DD157983A3 - ARRANGEMENT FOR OPENING A NOISE CRUISE FOR CONTROLLING THE HEATING COOLING POWER OF A PELTIER BATTERY OF A THERMOSTAT - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Aufschaltung einer Stoergroesse fuer die Regelung der Heiz- und Kuehlleistung der Peltierbatterie eines Thermostaten. Ziel der Erfindung ist die Erhoehung der Temperaturstabilitaet groesserer Thermostate. Ihr lag die Aufgabe zugrunde, die o.g. Anordnung zu schaffen, die als Stoergroesse die Umgebungstemperatur aufschaltet. Erfindungsgemaess ist vorgesehen: Ein zweiter Temperaturfuehler ist am Konvektor befestigt. Er befindet sich in einer von zwei parallelen Teilschaltungen, die eine gemeinsame Ausgangsschaltung haben. Der invertierende Operationsverstaerker dieser Teilschaltung besitzt einstellbare Verstaerkerfaktoren fuer negative und positive Differenzen zwischen der Solltemperatur und der Umgebungstemperatur. In der Summierschaltung ist der Summierkoeffizient fuer die Ausgangsspannung der den zweiten Temperaturfuehler enthaltenden Teilschaltung groesser als der fuer die Ausgangsspannung der den Temperaturfuehler im Temperierblock enthaltenden Teilschaltung.The invention relates to an arrangement for connecting a baffle for the regulation of the heating and cooling performance of the Peltier battery of a thermostat. The aim of the invention is to increase the temperature stability of larger thermostats. It was based on the task, the o.g. Arrangement to create, which turns on the ambient temperature as a baffle. According to the invention, provision is made: a second temperature sensor is fastened to the convector. It is located in one of two parallel subcircuits having a common output circuit. The inverting operational amplifier of this subcircuit has adjustable gain factors for negative and positive differences between the setpoint temperature and the ambient temperature. In the summing circuit, the summing coefficient for the output voltage of the subcircuit containing the second temperature sensor is greater than that for the output voltage of the subcircuit containing the temperature controller in the tempering block.
Description
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- st- - st-
Anordnung zur Aufschaltung einer Störgröße für die Regelung der Kühl- und Heizleistung der Peltierbatterie eines Thermostaten ; ' Arrangement for applying a disturbance variable for the regulation of the cooling and heating power of the Peltier battery of a thermostat ; '
Internationale Patentklassifikation: G 05 D - 23/7.2 Anwendungsgebiet der Erfindung:International Patent Classification: G 05 D - 23 / 7.2 Field of application of the invention:
Die Erfindung betrifft eine Störgrößenaufschaltung für die Regelung der.Kühl~oder Heizleistung der Peltierbatterie eines Thermostaten· Solche Thermostaten werden überall dort eingesetzt, wo die Ergebnisse der Analyse von der Temperatur des Probengutes abhängen© Einsatzort sind hauptsächlich die Labors in der Forschung, der Medizin und der Industrie.The invention relates to a feedforward control for the regulation of the cooling or heating power of the Peltier battery of a thermostat. Such thermostats are used wherever the results of the analysis depend on the temperature of the sample. The place of use is primarily the laboratories in research, medicine and research the industry.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:Characteristic of the known technical solutions:
Es ist eine Temperaturregelvorrichtung mit Peltierelementen bekannt (DE-OS- 2 720 781), die aus einem Hauptregelkreis, einem Hilfsregelkreis und einer Störgrößenaufschaltung zusammengesetzt ist· Verwendet werden zwei thermisch hintereinandergeschaltete Peltiereinheiten, von denen die eine mit ihrer ersten Lötstelle direkt mit dem Temperier-It is a temperature control device with Peltier elements known (DE-OS 2 720 781), which is composed of a main control loop, an auxiliary control loop and a Störgrößenaufschaltung · Two thermally cascaded Peltier units are used, one of which with its first solder joint directly with the tempering
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block in Kontakt steht und die andere über eine wärmeleitende Zwischenlage an der ersten Einheit angeordnet ist. Die zweite Lötstelle der zweiten Peltiereinheit ist am Gehäuse des Thermostaten befestigt· Die Vorrichtung besitzt drei Temperaturfühler.) Der erste Temperaturfühler ist im Temperierblock nahe der Aufnahme für das Probengefäß angeordnet«, Elektrisch liegt er in einer Brückenschaltung, deren Ausgang an einen Eingang eines !Comparators angelegt ist» Der andere Eingang ist mit einem Solltemperaturgeber beschaltet, der einstellbar ist© Der Ausgang des Komparators ist zur ersten Peltiereinheit geführt, um den Wärmeübergang durch sie zu steuern« Dieser Kreis ist der Hauptregelkreis mit der Temperatur des Probengutes als Regelgröße« Der zweite Temperaturfühler liegt nahe der ersten Lötstelle der ersten Peltiereinheit, dagegen der dritte Temperaturfühler in der Zwischenlage zwischen beiden Peltiereinheiten· Beide Temperaturfühler sind je über eine Brückenschaltung an je einen Eingang eines zweiten Komparators angeschlossene Der Ausgang desselben ist zu der zweiten Peltiereinheit geführt, um deren Wärmeübertragung zu steuern* Dieser zweite Kreis ist der Hilfsregelkreiso Regelgröße ist der Wärmestrom durch die erste Peltiereinheit« Er stellt für den Hauptregelkreis eine Störgröße dar* Die Temperaturdifferenz über der ersten Peltiereinheit ist ein Maß für den Wärmestrom durch sie· Ein Teil der Ausgangsspannung des zweiten Komparators wird auf den Eingang des. ersten Komparators gegeben, an den der Solltemperaturgeber angeschlossen ist«. Diese Zuschaltung stellt eine Störgrößenaufschaltung dar· Störgröße ist wie gesagt der Wärmestrom durch die erste Peltiereinheitο Störgrößenaufschaltung und Hilfsregelkreis bewirken eine höhere Genauigkeit, Schnelligkeit und Stabilität der Regelung der Probentemperatur«,block is in contact and the other is arranged on the first unit via a heat-conducting intermediate layer. The second solder joint of the second Peltier unit is attached to the housing of the thermostat. · The device has three temperature sensors.) The first temperature sensor is located in the tempering block near the receptacle for the sample vessel. "Electrically, it is located in a bridge circuit whose output is connected to an input of a! is created »The other input is connected to a setpoint temperature sensor that is adjustable © The output of the comparator is led to the first Peltier unit to control the heat transfer through it« This circuit is the main control loop with the temperature of the sample as a controlled variable «The second temperature sensor In contrast, the third temperature sensor in the intermediate position between the two Peltier units · Both temperature sensors are each connected via a bridge circuit to each input of a second comparator The output of the same is to the second pel Controlled variable is the heat flow through the first Peltier unit «It represents a disturbance variable for the main control loop * The temperature difference over the first Peltier unit is a measure of the heat flow through it · A part the output voltage of the second comparator is applied to the input of the first comparator to which the setpoint temperature sensor is connected. Disturbance variable is, as already mentioned, the heat flow through the first Peltier unit. Disturbance variable feedforward and auxiliary control loop result in a higher accuracy, speed and stability of the control of the sample temperature ",
.,.3.„ 2 2 33 9 13. "2 2 33 9 1
Die beschriebene Temperaturregelvorrichtung ist nicht in der Lage, größere Schwankungen der Umgebungstemperatur auszugleichen. Sie ist für geringe Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgelegt«, Die Umgebungstemperatur als stärkste Störgröße ist nicht in den Regelvorgang einbe«- zogen· Die Vorrichtung besitzt eine Kaskadenschaltung der Peltiereinheiten. Eine solche.Schaltung gestattet wegen der Eigenwärme der Peltierelemente nur die Abführung begrenzter Wärmemengen von dem Temperierblock· Die Temperaturregelvorrichtung gemäß DE-OS 2 720 781 ist deshalb nur für Kleinthermostaten geeignet, bei denen es auf einen ausreichend großen Temperaturgradienten, nicht aber auf die Bewältigung großer Wärmemengen ankommt. Große Thermostaten müssen beide Eigenschaften besitzen«The described temperature control device is not able to compensate for larger fluctuations in the ambient temperature. It is designed for small fluctuations in the ambient temperature. "The ambient temperature as the strongest disturbance variable is not included in the control process. · The device has a cascade connection of the Peltier units. Due to the intrinsic heat of the Peltier elements, such a circuit permits only the removal of limited amounts of heat from the tempering block. The temperature control device according to DE-OS No. 2,720,781 is therefore only suitable for small thermostats which require a sufficiently large temperature gradient but not a large one Amount of heat arrives. Large thermostats must possess both properties «
Ziel der Erfindung:Object of the invention:
Die Erfindung hat das Ziel, die Temperaturstabilität von Peltierelementen enthaltenden, größeren Thermostaten zu erhöhen.The invention aims to increase the temperature stability of Peltier elements containing larger thermostats.
Darlegung des Wesens der Erfindung:Explanation of the essence of the invention:
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Aufschaltung der Umgebungstemperatur als Störgröße auf den Peltierelemente enthaltenden Regelkreis eines Thermostaten zu schaffen.The invention had the object of providing an arrangement for connecting the ambient temperature as a disturbance on the Peltier elements containing control loop of a thermostat.
Die Lösung dieser Aufgabe schließt folgende bekannte Ele·* mente ein:einen Temperierblock, einen Konvektor, eine PeI-tierbatterie, einen ersten Temperaturfühler im Temperierblock, einen zweiten Temperaturfühler für die Störgröße und eine elektronische Regelschaltung. Die Regelschaltung besteht aus zwei Teilschaltungen mit je einer Reihenschaltung aus einer Brückenschaltung, einem nicht invertierenden,The solution to this problem includes the following known elements: a tempering block, a convector, a petal battery, a first temperature sensor in the tempering block, a second temperature sensor for the disturbance and an electronic control circuit. The control circuit consists of two subcircuits each having a series connection of a bridge circuit, a non-inverting,
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beschalteten Operationsverstärker und einem invertierenden beschalteten Operationsverstärker sowie aus einer Ausgangsschaltung mit einer Summierschaltung und einer Leistungs- endstufe· Erfindungsgemäß ist vorgesehen: Der zweite Temperaturfühler ist am Konvektor befestigt. Der invertierende Operationsverstärker der ihn einschließenden Teilschaltung besitzt einstellbare Verstärkungsfaktoren für negative und positive Differenzen zwischen der Solltemperatur und der Umgebungstemperatur· In der Summierschaltung ist der Summierkoeffizient für die Ausgangsspannung der den ersten Temperaturfühler enthaltenden Teilschaltung größer als der Summierkoeffizient für die Ausgangsspannung der den zweiten Temperaturfühler enthaltenden Teilschaltung·connected operational amplifier and an inverting connected operational amplifier and from an output circuit with a summing circuit and a power output stage · According to the invention is provided: The second temperature sensor is attached to the convector. In the summing circuit, the summation coefficient for the output voltage of the subcircuit including the first temperature sensor is larger than the summation coefficient for the output voltage of the subcircuit containing the second temperature sensor ·
Ausführungsbeispiel:Embodiment:
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the accompanying drawing show:
Figo 1 einen die Anordnung enthaltenden Thermostat inFIG. 1 shows a thermostat containing the arrangement in FIG
perspektivischer Darstellung Figo 2 die Anordnung zur Aufschaltung einer Störgrößeperspective view Figo 2, the arrangement for connecting a disturbance
Der Thermostat besteht aus einem Temperierblock 1 aus Aluminium, einer an seiner Bodenfläche mit einem Temperaturpol befestigten Peltierbatterie 2, einem am gegenüberliegenden Temperaturpol angeordneten Konvektor 3, einem elektronischen Regelblock 4 und einem an den Konvektor 3 angeschlossenen Gebläse 5· Der Temperierblock 1 und der Konvektor 3 sind quaderförmig gestaltet, die zwischen ihnen befindliche, aus mehreren Peltierelementen zusammengesetzte Peltierbatterie 2 ist flächig ausgebildet» Der Regelblock 4· ist unter dem Konvektor 3 befestigte Der Temperierblock 1, die Peltierbatterie 2 und der Konvektor 3 sind elektrisch zueinander isoliert,The thermostat consists of a tempering block 1 of aluminum, a Peltier battery 2 fastened to its bottom surface with a temperature pole, a convector 3 arranged at the opposite temperature pole, an electronic control block 4 and a blower 5 · the tempering block 1 and the convector 3 connected to the convector 3 are square shaped, the Peltier battery 2, which is located between them, composed of several Peltier elements is flat »The control block 4 · is mounted under the convector 3. The temperature block 1, the Peltier battery 2 and the convector 3 are electrically insulated from each other,
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stehen aber in einem guten Wärmekontakt miteinander·but are in good thermal contact with each other ·
Die größtenteils im Regelblock 4 untergebrachte Regelschaltung ist eingangsseitig aus einer Teilschaltung 6The largely housed in the control block 4 control circuit is the input side of a subcircuit. 6
/ uricLeiner Teilschaltung 7 und ausgangsseitig aus einer gemeinsamen Ausgangsschaltung 8 aufgebaut· Die Teilschaltung 6 besteht aus einer Reihenschaltung einer· Brückenschaltung 9» eines nicht invertierenden, beschalteten Operationsverstärkers 10 und eines invertierenden, beschälte-»The subcircuit 6 consists of a series connection of a bridge circuit 9 of a non-inverting, wired operational amplifier 10 and of an inverting, shelled-in circuit.
' ten Operationsverstärkers 11· In einem Zweig der Brückenschaltung 9 sind der Temperaturfühler 12, ein Thermistor, und ein Pestwiderstand; der andere Zweig wird durch die Reihenschaltung eines Regelwiderstandes 13 und eines Festwiderstandes gebildet«» Der Temperaturfühler 12 ist an einem für das Temperaturprofil des Temperierblockes 1 charak-? teristischen Punkt angebracht· Die Teilschaltung 7 ist eine Reihenschaltung aus einer Brückschaltung 14, einem nicht invertierenden, beschalteten Operationsverstärker 15 und einem invertierenden, beschalteten Operationsverstärker Der eine Zweig der Brückenschaltung 14 besteht aus einem Temperaturfühler 17 und einem Festwiderstand, der andereIn a branch of the bridge circuit 9, the temperature sensor 12, a thermistor, and a plunger resistor; the other branch is formed by the series connection of a variable resistor 13 and a fixed resistor «» The temperature sensor 12 is charak- at one for the temperature profile of the tempering block 1? The subcircuit 7 is a series connection of a bridge circuit 14, a non-inverting, wired operational amplifier 15 and an inverting, wired operational amplifier. One branch of the bridge circuit 14 consists of a temperature sensor 17 and a fixed resistor, the other
. Zweig aus einem Regelwiderstand 18 und einem Festwiderstand. Der Temperaturfühler 17, ein Thermistor, ist erfindungsgemäß an einer Stelle des Konvektors 3 befestigt,, um die Umgebungstemperatur als Störgröße zu erfassen» Der Operationsverstärker 16 besitzt als neue Merkmale zwei parallele, durch Dioden gegeneinander abgeblockte Beschaltungen,'von der die eine einen' Einstellwiderstand 19 für den Verstärkungsfaktor der positiven Abweichung der Umgebungstemperatur von der Solltemperatur und die andere einen Einstellwiderstand 20 für den Verstärkungsfaktor der negativen Abweichung enthalte, Branch of a variable resistor 18 and a fixed resistor. The temperature sensor 17, a thermistor, according to the invention is attached to a point of the convector 3, to detect the ambient temperature as a disturbance. The operational amplifier 16 has as a new features two parallel, by diodes against each other blocked circuits, of which the one 'setting resistor 19 for the gain factor of the positive deviation of the ambient temperature from the target temperature and the other a setting resistor 20 for the gain of the negative deviation
Die Ausgangsschaltung 8 besteht aus einer Summierschaltung und einer Leistungsendstufe 22. Die Summierschaltung 21 istThe output circuit 8 consists of a summing circuit and a power output stage 22. The summing circuit 21 is
- 6 r 2 2 3 3 9 1- 6 r 2 2 3 3 9 1
ein invertierender Operationsverstärker 23 mit einem Summierglied in der BeSchaltung· Die Rechenwiderstände im Eingang sind erfindungsgemäß unterschiedlich bemessen: Der Rechenwiderstand 24· für die Ausgangsspannung der Teilschaltung 6 ist kleiner als die beiden Rechenwiderstände 25; 26 für die Ausgangsspannung der Teilschaltung 7 ο Dadurch ist der Summierkoeffizient für die Teilschaltung 6 größer als der für die Teilschaltung 7e Die Leistungsend-, stufe 22 setzt sich aus einem beschalteten Operationsleistungsverstärker 27, einer Boosterstufe 28 für höhere Leistungen und der Peltierbatterie 2 zusammen· Die Boosterstufe 28 ist dem Leistungsverstärker 27 nachgeschaltet, wobei der Gegenkopplungswiderstarid 29 des Leistungsverstärkers 27 an den Ausgang der Boosterstufe 28 geführt ist« Die Peltierbatterie 2 ist als Lastwiderstand geschaltet· ' . Die Wirkungsweise der Anordnung erklärt sich aus dem Auf-r bau der Regelschaltung als Kombination einer Regelschaltung mit einer Steuerschaltung, Den Eingangsteil.der Regelschaltung bildet die Teilschaltung 6, den Eingangsteil der Steuerschaltung bildet die Teilschaltung 7· Die Regelschaltung beinhaltet demnach eine Regelung mit Störgrößenaufschaltung Oan inverting operational amplifier 23 with a summing element in the switching circuit. According to the invention, the arithmetic resistances in the input are dimensioned differently: the arithmetic resistance 24 for the output voltage of the subcircuit 6 is smaller than the two arithmetic resistors 25; Thus, the summing coefficient for the subcircuit 6 is greater than that for the subcircuit 7e. The power end stage 22 is composed of a connected operational power amplifier 27, a higher power booster stage 28 and the Peltier battery 2 Booster stage 28 is connected downstream of the power amplifier 27, wherein the negative feedback resistor 29 of the power amplifier 27 is guided to the output of the booster stage 28. "The Peltier battery 2 is connected as a load resistor · '. The operation of the arrangement is explained by the construction of the control circuit as a combination of a control circuit with a control circuit, the input part of the control circuit forms the sub-circuit 6, the input part of the control circuit forms the sub-circuit 7 · The control circuit thus includes a control with disturbance variable O
Beim Anlegen einer elektrischen Gleichspannung an die bei* den Temperaturpole der Peltierbatterie 2 kommt auf Grund des Peltiereffektes außer dem elektrischen Strom ein Wärmestrom zustande. Der eine Temperaturpol kühlt sich ab, der andere erwärmt sich« Die sich einstellende Temperaturdifferenz hängt von der Stärke des elektrischen Stromes und von den Wärmekapazitäten des Temperierblockes 1 und des Konvektors 3 abο Mit der Umkehr der Stromrichtung wird auch die Richtung des Wärmestromes umgekehrt. Der Temperierkörper Λ kannWhen applying a direct electrical voltage to the at * the temperature poles of the Peltier battery 2 comes due to the Peltier effect except the electric current, a heat flow. The one temperature pole cools down, the other one heats up. "The temperature difference which arises depends on the strength of the electric current and on the heat capacities of the tempering block 1 and the convector 3. The direction of the heat flow is reversed with the reversal of the direction of flow. The tempering Λ can
«7-223391"7-223391
somit auf Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur und Temperaturen unterhalb derselben temperiert werden. Voraussetzung ist, daß der nicht mit dem Temperierkörper 1 im Kontakt stehende, zweite Temperaturpol der Peltierbatterie 2 auf eine Temperatur nahe der Raumtemperatur gehalten wird«, Dies wird durch den Konvektor 3 in .Verbindung mit dem Gebläse gewährleistet« Der Konvektor 3 stellt der Peltierbatterie 2 eine große Wärmemenge zur Verfugung, wenn die Solltemperatur oberhalb der Umgebungstemperatur liegt; er entzieht der Peltierbatterie 2 genügend Wärme, wenn die Solltemperatur unterhalb der Umgebungstemperatur liegt.thus tempered to temperatures above the ambient temperature and temperatures below it. The prerequisite is that the second temperature pole of the Peltier battery 2, which is not in contact with the tempering body 1, is kept at a temperature close to room temperature. This is ensured by the convector 3 in connection with the fan. The convector 3 represents the Peltier battery 2 a large amount of heat available, if the target temperature is above the ambient temperature; it extracts enough heat from the Peltier battery 2 when the setpoint temperature is below the ambient temperature.
Die für den Gleichgewichtszustand erforderliche statische Stromversorgung der Peltierbatterie 2 wird über die Teilschaltung 7 eingestellt und gesteuert. Sie stellt die erforderliche Stärke des Stromes ein und polt seine Richtung um, wenn die Umgebungstemperatur die Solltemperatur. in die eine oder andere Richtung überschreitet. Ein zusätzlicher Stelleingri-ff durch die Teilschaltung 6 kommt nur dann zur Wirkung, wenn eine Regelabweichung infolge ungenauer Abstimmung der Teilschaltung 7 mit der Ausgangsschaltung 8 oder infolge eines Wechsels des Probengutes vorkommt» Br äußert sich in einer Vergrößerung oder Verkleinerung des durch die Teilschaltung 7 eingestellten Stromes der Peltierbatterie 20 Dadurch, daß der Summierkoeffizient für die Ausgangsspannung der Teilschaltung 6 größer als der für die Ausgangsspannung der Teilschaltung ist, werden TemperaturSchwankungen im Temperierblock 1 sehr schnell ausgeregelt.The static power supply of the Peltier battery 2 required for the equilibrium state is set and controlled via the subcircuit 7. It adjusts the required magnitude of the current and reverses its direction when the ambient temperature reaches the setpoint temperature. in one direction or another. An additional Stelleingri-ff by the subcircuit 6 only comes into effect when a deviation due to inaccurate tuning of the subcircuit 7 with the output circuit 8 or as a result of a change of the sample occurs »Br expressed in an increase or decrease of the set by the subcircuit 7 current of the Peltier battery 2 0 Because the Summierkoeffizient is greater than that for the output voltage of the circuit section 6 for the output voltage of the partial circuit, temperature fluctuations are compensated rapidly in the tempering. 1
Die Einstellung der Solltemperatur wird mit den Regelwiderständen 13; 18 vorgenommene ·The setting of the setpoint temperature is with the variable resistors 13; 18 made ·
Die Temperaturstabilität des.Thermostaten ist kleiner als 0,1 Grad in einem Bereich der Umgebungstemperatur von Λ5 - 0 The temperature stability of the thermostat is less than 0.1 degrees in an ambient temperature range of Λ5 - 0
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