RU2775642C1

RU2775642C1 - Device for forming a temperature profile

Info

Publication number: RU2775642C1
Application number: RU2021121490A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Васильевич Сероклинов; Владимир Анатольевич Гринкевич; Виктор Алексеевич Золотарев; Владимир Михайлович Фурзиков
Filing date: 2021-07-19
Publication date: 2022-07-05

Abstract

FIELD: laboratory equipment.

SUBSTANCE: invention relates to laboratory equipment and is intended for the formation of temperature effects during laboratory studies of stress resistance of agricultural plants on the example of seedlings of cereal crops. The device for forming a temperature profile consists of a laboratory hot bench having a zone for placing the roots of the seedling and a zone for placing the sprout, in which a copper plate is placed, in which two temperature sensors (measuring and emergency) are built. The Peltier element is attached to the lower part of the plate by the working side, on the other side of which a radiator with a fan is installed, located in the bench body. The thermostat is controlled by a control unit that contains a controller, one input of which is connected to the output of the temperature converter of the working temperature sensor, the second input is connected to the output of the working current sensor of the PWM converter, the third input is connected to the display, and the fourth to the keyboard. In this case, one output of the controller is connected to the first input of the PWM current converter, to the output of which the Peltier element is connected. The second input of the PWM converter is connected through the limit current sensor to the output of the protection circuit through which the PWM converter is connected to the power supply. The second input of the protection circuit is connected to the emergency temperature sensor. The controller is powered by a separate power supply. In addition, its fifth input via the USB data exchange bus can be connected to a PC of an automated experimental research system, which can also be connected to the controller input for remote start of the temperature profile forming device and to the output of the temperature converter of the working temperature sensor.

EFFECT: invention provides a series of identical experimental studies to assess the temperature effects on the object of study (plant seedling) to obtain identical temperature profiles, which ultimately increases the reliability of the data obtained during the experiments.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к лабораторному оборудованию, и предназначено для формирования идентичных температурных воздействий заданного профиля при проведении лабораторных исследований по оценке стрессоустойчивости злаковых культур по изменению биопотенциалов проростков растений.The invention relates to laboratory equipment, and is intended for the formation of identical temperature effects of a given profile during laboratory studies to assess the stress resistance of cereal crops by changing the biopotentials of plant seedlings.

Целью изобретения является создание устройства позволяющего сформировать температурное воздействие заданного профиля на участок стебля и листьев проростка при измерении биопотенциала растения без его повреждения, которое может быть использовано в комплекте автоматизированной системы для проведения экспериментальных исследований (АвтоЭкспИ).The aim of the invention is to create a device that allows you to create a temperature effect of a given profile on the area of the stem and leaves of the seedling when measuring the biopotential of the plant without damaging it, which can be used in the automated system for experimental research (AutoExpi).

Известно большое число конструктивных решений устройств формирующих температурные воздействия различного профиля, использующих как жидкостные и газовые носители нагрева-охлаждения, так и термоэлектронные элементы (элементы Пельтье).There are a large number of design solutions for devices that form temperature effects of various profiles, using both liquid and gas heating-cooling carriers, and thermionic elements (Peltier elements).

Известна система PE120-AFM фирмы Linkam Scientific Instruments Ltd, которая состоит из термостолика PE120-AFM, выполненного на основе элемента Пельтье, системного контроллера T95-PE-LinkPad и водяного циркуляционного насоса ЕСР. Данное устройство предназначено для проведения биологических исследований с применением микроскопа. Термостолик имеет металлическую рабочую поверхность, на которой размещается исследуемый образец. С рабочей поверхностью термостолика контактирует элемент Пельтье. Для отвода тепла от нерабочей стороны элемента Пельтье на ней установлен радиатор с жидкостным охлаждением. В качестве охлаждающей жидкости могут быть использованы вода или жидкий азот. Термостолик через разъем подключен к блоку управления, который посредством интерфейса RS232 подключен к ПК, а так же соединен с модулем LinkPad, с которого в автономном режиме задается температурный профиль. Температурный профиль задается в виде сегментов, которые состоят из линейного изменения температуры и стабилизации. Параметрами сегмента являются конечная температура, скорость изменения температуры и длительность стабилизации конечной температуры. Максимальная скорость линейного изменения температуры составляет 0,5°С/сек. Недостатками данной системы являются невозможность, из за конструктивных особенностей (размеров термостолика и проводящей электрический ток его рабочей поверхности), разместить на лабораторном термостолике объект исследований (проросток растения) и электроды для измерения биопотенциалов, невозможность использования в комплекте с автоматизированной системой для проведения экспериментальных исследований, недостаточная скорость изменения температуры (0,5°С/сек), а так же применение жидкостного теплообмена, что требует применение насоса для воды или азота.Known is the PE120-AFM system from Linkam Scientific Instruments Ltd, which consists of a PE120-AFM thermostage made on the basis of a Peltier element, a T95-PE-LinkPad system controller and an ECP water circulation pump. This device is designed for biological research using a microscope. The thermostage has a metal working surface on which the test sample is placed. The Peltier element is in contact with the working surface of the heating table. To remove heat from the non-working side of the Peltier element, a liquid-cooled radiator is installed on it. Water or liquid nitrogen can be used as the coolant. The thermostatic table is connected via a connector to the control unit, which is connected to a PC via the RS232 interface, and is also connected to the LinkPad module, from which the temperature profile is set offline. The temperature profile is set in the form of segments, which consist of a temperature ramp and stabilization. The segment parameters are the final temperature, the rate of temperature change and the duration of the stabilization of the final temperature. The maximum temperature ramp rate is 0.5°C/sec. The disadvantages of this system are the impossibility, due to the design features (the size of the thermo-table and its conductive working surface), to place the research object (plant seedling) and electrodes for measuring biopotentials on the laboratory thermo-table, the impossibility of using it together with an automated system for conducting experimental studies, insufficient rate of temperature change (0.5°C / sec), as well as the use of liquid heat exchange, which requires the use of a pump for water or nitrogen.

В патенте US 8652189 (Опубл 28.02.2014) описан зонд термической стимуляции нервной системы, содержащий нагревательную фольгу, которая представляет собой резистивный нагревательный элемент, элемент Пельтье, элемент большой теплоемкости, расположенный между элементом Пельтье и нагревательной фольгой, датчики температуры нагревательной фольги, датчики температуры элемента большой теплоемкости. Поверх датчиков температуры нагревательной фольги имеется тонкий слой картона. Для отвода тепла от элемента Пельтье применяется водяной теплоотвод. Недостатками данного устройства является применение жидкостного охлаждения элемента Пельтье, наличие дополнительного нагревательного элемента, кроме элемента Пельтье, что усложняет техническую реализацию устройства, невозможность из за конструктивных особенностей зонда размещения объекта исследований (проростока растения) и электродов для измерения биопотенциалов, невозможность использования в комплекте с автоматизированной системой для проведения экспериментальных исследований.US Pat. No. 8,652,189 (published February 28, 2014) describes a thermal stimulation probe for the nervous system containing a heating foil, which is a resistive heating element, a Peltier element, a high heat capacity element located between the Peltier element and the heating foil, heating foil temperature sensors, temperature sensors high heat capacity element. There is a thin layer of cardboard on top of the heating foil temperature sensors. To remove heat from the Peltier element, a water heat sink is used. The disadvantages of this device are the use of liquid cooling of the Peltier element, the presence of an additional heating element, in addition to the Peltier element, which complicates the technical implementation of the device, the impossibility due to the design features of the probe to place the object of study (plant seedling) and electrodes for measuring biopotentials, the inability to use in conjunction with an automated system for conducting experimental studies.

В другом патенте US 5654546 (Опубл 05.08.1997) предложено устройство для нагрева и охлаждения небольшого образца в сканирующем зондовом микроскопе, у которого место для размещения образца, расположено на элементе Пельтье, который размещен на подставке, изготовленной из материала высокой теплопроводности. К нижней части подставки прикреплен теплообменник, содержащий медную пластину, которая контактирует с нижней частью подставки. К пластине теплообменника припаивается петля из медной трубы, через которую течет вода с температурой незначительно отличающейся от температуры окружающей среды. Данное устройство расположено в герметично закрытом пространстве сканирующего зондового микроскопа и прикрепляется к периферийному кольцу микроскопа, изготовленного из материала с низкой электропроводностью.Another US Pat. No. 5,654,546 (Publ 08/05/1997) proposes a device for heating and cooling a small sample in a scanning probe microscope, in which the sample location is located on a Peltier element, which is placed on a stand made of a high thermal conductivity material. Attached to the bottom of the stand is a heat exchanger containing a copper plate that contacts the bottom of the stand. A loop of copper pipe is soldered to the heat exchanger plate, through which water flows with a temperature slightly different from the ambient temperature. This device is located in a hermetically sealed space of a scanning probe microscope and is attached to the peripheral ring of the microscope, made of a material with low electrical conductivity.

Недостатками данного устройства является: неподходящая конструкция термостолика, применение водяного отвода тепла от элемента Пельтье, отсутствие металлической пластины (экрана) между элементом Пельтье и образцом.The disadvantages of this device are: unsuitable design of the thermal stage, the use of water heat removal from the Peltier element, the absence of a metal plate (screen) between the Peltier element and the sample.

В патенте РФ 2479289 от 14.07.2010 описано устройство, для формирования температурного профиля, реверсивных тепловых воздействий на участке тела человека. Данное устройство состоит из группы последовательно или параллельно соединенных элементов Пельтье, исполнительное устройство на тепловоздействующей поверхности которого размещены датчики температуры, двух задатчиков температуры, переключателя задатчиков, переключателя полярности, блока сравнения, регулятора мощности и блока программного управления. Блока программного управления определяет полярность напряжения, длительность работы при заданной полярности, управляет переключателем задатчиков температуры из которых один задает температуру ниже начальной, другой выше начальной температуры. Начальной температурой является температура окружающей среды. Блок сравнения на вход которого подаются сигналы с задатчика и датчиков температуры формирует входной сигнал регулятора мощности, который регулирует ток через элемент Пельтье, который запитан через регулятор мощности от источника постоянного тока.RF patent 2479289 dated July 14, 2010 describes a device for forming a temperature profile of reversible thermal effects on a part of the human body. This device consists of a group of Peltier elements connected in series or in parallel, an actuator on the heat-acting surface of which temperature sensors are located, two temperature sensors, a setpoint switch, a polarity switch, a comparison unit, a power regulator and a program control unit. The program control unit determines the polarity of the voltage, the duration of operation at a given polarity, controls the switch of temperature controllers, one of which sets the temperature below the initial temperature, the other above the initial temperature. The starting temperature is the ambient temperature. The comparison block, which receives signals from the setpoint and temperature sensors, forms the input signal of the power controller, which regulates the current through the Peltier element, which is powered through the power controller from a DC source.

Недостатком данного устройства является наличие нескольких задатчиков температуры, невозможность управления температурным профилем при наростании и при падении температуры, отсутствие возможности задавать линейную форму температурного профиля, невозможность из за конструктивных особенностей исполнительного устройства размещения на нем объекта исследований (проростока растения) и измерительных электродов.The disadvantage of this device is the presence of several temperature sensors, the impossibility of controlling the temperature profile when the temperature rises and falls, the inability to set the linear shape of the temperature profile, the impossibility, due to the design features of the actuator, of placing on it the object of study (plant seedling) and measuring electrodes.

Наиболее близким аналогом изобретения является прибор для термостабилизации кюветы с живыми клетками («Прибор для термостабилизации кюветы с живыми клетками» В.В. Шугайло, С.А. Костенко, Ю.С. Медникова, НП, 2017, том 27, №3, с. 27-32), состоящий из контроллера и термостолика. Термостолик выполнен в виде медного теплообменника Н-образной формы, нагреваемого или охлаждаемого при помощи элементов Пельтье, закрепленных рабочими поверхностями на теплообменнике с двух сторон. К нерабочим поверхностям элементов Пельтье закреплены радиаторы охлаждаемые микровентиляторами, обеспечивающими необходимый градиент температур элементов Пельтье. В теплообменник вмонтирован датчик температуры, а на горизонтальной его части расположена рабочая зона (кювета). Термостолик кабелем соединен с контроллером, который управляет нагревом/охлаждением элементов Пельтье и включением микровентиляторов. Контроллер собран на микропроцессоре, который соединен с клавиатурой, с которой задаются команды установки температуры и, через плату управления, с датчиком температуры кюветы, которые отображаются на жидкокристаллическом индикаторе платы индикации. Полученные сигналы сравниваются микропроцессором который выдает сигналы "Нагрев" или "Охлаждение" и сигнал разницы текущей и установленной температуры "Ошибка" в виде ШИМ на плату управления и плату индикации. При равенстве сигнала "Ошибка" нулю микропроцессор переходит в режим стабилизации температуры, а на индикаторе появляется надпись "Работа". Сигналы "Нагрев" и "Охлаждение" управляют ключами, переключающими полярность напряжения для элементов Пельтье, а сигнал "Ошибка" преобразуется в аналоговый сигнал управления генератором тока для элементов Пельтье. Управление производится изменением тока по линейном закону. Питание контроллера и элементов Пельтье производится от импульсного блока питания.The closest analogue of the invention is a device for thermal stabilization of a cuvette with living cells (“Device for thermal stabilization of a cuvette with living cells” by V.V. Shugailo, S.A. Kostenko, Yu.S. Mednikova, NP, 2017, volume 27, No. 3, pp. 27-32), consisting of a controller and a thermal table. The thermostatic table is made in the form of an H-shaped copper heat exchanger, heated or cooled by means of Peltier elements fixed by working surfaces on the heat exchanger on both sides. Radiators cooled by microfans are fixed to the non-working surfaces of the Peltier elements, providing the necessary temperature gradient of the Peltier elements. A temperature sensor is mounted in the heat exchanger, and a working area (cuvette) is located on its horizontal part. The thermostatic table is connected by a cable to the controller, which controls the heating/cooling of the Peltier elements and turning on the microfans. The controller is assembled on a microprocessor, which is connected to the keyboard, from which temperature setting commands are set and, through the control board, to the cuvette temperature sensor, which are displayed on the liquid crystal indicator of the indication board. The received signals are compared by the microprocessor, which outputs the "Heating" or "Cooling" signals and the signal of the difference between the current and set temperature "Error" in the form of PWM to the control board and the indication board. If the "Error" signal is equal to zero, the microprocessor switches to the temperature stabilization mode, and the inscription "Work" appears on the indicator. The "Heating" and "Cooling" signals control the switches that switch the voltage polarity for the Peltier elements, and the "Error" signal is converted into an analog signal for controlling the current generator for the Peltier elements. The control is performed by changing the current according to a linear law. The controller and Peltier elements are powered from a switching power supply.

Недостатками данного устройства являются: низкая скорость изменения температуры, невозможность формирования температурного профиля при нарастании и при падении температуры, отсутствие возможности задавать линейную форму температурного профиля, невозможность из за конструктивных особенностей термостолика размещения на нем объекта исследований (проростка растения) и измерительных электродов, невозможность использования в комплекте с автоматизированной системой для проведения экспериментальных исследований.The disadvantages of this device are: the low rate of temperature change, the impossibility of forming a temperature profile with increasing and decreasing temperatures, the inability to set the linear shape of the temperature profile, the impossibility due to the design features of the thermal table to place the object of study (plant seedling) and measuring electrodes on it, the impossibility of using complete with an automated system for experimental research.

Поставленная цель достигается за счет создания конструкции лабораторного столика, позволяющей разместить на нем проросток злаковой культуры (объект исследования) без нарушения его целостности и жизнеспособности и обеспечения возможности воздействия на листья и стебель растения температуры, изменяющейся по заданному профилю относительно установившегося значения. Температура может повышаться или понижаться. А так же за счет создания устройства управления, обеспечивающего формирование задания температурного профиля и формирования с помощью элемента Пельтье изменения температуры, воздействующей на исследуемое растение, соответствующей заданному профилю. Кроме того устройство управления должно обеспечивать защиту элемента Пельтье от перегрева (в случае аварии) и защиту цепи питания элемента Пельтье от превышения тока, а так же может быть использовано в комплекте с автоматизированной системой для проведения экспериментальных исследований.This goal is achieved by creating a design of a laboratory table that allows you to place a seedling of a cereal crop (an object of study) on it without violating its integrity and viability and providing the possibility of exposing the leaves and stem of a plant to a temperature that changes according to a given profile relative to a steady value. The temperature may rise or fall. And also by creating a control device that provides the formation of a temperature profile assignment and the formation, using a Peltier element, of a temperature change affecting the plant under study, corresponding to a given profile. In addition, the control device must provide protection of the Peltier element from overheating (in the event of an accident) and protection of the power supply circuit of the Peltier element from overcurrent, and can also be used in conjunction with an automated system for experimental research.

Предлагаемая конструкция лабораторного столика изображена на Фиг. 1. Лабораторный столик содержит корпус 1, в верхней части которого размещена столешница состоящая из участка для установки кюветы 2 с питательным раствором (водой), в которую помещаются корни проростков растения 3, участка 4 для размещения ростка и встроенного в него участка 5 для формирования теплового воздействия. Участок 5 представляет медную пластину в которую встроены рабочий 6 и аварийный 7 датчики температуры. С нижней стороны пластины 5 прикреплен, через слой термопасты 10, рабочей плоскостью элемент Пельтье 8, с другой (опорной) стороны которого, так же через слой термопасты 10 установлен воздушный радиатор 9, к которому крепится вентилятор 11, установленный на основании корпуса 1. Верхняя сторона пластины 5 покрыта слоем не электризующегося диэлектрика 15 и вместе с расположенным на ней растением 3 прикрывается теплозащитным экраном 16, выполненным из дерева. Для измерения биопотенциалов проростков используются электроды сравнения 13 и 14 закрепленные на держателе электродов 12, установленном на сталешнице. Для подключения датчиков температуры и вентилятора к блоку управления 20 установлены разъемы 17 и 18, а для подключения элемента Пельтье - колодка 19. Формирование температурного профиля на элементе Пельтье производится с помощью блока управления 20, который состоит из контроллера 21 соединенного шлейфами с дисплеем 22 и клавиатурой 23. Первый вход контроллера 20 соединен с преобразователем температуры 24, ко входу которого подключен рабочий датчик температуры 6. Второй вход контроллера 21 соединен с выходом датчика тока 25 который размещен в цепи питания элемент Пельтье 8. Элемент Пельтье 8 соединен с выходом ШИМ преобразователя 27 вход которого подключен к выходу контроллера 21. Для защиты элемента Пельтье 8 от перегрева и элементов ШИМ преобразователя 27 от аварийных токов, в блоке управления 20 предусмотрена схема защиты 28, первый сигнальный вход которой соединен с датчиком предельного тока 26, а второй вход с датчиком предельной температуры 7. Силовой - третий вход схемы защиты 28 соединен с выходом силового источника питания 30 блока управления 20, а ее выход - с силовым входом ШИМ преобразователя 27. Питание контроллера 21 блока управления 20 осуществляется от отдельного блока питания 31. Устройство формирования температурного профиля может работать как в автономном режиме, так и в составе автоматизированного измерительного комплекса. Для этого в блоке управления 20 предусмотрены: вход 29 для подключение через шину USB к ПЭВМ автоматизированного измерительного комплекса (для обмена данными и формирования заданного профиля) и вход 32 для дистанционного запуска устройства формирования температурного профиля и регистрации температурного возмущения (тепературного профиля).The proposed design of the laboratory table is shown in Fig. 1. The laboratory table contains a body 1, in the upper part of which there is a table top consisting of a section for installing a cuvette 2 with a nutrient solution (water), in which the roots of plant seedlings 3 are placed, a section 4 for placing a sprout and a section 5 built into it for forming a thermal impact. Section 5 is a copper plate in which the working 6 and emergency 7 temperature sensors are built. On the lower side of the plate 5 is attached, through a layer of thermal paste 10, the working plane of the Peltier element 8, on the other (supporting) side of which, also through the layer of thermal paste 10, an air radiator 9 is installed, to which a fan 11 is attached, mounted on the base of the case 1. Upper the side of the plate 5 is covered with a layer of non-electrifying dielectric 15 and, together with the plant 3 located on it, is covered with a heat shield 16 made of wood. To measure the biopotentials of seedlings, reference electrodes 13 and 14 are used, fixed on the electrode holder 12, mounted on a steel plate. To connect the temperature sensors and the fan to the control unit 20, connectors 17 and 18 are installed, and to connect the Peltier element, block 19. The temperature profile on the Peltier element is formed using the control unit 20, which consists of a controller 21 connected by loops to the display 22 and keyboard 23. The first input of the controller 20 is connected to the temperature converter 24, to the input of which the working temperature sensor 6 is connected. The second input of the controller 21 is connected to the output of the current sensor 25, which is placed in the power circuit of the Peltier element 8. The Peltier element 8 is connected to the output of the PWM converter 27 input which is connected to the output of the controller 21. To protect the Peltier element 8 from overheating and the PWM elements of the converter 27 from emergency currents, the control unit 20 provides a protection circuit 28, the first signal input of which is connected to the limit current sensor 26, and the second input to the limit temperature sensor 7. Power - the third input of the protection circuit 2 8 is connected to the output of the power supply 30 of the control unit 20, and its output is connected to the power input of the PWM converter 27. The controller 21 of the control unit 20 is powered from a separate power supply unit 31. The temperature profiling device can operate both in stand-alone mode and in part of an automated measuring complex. To do this, the control unit 20 provides: input 29 for connecting an automated measuring complex via USB to a PC (for data exchange and forming a given profile) and input 32 for remotely starting a device for forming a temperature profile and registering a temperature disturbance (temperature profile).

Устройство работает следующим образом (см. Фиг 2). После последовательного включения блока питания контроллера 31 и силового источника питания 30 в оперативную память контроллера 21 блока управления 20 вводятся параметры желаемого температурного профиля с клавиатуры 23 блока управления 20 или с ПЭВМ автоматизированного измерительного комплекса через шину USB 29. В первую очередь, при необходимости, задается начальная температура профиля (обычно 20°С), затем задается температурный профиль в виде последовательности сегментов времени, для которых задается конечная температура и длительность. При установлении начальной температуры она стабилизируется перед запуском процесса формирования температурного профиля. После достижения начальной температуры профиля заданного значения на рабочую поверхность термостолика 4 размещается объект исследований (проросток) 3 и в зоне теплового воздействия накрывается теплозащитным экраном 16, который слегка прижимает растение 3 к пластине 5, обеспечивая, тем самым, для растения установившееся значение температуры. Затем на растение устанавливаются измерительные электроды 14 и 13, закрепленные на держателе 12. После этого, для перехода растения в установившееся состояние, производится выдержка времени 3-5 минут. Затем, по сигналу с клавиатуры 23 или по входу 32 для дистанционного пуска устройства, запускается формирование температурного профиля.The device operates as follows (see Fig 2). After successively turning on the power supply of the controller 31 and the power supply 30, the parameters of the desired temperature profile are entered into the RAM of the controller 21 of the control unit 20 from the keyboard 23 of the control unit 20 or from the PC of the automated measuring complex via the USB bus 29. First of all, if necessary, it is set the initial temperature of the profile (usually 20°C), then the temperature profile is set as a sequence of time segments, for which the end temperature and duration are set. When the initial temperature is established, it stabilizes before starting the process of forming a temperature profile. After reaching the initial temperature of the profile of the set value, the object of research (seedling) 3 is placed on the working surface of the thermotable 4 and covered with a heat-shielding screen 16 in the zone of heat exposure, which slightly presses the plant 3 against the plate 5, thereby providing a steady temperature value for the plant. Then the measuring electrodes 14 and 13, fixed on the holder 12, are installed on the plant. After that, for the transition of the plant to a steady state, a time delay of 3-5 minutes is made. Then, on a signal from the keyboard 23 or input 32 for remote start of the device, the formation of a temperature profile is started.

Исходя из последовательности заданных сегментов температурного профиля задатчик 42 (Фиг. 3) программно генерирует сигнал желаемого профиля температуры пластины 5, который поступает на вход ПИД-регулятора температуры, реализованного программно на входящем в контроллер 21 микроконтроллере 41, на второй вход микроконтроллера поступает сигнал с преобразователя температуры 24 рабочего датчика температуры 6. Выходной сигнал регулятора температуры, подается на один вход ПИ-регулятора тока, который программно реализован на втором, входящем в контроллер 21, микроконтроллере 43, на второй вход которого подается сигнал с датчика тока 25. Полученный на выходе ПИ-регулятора тока сигнал поступает на широтно-импульсный модулятор ШИМ преобразователя 27, где транзисторами, включенными по мостовой схеме, формируется последовательность двухполярных импульсов, которая затем сглаживающим фильтром преобразуется в аналоговый сигнал, поступающий на элемент Пельтье 8. В зависимости от полярности, поступающего на вход элемента Пельтье 8, аналогового сигнала его рабочая поверхность, а следовательно пластина 5, контактирующая с растением 3, может нагреваться или охлаждаться, формируя заданный температурный профиль. После окончания формирования температурного профиля устанавливается и стабилизируется начальная температура до начала запуска нового профиля или окончания эксперимента.Based on the sequence of specified segments of the temperature profile, the controller 42 (Fig. 3) programmatically generates a signal of the desired temperature profile of the plate 5, which is fed to the input of the PID temperature controller implemented in software on the microcontroller 41 included in the controller 21, the second input of the microcontroller receives a signal from the converter temperature 24 of the working temperature sensor 6. The output signal of the temperature controller is fed to one input of the PI current controller, which is software implemented on the second, included in the controller 21, microcontroller 43, the second input of which is fed a signal from the current sensor 25. Received at the output PI -current regulator, the signal is fed to the pulse-width modulator of the PWM converter 27, where a sequence of bipolar pulses is formed by transistors connected in a bridge circuit, which is then converted by a smoothing filter into an analog signal supplied to the Peltier element 8. Depending on the polarity of the incoming to the input of the Peltier element 8, an analog signal, its working surface, and therefore the plate 5 in contact with the plant 3, can be heated or cooled, forming a given temperature profile. After the formation of the temperature profile is completed, the initial temperature is set and stabilized before the start of a new profile or the end of the experiment.

При превышении температуры рабочей поверхности столика более 110°С, по сигналу аварийного датчика температуры 7, срабатывает схема защиты 28, в результате чего размыкается цепь питания элемента Пельтье 8 и загорается индикатор «Авария». При превышении тока через мостовую схему коммутационных элементов ШИМ преобразователя 27 более допустимого значения, по сигналу датчика тока 26, так же срабатывает схема защита 28 от превышения тока, в результате чего размыкается цепь силового питания ШИМ преобразователя 27 и силового источника 30, и загорается индикатор «Авария». Сброс аварийного состояния производится с клавиатуры 23.When the temperature of the working surface of the table exceeds 110°С, upon the signal of the emergency temperature sensor 7, the protection circuit 28 is triggered, as a result of which the power supply circuit of the Peltier element 8 is opened and the "Emergency" indicator lights up. When the current through the bridge circuit of the switching elements of the PWM converter 27 exceeds the permissible value, according to the signal of the current sensor 26, the protection circuit 28 against overcurrent is also activated, as a result of which the power supply circuit of the PWM converter 27 and the power source 30 are opened, and the indicator " Accident". The emergency state is reset from the keyboard 23.

Испытания показали, что предлагаемое устройство формирования температурного профиля обеспечивает достижение поставленных требований. На Фиг. 4 приведена эпюра температурного профиля, полученная при работе устройства, в комплекте с системой АвтоЭкспИ, в соответствии с заданием: нарастание в течение 40 с. От 20°С до 40°С, стабилизация 40°С в течение 20 с, снижение температуры до 20°С в течение 40 с, далее стабилизация температуры 20°С (фоновой температуры). Формирование линейного изменения температурного профиля обеспечивается с погрешностью не более ±0,5°С. Погрешность стабилизации температуры составляет не более ±0,3°С. Максимальная скорость нарастания температуры (dT/dt)_max составляет 2,2°С/сек, а максимальная скорость снижения температуры (-dT/dt)_max = 2,3°С/сек.Tests have shown that the proposed device for forming a temperature profile ensures the achievement of the set requirements. On FIG. Figure 4 shows the diagram of the temperature profile obtained during the operation of the device, complete with the AutoExpI system, in accordance with the task: increase for 40 s. From 20°C to 40°C, stabilization at 40°C for 20 s, temperature decrease to 20°C for 40 s, then temperature stabilization at 20°C (background temperature). The formation of a linear change in the temperature profile is provided with an error of no more than ±0.5°C. Temperature stabilization error is no more than ±0.3°C. The maximum rate of temperature increase (dT/dt) _max is 2.2°C/sec, and the maximum rate of temperature decrease (-dT/dt) _max = 2.3°C/sec.

Список литературыBibliography

1. PE-120-AFM_T95_Manual.pdf [Электронный ресурс], н.д.2018. Режим доступа: [https://static1.squarespace.com/static/556d800ae4b0e8f91507450c/t/56cf384c356fb0168fdl019 4/1456420944492/PE120-AFM_T95_manual.pdf]1. PE-120-AFM_T95_Manual.pdf [Electronic resource], n.d.2018. Access Mode: [https://static1.squarespace.com/static/556d800ae4b0e8f91507450c/t/56cf384c356fb0168fdl019 4/1456420944492/PE120-AFM_T95_manual.pdf]

2. Пат.8652189 Соединенные штаты Америки, МПК A61F, 7/00 Thermal Stimulation Probe and Method / Ehud Gafhi, Yelena Granovsky; Опубл 28.02.2014.2. Pat. 8652189 United States of America, IPC A61F, 7/00 Thermal Stimulation Probe and Method / Ehud Gafhi, Yelena Granovsky; Published on February 28, 2014.

3. Пат. 5654546 Соединенные штаты Америки, МПК А61А 7/00, Variable Temperature Scanning Probe Microscope Based on a Peltier Device / Stuart M. Lindsay; Опубл 05.08.1997.3. Pat. 5654546 United States of America, IPC A61A 7/00, Variable Temperature Scanning Probe Microscope Based on a Peltier Device / Stuart M. Lindsay; Published 08/05/1997.

4. Пат. 2479289 Российская Федерация МПК A61F 7/00, А61В 18/02, А61В 18/04, F25B 21/02, H01L 35/28, Устройство для осуществления реверсивных тепловых воздействий на участке тела человека / Грядунов А.И., Грядунов Д.А., Скипидаров С.Я.; Патентообладатель: Грядунов Александр Иванович, Грядунов Дмитрий Александрович, Скипидаров Сергей Яковлевич - 2010128982/14, заявл 14.07.2010, опубл 20.04.2013. Бюл. №11.4. Pat. 2479289 Russian Federation IPC A61F 7/00, A61V 18/02, A61V 18/04, F25B 21/02, H01L 35/28, Device for the implementation of reversible thermal effects on the area of the human body / Gryadunov A.I., Gryadunov D.A. ., Skipidarov S.Ya.; Patentee: Alexander Ivanovich Gryadunov, Dmitry Alexandrovich Gryadunov, Sergey Yakovlevich Skipidarov - 2010128982/14, applied on 07/14/2010, published on 04/20/2013. Bull. No. 11.

5. Прибор для термостабилизации кюветы с живыми клетками/ В.В. Шугайло, С.А. Костенко, Ю.С. Медникова // Научное Приборостроение. - 2017. Том 27, №3, С. 27-32.5. Device for thermal stabilization of a cuvette with living cells / V.V. Shugailo, S.A. Kostenko, Yu.S. Mednikova // Scientific Instrumentation. - 2017. Volume 27, No. 3, pp. 27-32.

Claims

1. A device for forming a profile of temperature exposure to the studied sprouts of plant seedlings, consisting of a laboratory thermo-table and a control unit, characterized in that the laboratory thermo-table has a zone for placing the roots of a seedling and a zone for placing a sprout, made of wood, in the middle part of which a copper plate is placed, in which measuring and emergency temperature sensors are built, and to its lower part the Peltier element is attached by its working side through a layer of thermal paste, on the other supporting side of which a radiator with a fan is also installed through a layer of thermal paste, which are placed in a housing, in the upper part of which there is a U-shaped electrode holder, and the control unit contains a controller, one input of which is connected to the output of the temperature converter of the working temperature sensor, the second input is connected to the output of the working current sensor of the PWM current converter, the third input is connected to the display, the fourth to the keyboard, and the fifth input allows connect the USB bus to the PC of the automated experimental research system, which is also connected to the sixth input of the controller, the output of which is connected to the first input of the PWM current converter, the output of which is connected to the Peltier element, and its second output through the protection current sensor is connected to the first input of the circuit protection, to the second input of which an emergency temperature sensor is connected, and the third input is connected to the power supply of the PWM converter, while the controller is powered from a separate power source.

2. The device according to claim 1, characterized in that the heat-conducting plate is made of copper with a thickness of not more than 1 mm with a thickening on one side, which allows temperature sensors to be placed in it, and is covered on the working side with a thin layer of non-electrifying dielectric.

3. The device according to claim 1, characterized in that the temperature profiler is made by software and consists of two links of a broken line shaper and a signal generator of the desired profile, which takes into account the physical features of the Peltier element used.

4. The device according to claim 1, characterized in that the temperature and current controllers are implemented in software on separate microcontrollers.