Устройство стабилизации температуры термостата

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ()983664

Союз Советсиик

Сециапнстичвсиик

Ресиубпии (В1) Дополнительное к авт. саид-ву— (5l)N. Кл. (22) Заявлено 11.03.81 (2! ) 3260326/18-24 с присоединением заявки №вЂ”

G05 l3 23/19

9еударетвщвй квинтет

COOP ав аеаем взебретеввВ в етврытвй (23) Приоритет—

Опубликоваио23,12.82. Бюллетень ¹ 47

Дата опубликования описания 23.12.82 (53) УДК621.555,-.6(088.8) (72) Авторы изобретения

С. А. Дунский, В. И. Муштнн, П. А. Яцык и (2l) Заявитель

I (54) УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ.ТЕ РМОСТАТА

Изобретение относится к средствам автоматического управления параметрами, преимушественно для регулирования температуры объектов, например биологи..ческих термостатов, устройств для вырашивания кристаллов.

Известен регулятор температуры, содержаший термочувствительный мост, блок управления, исполнительное реле 11.

Однако его использование не обеспечивает высокой точности поддержания заданной температуры, являюшейся необходимым условием, работы биологического термостата и других подобных устройств, ввиду того, что в известном регу. > ляторе происходят значительные колебания температуры около заданного значения потому, что исполнительное реле (нагреватель) отключается при температуре выше заданного значения, а включается 20 при температуре, которая ниже заданного значения, Разность между верхним и нижним значением температуры может, достигать несколько градусов..

Наиболее близкой по технической сушности к предлагаемому устройству является схема стабилизации температуры, содержашая терморезистор в качестве датчика температуры, измерительный мост, в который входит датчик температуры.

К одной диагонали моста прикладывается напряжение питания, к второй — подключен вход операционного усилителя. Пер вый конденсатор устанавливается в нулевой диагонали измерительного моста и таким образом шунтирует входы операционного усилителя, ослабляя нежелательные высокочастотные помехи по амп лнтуде. Второй конденсатор подключен между выходом операционного усилителя и его инвертируюшим входом, который дополнительно ослабляет высокочастотные помехи, попадаюшие на вход операционного усилителя (2j .

В результате включения этих конденсаторов усиление схемы управления в частотном диапазоне ВЧ помех становится меньше единицы. Кроме того, в конст985Ì4

/ рукции примеряется диод, включенный в цепь питания операционного усилителя для зашиты его при изменении полярности питающего напряжения. Выходной сигнал операционного усилителя управляет транзистором усилителя мощности через ста: билитрон и ограничительный резистор.

Нагревательный элемент включен в коллекторную цепь транзистора.

Напряжение отрицательной обратной 1р связи, снимаемое с делители напряжения, включенного параллельно нагревателю, подается на вход операционного усилителя. При этом коэффициент отрицательной обратной связи становится равен 500, Это повышает устойчивость работы схемы стабилизации температуры, но вместе с тем снижает точность стабилизации температуры до Р 0,5 С, что недостаточно для ее . использования в биологических термоста- 2О тах. Кроме того, в схеме стабилизации температуры, имеющей линейную переда-. точную харахтеристику, выделяется значительная мощность на выходном транзисторе, что снижает коэффициент полезного действия и требует создания дополнительных условий для обеспечения нормального температурного режима выходного транзистора.

Цель изобретения — повышение точнос» 3р ти устройства стабилизации температуры.

Поставленная цель достигается тем, что устройство стабилизации температуры, содержащее последовательно соединен-. ные измерительный мост, операционный усилитель, усилитель мошности и исполнительный элемент, причем выход усилителя мощности связан с неинвертируюшим входом операционного усилителя, содержит генератор импульсов стабильной амплиту- 40 ды, а измерительный мост - регулирслвочный резистор, включенный последова,тельно с датчиком температуры, и их обший вывод связан с выходом генератора импульсов стабильной амплитуды.

Импульсы с выхода генератора импульсов стабильной амплитуды, поступаюшие на вход операционного усилителя, устраняют гистерезис устройства, что обеспечивает повышение точности стабилизации

50 температуры.

На фиг. 1 показана электрическая схе«« ма предлагаемого устройства, на фиг. 2график работы; на фиг. 3 - график зависимости входных и выходных напряжений. 55

Устройство стабилизации температуры содержит измерительный мост 1, датчик

2 температуры, расположенный в термостате 3, переменный резистор 4 для установки температуры статирования и два резистора 5 и 6. В диагональ моста 1 включен операционный усилитель 7, выход которого подключен к входу усилителя З мощности, выход которого подслючен к нагревателю 9 и резистору 10 обратной связи, второй выход которого соединен с неинвертируюшим входом операционного усилителя 7.

Последовательно с терморезистором

2 включен регулировочный резистор 11, соединенный через резистор 12 с первой базой (Б1) однопереходного транзистора

13, генератора 14 импульсов стабильной амплитуды, вторая база (Б2) которого подключена к источнику питания, а эмиттер — к резистору 15 и конденсатору 16, представляющий собой времязадаюшую последовательную RC-цепь.

На фиг. 2 изображены графики работы предлагаемого устройства:

a — график изменения напряжения раэбаланса термочувствительного моста без генератора импульсов со стабильной амплитудой (кривая 17) и при наличии генератора импульсов со стабильной амплитудой (кривая 18); б — график изменения напряжения на нагревателе при работе без генератора импульсов со стабильной амплитудой; в — график изменения напряжения на нагревателе при наличии генератора импульсов со стабильной амплитудой в устройстве;

r — график изменения температуры в термостате при отсутствии генератора импульсов со.стабильной амплитудой (кривая 3.9) и при наличии генератора импульсов (кривая 20) со стабильной амплитудой.

Устройство стабилизации температуры работает следующим образом.

При значении температуры в термостате ниже значения температуры, соответствуюшего заданной температуре стабиJIHsGHHH мост 1 разбалансирован, так как сопротивление датчика 2 велико и напряжение в точхе соединения его с резистором 5 не равно напряжению в точке соединения резисторов 4 и 6.

Разность этих напряжений (сигнал раэбаланса) О „ и импульсы с генератора поступают на вход операционного усилителя 7. При этом сумма напряжений сигнала разбаланса О„„и амплитуды импульсов

Ои„„ меньше верхнего порога срабатывания устройства .0 < (фиг. 2а) и устройство

5 988664 6 находится в одном из двух устойчивых теля поступает только сигнал разбаланса состояний, когда нагреватель 9 включен Цц, но устройство остается и первоначаль (фиг. 2в). Такой режим работы с двумя .ном состоянии, так как этот сигнал мень устойчивыми состояниями создается за,ше напряжения нижнего порога срабатыва; счет положительной обратной связи с выхо- 5 .ния устройства. Постепенно температура да усилителя мошности 8 через резистор в термостате начинает снижаться, а на

10 на неинвертируюший вход операцион- пряжение разбаланса Ом соответственно ного усилителя. Благодаря этому потери увеличиваться. В момент временй tg темэнергии в усилителе мощности .снижаются пература достигает такого значения, при до минимума за счет того, что выходной 0 котором напряжение U становится равным транзистор или открыт (нагреватель вклю- напряжению нижнего порога срабатывачен) или закрыт (нагреватель отключен), ния устройства: вместе с тем, вследствие действия положительной обратной связи, в устройстве UN =0 (3)

2 Кн появляется гистерезис, величина которого 5 равна разности напряжения Окн, поступающего на вход операционного усилителя, и вызывающего включение нагревателя 9 и напряжения, вызываюшего отключение нагревателя 0к (фиг. 2), 20

U = UK5 Ul

u„ ÷n= uк.ь,- u< () т.е. амплитуда импульсов, поступающих с генератора, должна быть равна разности напряжений верхнего и нижнего пороГов срабатывания устройства.

На фиг. 3 представлен график, поясняюший процесс устранения гистерезиса в предлагаемом устройстве.

В начальный момент времени устройство находится в состоянии, которое на граТак как напряжение Ц„, поступаюшее на- вход операционного усилителя, пропор- 25 .ционально температуре, то гистерезис приводит и к колебаниям температуры статирования.

Устранить гистерезис и соответственно повысить. точность поддержания задан- 30 ной температуры в предлагаемом устройстве позволяет генератор 14 импульсов стабильной амплитуды на однопереходном транзисторе 13, Частота импульсов, вырабатываемых генератором, зависит от величины сопротивления резистора 15 и емкости конденсатора 16. Амплитуда выходных импульсов регулируется с помошью подстрочечного резистора 1 1-.

При повышении температуры в термо- ю стате и приближении ее значения к ) ст напряжение разбаланса моста уменьшается.

В момент времени 6. на вход операционного усилителя поступает импульс с генератора амплитудой U è сигнал разбаланса I M Сумма этих напряжений . становится равной верхнему порогу срабатывания устройства Ока

Оимп+ Ом

И1

Это приводит к тому, что нагреватель

9 отключается. При этом температура продолжает некоторое время повышаться за счет инерционных свойств нагревателя и термостата. Продолжает уменьшать55 ся и сигнал разбаланса Ом . После оконча» ния действия импульса, поступаюшего. с

-генератора, на вход операционного усилиУстройство стабилизации переключает ся в состояние, при котором нагреватель

9 включен, но температура продолжает падать, а напряжение разбаланса V® увели чиваться вследствие инерционных свойств термостата и нагревателя. При этом сумма О „мп и U>, поступаюшая на вход операционного усилителя, меньше напряжения верхнего порога срабатывания устройства

U 0. И устройство не переключается в первоначальное положение, при котором нагреватель 9 отключен. Через некжороевремя температура в термостате начинает повышаться и цикл работы устройства стабилизации повторяется.

Высокая точность стабилизации температуры в предлагаемом устройстве достигается уменьшения напряжения гистерезиса до значения, близкого к нулю. Это значит, что должно выполняться условие:

М3664 ., 8 а напряжение разбаланса U - соответсън- венно уменьшаться. В момент времени, и- когда состояние устройства выражено п-, точкой 22 графике, цикл работы устройства стабилизации температуры повторич ся.

Требуемая амплитуда импульсов на выходе генератора 14 устанавливается с помощью регулировочного резистора 11, Предлагаемое устройство стабилизации температуры использовано в биологическом термостате. В устройстве использован операционный усилитель типа

К1 40УД1А. Экспериментальные исследования термостата с предлагаемым устройством стабилизации температуры покаэыго вают, что колебание температуры а Т при отсутствии генератора импульсов до стигают 0,2 С (фиг..2, кривая 19). При подключении генератора импульсов колебания температуры р7< при тех же условиях уменьшаются до 0,005 С. чПрименение биологического термостата с предлагаемым устройством позволяет

2s обойтись беэ-дополнительных устройств для перемешивания жидкости в термостате и сохранить биологические объекты в и . стабильных оптимальных физиологических условиях с прецизионными характеристик ками стабилизации температуры.

7 фике обозначено точкой 21. При этом нагреватель включен, а на вход операцио ного усилителя поступает сигнал разбала са моста О о и импульсы стабильной ам литовцы с генератора О„ п. Постепенно температура в термостате возрастает и приближается к Т и (фиг. 2г). В момент времени, когда состояние устройства ста билизации температуры выражено точкой

22 графика, напряжение разбаланса мос та равно, нижнему порогу переключения устройства 0,,а нагреватель будет включен до того времени, пока на вход операционного усилителя не поступит им пульс напряжения с генератора амплитудой, равной разности напряжений верхне

Ькэ и нижнего U „ порогов перехлючения устройства. При этом устройство кратковременно перейдет в состояние, выражен ное точкой 23 графика и вслед за этим в состояние, выраженное точкой 24 графика. Время перехода из точки 23 в то ху 24, будет очень небольшим и опреде» лится быстродействием применяемого операционного усилителя. После скончания импульса напряжения, поступающего на вход операционного усилителя, устройств перейдет в состояние, выраженное точко

25 графика, при котором нагреватель от .ключен, а на вход операционного усилителя поступает сигнал 0, который на величину dU@< меньше напряжения нижнего порога переключения устройства U H.

Еше некоторе время напряжение разбаланса моста Og продолжает уменьшаться . вследствие инерционных свойств нагрева-. теля и термостата. Постепенно температура втермостате начинаетпацать, анапряжение разбаланса увеличиваться.

В момент времени, когда состояние устройства выражено точкой 26, нагреватель вновь включится,так как напряжение раэбаланса моста равно нижнему порогу переключения устройства U <, и устройство перейдет в состояние, выраженное точкой 27 графиха. Время перехода из точки 26 в точку 27 также определяется быстродействием операционного усилителя.

В точке 27 напряжение разбаланса моста 0M% áîëüøå íà величину ЮM напряжения нижнего порога переключения устройства, а сумма Ч

Формула изобретения

Устройство стабилизации температуры термостата, содержащее последовательно соединенные измерительный мост, операционный усилитель, усилитель мощности и исполнительный элемент, причем выход усилителя мощности связан с неинвертируюшим входом операционного. усилителя, отличаюшеесятем, что,с целью повышения точности устройства, оно содержит генератор импульсов стабильной амплитуды, а измерительный мострегулировочный резистор, включенный последовательно с датчиком температуры, и их общий вывод связан с выходом генератора импульсов стабильной амплитуды.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

% 646322, кл. Q 05 Э 23/19, 1976.

2. Патент США М 3831003, кл. H 05 Ь 1/02, опублик. 1978 (прото-. тип).

Составиниь С. Стрелецкий

Редактор А. Козориз Техред Ж.Кастелевич

Корректор l". Решетняк

Заказ 9921/56 Тираж 914 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобречений и открытий

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

Филиал ППП "Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4