоростью. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к автоматической системе обеспечения теплового режима космического аппарата (КА). Технический результат - высокая точность и стабильность поддерживаемых температур, высокая надежность работы. Устройство управления нагревателями включает в себя связанные через внутреннюю магистраль: микропроцессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) с портами вывода цифровой информации, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), порт приема дискретных данных. В ПЗУ прошивается программное обеспечение температурных уставок по каждому нагревателю и работы всего устройства Благодаря введению новых признаков - аналого-цифрового преобразователя, цифрового компаратора, информационного интерфейсного модуля - обеспечивается поддержание заданной температуры каждого электронагревателя, базирующейся на постоянном отслеживании реальной температуры каждого элемента КА и формировании импульсного сигнала, управляющего нагревом этого элемента с заданной периодичностью измерительного цикла, записанной в ПЗУ. Это определяет стабильность работы устройства управления с n-м количеством электрических нагревателей для объектов, требующих поддержания разных значений рабочих температур, обеспечить всесторонне с высокой достоверностью телеметрию и управление режимами работы устройства. 1 ил.

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике. Для нагрева пленочного образца и измерения его электрического сопротивления помещают образец в корпус кварцевого реактора. Внутри корпуса образец размещают в С-образных зажимах с плоскими губками, выполненными из вольфрамовой проволоки. Образец устанавливают в плоских губках с натягом, величина которого достаточна для удержания образца в заданном положении при нагреве С-образных зажимов. С-образные зажимы раскрепляют на растяжках, выполненных в виде пружин из вольфрамовой проволоки меньшего диаметра. При помощи резистивного подогревателя, размещенного на поверхности корпуса, производят нагрев образца до заданной температуры. Через С-образные зажимы и растяжки на образец подают измерительный ток и определяют напряжение. Измерение температуры образца осуществляют при помощи термопары, которую предварительно устанавливают в центральной части корпуса. Необходимое расстояние от поверхности образца до измерительного элемента термопары и его центрирование по отношению к термопаре осуществляют при помощи упомянутых растяжек. Обеспечивается стабильность электрического контакта и равномерный прогрев образцов. 1 ил.

Изобретение относится к области обогревающих установок, в частности к теплообменникам. Способ регулирования объемного потока обогревающей и/или охлаждающей среды, протекающей через теплообменники в обогревающей или охлаждающей установке, заключается в изменении целевой разницы температур среды в подающем и обратном трубопроводах отдельных теплообменников. Теплообменникам назначаются различные приоритеты исходя из специфической для данной установки разницы температур среды в подающем и обратном трубопроводах. Для теплообменников с более низким приоритетом обеспечивается большая целевая разница температур среды в подающем и обратном трубопроводах. Для теплообменников с более высоким приоритетом допускается меньшая целевая разница температур среды в подающем и обратном трубопроводах. При применении теплообменника с более высоким приоритетом при меньшей разнице температур среды в подающем и обратном трубопроводах объемный поток меняется посредством, по меньшей мере, одного теплообменника с более низким приоритетом. При большей разнице температур среды в подающем и обратном трубопроводах объемный поток меняется посредством смешивания среды, которая поступает в обратный трубопровод из всех теплообменников обогревающей установки, регулировка температуры среды в обратном трубопроводе выполняется до оптимального для нагревательного прибора обогревающей установки значения. Достигается возможность поддерживать температуру среды в обратном трубопроводе всей установки на благоприятном уровне при неблагоприятных энергетических параметрах. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройству термоциклера для использования при проведении реакций термоциклирования в молекулярной биологии. Термоциклер содержит: термоблок (34) для приема образца; термоэлектрический элемент (36) типа Пельтье; нагревательное устройство (38), отличное от элемента Пельтье; радиатор (28); тепловую трубу (40), соединяющую радиатор с элементом типа Пельтье. Элемент типа Пельтье расположен рядом с термоблоком и выполнен с возможностью его охлаждения для реакции термоциклирования. Нагревательное устройство расположено рядом с термоблоком и выполнено с возможностью его нагрева для реакции термоциклирования. Термоблок расположен между элементом типа Пельтье и нагревательным устройством. Радиатор отделен от термоблока и элемента типа Пельтье. Тепловая труба соединяет радиатор с элементом типа Пельтье и позволяет передавать тепловую энергию от элемента типа Пельтье к радиатору. Термоблок имеет первую сторону для приема образца и дополнительно содержит пару противоположных сторон. Элемент типа Пельтье находится в тепловом контакте с первой противоположной стороной термоблока, а нагревательное устройство находится в тепловом контакте со второй противоположной стороной термоблока. Обеспечивается более быстрый период циклирования и работа устройства в более широком диапазоне температур окружающей среды. 23 з.п. ф-лы, 10 ил.
Наверх