DE2720781C2

DE2720781C2 - Temperaturregelvorrichtung

Info

Publication number: DE2720781C2
Application number: DE2720781A
Authority: DE
Inventors: John J. J. Oak Park Ill. Staunton
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1976-05-28
Filing date: 1977-05-09
Publication date: 1986-12-18
Also published as: US4066365A; DE2720781A1; JPS531782A; JPS6347927Y2; CA1071714A; JPS6199212U; GB1565444A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur einer Probe mit einer ersten und einer zweiten thermisch in Reihe mit der Probe geschalteten Peltier-Einheit, mit einem Fühler an der Probe und einer Solltemperatureinstelleinrichtung sowie einer Vorrichtung zur Steuerung des den Peltier-Einheiten zuzuführenden Stroms.

Eine derartige Temperaturregelvorrichtung ist aus der DE-AS11 19 011 bekannt Soiche Temperaturregelvorrichtungen werden in analytischen Instrumenten eingebaut wenn der untersuchte Parameter sich mit der Temperatur der Testprobe ändert Der Bereich, über den die Probentemperatur mit Hilfe eines derartigen Reglers verändert werden muß, hängt von der speziellen Art der Analyse ab.

Bei der aus der DE-AS 11 19 011 bekannten Vorrichtung werden zwei Peltier-Einheiten thermisch in Reihe geschaltet, derart daß etwa die einander zugewandten Seiten der Peltier-Einheiten sich abkühlen und die außenüegenden Enden der Peltier-Einheiten sich erwärmen oder umgekehrt je nachdem, in welche Richtung ein entsprechender Gleichstrom durch die beiden Peltier-Einheiten geleitet wird. Der Gleichstrom wird durch die beiden Pelter-Einheiten in gleicher Weise geschickt und entsprechend lediglich der Temperaturdifferenz zwischen einer Solltemperatur und einer Probentemperatur gesteuert.

Aus der DE-OS 19 12 604 geht eine Probenkopfvorrichtung für die Kernresonanzspektroskopie hervor, bei der der Probenkopf von einem Probenröhrchen umgeben ist, durch das Luft bzw. Flüssigkeit variierbarer Temperatur fließt. Durch diese Medien soll die zu messende Substanz auf der vorgegebenen Temperatur des Mediums gehalten werden. Da jedoch eine bestimmte Wärmemenge zu den Probenkopfwandungen abfließt sind zwei Kompensationsrohre vorgesehen, die jeweils über Wärmeleitwiderstände mit den Probenkopfwandungen verbunden sind. Durch die Kompensationsrohre selbst strömt Luft bzw. Flüssigkeit, welche gekühlt bzw.

erwärmt werden kann. Um zwischen den Probenkopfwandungen und den Kompensationsrohren eine gewünschte Temperaturdifferenz herzustellen, können die Wärmeleitwiderstände auch als Peltier-Batterie ausgebildet sein, die entsprechend geheizt bzw. gekühlt werden.

Aus der US-PS 34 70 069 geht eine Vorrichtung hervor, bei der die Temperatur einer Flüssigkeit in einem Kessel mit Hilfe von Flüssigkeit über ein Rohrleitungssystem sowie eine Wärmeübertragungseinrichtung geregelt wird. Es sind dort keine Peltier-Einheiten vorgesehen, mit denen die Temperatur geregelt wird.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannt gewordenen Temperaturregelvorrichtungen der eingangs genannten Art ist es nachteilig, daß aufgrund von thermisehen Verzögerungen, die zwischen Probe und Peltier-Einheiten auftreten, die Zeit, die vergeht, bis die gewünschte Solltemperatur sich eingestellt hat, zu lange ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur einer Probe entsprechend der eingangs erwähnten Art anzugeben, bei der die in Reihe geschalteten Peltier-Einheiten derart steuerbar, daß die thermische Ansprechzeit zu erreichen der Solltemperatur innerhalb eines breiten Temperaturbereichs verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ^ie der Probe abgewandte Seite der zweiten Peltier-Einheit mit einer Umgebungswärmesenke verbunden ist und daß die Vorrichtung zur Steuerung des Stromes eine erste Steuereinrichtung zur Steuerung der Stromzufuhr zur ersten Peltier-Einheit proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Temperaturfühler

an der Probe und einer Solltemperatur und eine zweite Steuereinrichtung zum Steuern der Stromzufuhr zur zweiten Peltier-Einheit porportional zur Temperaturdifferenz über der ersten Peltier-Einheit umfaßt. Mit diesen Merkmalen ergeben sich außer den Vorteilen kürzerer Ansprechzeit auch noch die Vorteile, daß die Peltier-Einheiten so gesteuert werden können, daß einem thermischen Ausreißen vorgebeugt werden kann, wenn der die Probentemperatur überwachende Fühler während der Einrichtzeiten Umweltbedingungen ausgesetzt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind. Darin zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild, das die Temperaturregelvorrichtung betrifft;

F i g. 2 ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Temperatur einer Durchlaufzelle in einem Spektralphotometer geregelt wird;

F i g. 3 ein Schahschema für die Brückenschaltung mit konstanter Empfindlichkeit, die in der Vorrichtung verwendbar ist;

F i g. 4 eine zweite spezielle Ausführungsform der Erfindung, bei der die Temperatur einer Küvette in einem Spektralphotometer geregelt wird;

F i g. 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Temperatur einer Küvette in einem Spektralphotometer geregelt wird;

F i g. 6 Modifikationen, die in dem Wärmekontaktkörper der F i g. 4 möglich sind, um Temperaturfühler permanent aufzunehmen, gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 7 noch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem eine Modifikation enthalten ist, um das Hinausschießen über den Sollpunkt auf ein Mindestmaß herabzudrücken.

Das Blockschaltschild der F i g. 1 bezieht sich auf eine Temperaturregelvorrichtung 10, bei der die Stabilisation auf Solltemperaturen innerhalb eines breiten Temperaturbereiches äußerst rasch erzielt wird. In der Vorrichtung !0 sind Peltier-Einheiten 12 und !4 in einer Kaskadenanordnung vorgesehen, um den Wärmeübergang zwischen einer Probe 16 und einer Wärmesenke 18 der Umgebung zu regeln. Peltier-Einheiten sind elektrische Wärmepumpen, durch die ein Wärmeübergang in jeder Richtung möglich ist, abhängig von der Polarität des angelegten Steuersignals. Die Wärmeübertragung durch die Peltier-Einheit 12 wird mit Hilfe einer Einrichtung 20 reguliert, die den Strom zu dieser Peltier-Einheit entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen der Probe und einem Sollpunkt steuert, während die Wärmeübertragung durch die Peltier-Einheit 14 mit Hilfe einer Einrichtung 22 reguliert wird, die den Strom zu dieser Peltier-Einheit proportional zur Temperaturdifferenz an der Peltier-Einheit 12 steuert

Die Peltier-Einheit 12 nähert sich dem Abschalten, wenn die Probentemperatur sich dem Sollpunkt nähert wogegen die Peltier-Einheit 14 an den Abschaltpunkt herankommt wenn das Temperaturgefälle an der Peltier-Einheit 12 zu Null wird. Wenn der Sollpunkt erreicht wird, verursacht ein Hinausschießen über den Sollpunkt das aufgrund der thermischen Nacheilung zwischen der Peltier-Einheit 12 und der Probe 16 eintritt, eine Umkehrung der Peltier-Einheit 12 mit Hilfe der Steuereinrichtung 20. Diese Umkehrung verursacht rasch eine Umkehrung der Peltier-Einheit 14 durch die Einrichtung 22, so daß das auftretende Hinausschießen wesentlich reduziert wird im Vergleich zu bisherigen Kaskaden-Peltier-Anordnungen. Da die Vorrichtung 10 sowohl das Hinausschießen über den Sollpunkt als auch die thermischen Schwingungen um den Sollpunkt beim Beruhigen des Hinausschießens reduziert, wird innerhalb kurzer Ansprechzeiten in einem breiten Temperaturbereich eine Stabilisierung der Probentemperatur an Sollpunkten erreicht. Für den Fachmann ist klar, daß in der Temperaturregelvorrichtung 10 eine beliebige Anzahl von Peltier-Einheiten über eins hintereinandergeschaltet werden können oder daß jede Anzahl von Peltier-Einheiten in jedem Kaskadenabschnitt der Vorrichtung verwendet werden kann. Wie für den Fachmann leicht einzusehen ist, hängt der Strombedarf der Peltier-Einheiten in jedem Kaskasenabschnitt von der speziellen Anwendung der Erfindung ab.

Wenngleich viele Verwendungsmöglichkeiten in analytischen Instrumenten für die Temperaturregelvorrichtung 10 gegeben sind, werden nachstehend der Kürze halber nur Beispiele beschrieben, die die Temperaturregelung von Probenzellen in Spektralphotometern betreffen. Das erste solche Beispiel ist in F i g. 2 veranschaulicht, wo die Blockelemente der Fig. 1 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. In diesem Beispiel ist die Probe 16 eine Durchlaufzelle, in die die Probensubstanz für die Spektralanalyse eingesaugt wird, und die Umgebungswärmesenke 18 ist der Rahmen des Spektralphotometers oder irgendeine andere Wärmesenke von praktisch konstanter Temperatur. Die Temperaturregelvorrichtung 10 ist in diesem Beispiel natürlich eingebaut, um die Wärmeübertragung zwischen der Probensubstanz in der Durchlaufzelle 16 und der Wärmesenke 18 der Umgebung zu regulieren. Die Durchlaufzelle 16 ist ein Block 24 aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, der einen Durchgang 26 und Fenster 28 hat, die auf einer Achse quer zum Durchgang 26 gefluchtet sind, um zum Zweck der Analyse einen Lichtstrahl durch die Probe fallen zu lassen. In dieser Ausführungsform ist eine Übergangswärmesenke 30 zwischen jeweils eine Lötstelle an der Peltier-Einheit 12 und 14 eingefügt, während die andere Lötstelle der Peltier-Einheit 12 unmittelbar an dem Block 24 und die andere Lötstelle der Peltier-Einheit 14 direkt an der Umgebungswärmesenke 18 angelegt ist Die Stromsteuereinrichtung 20 für die Peltier-Einheit 12 weist einen Temperaturfühler 32 auf, der thermisch in dem Block 24 angeordnet ist und elektrisch in einer passenden Brükkenschaltung 34 liegt, deren Ausgang an einen Eingang eines Komparators 36 angelegt ist Am anderen Eingang des Komparators 36 liegt eine Einrichtung 38 zum Einstellen eines veränderbaren Sollpunktes und der Ausgang des Komparators ist zur Peltier-Einheit 12 geführt, um den Wärmeübergang durch diese Einheit zu steuern.

Die Stromsteuereinrichtung 22 für die Peltier-Einheit 14 weist Temperaturfühler 40 und 42 auf, die thermisch gesondert in dem Block 24 bzw. in der Übergangswärmesenke 30 angeordnet sind und elektrisch in entsprechenden geeigneten Brückenschaltungen 44 bzw. 46 liegen, deren Ausgänge getrennt mit den Eingängen eines Komparators 48 verbunden sind. Der Ausgang des Komparators 48 ist zu der Peltier-Einheit 14 geführt, um deren Wärmeübertragung zu steuern. Der Temperaturfühler 32 ist nächst dem Durchgang 26 für den Probendurchlauf angebracht wogegen die Temperaturfühler 40 und 42 in der Nähe der Lötstellen der Peltier-Einheil 12 liegen, so daß thermische Verzögerungen nach Mög-

lichkeit vermieden werden.

Die Wärmeübertragung zum Anheben oder Senken der Probe in der Durchlaufzelle 16 auf die gewünschte Temperatur geschieht durch den Block 24, für den Konstruktionsparameter, wie spezifische Wärme, Wärmeleitfähigkeit und Gestalt, mit Überlegung so zu wählen sind, daß die Vorzüge der Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Demzufolge wird die Probe im wesentlichen auf dem Temperatursollpunkt der Stromsteuereinrichtung 20 gehalten, die den Wärmeübergang zwischen der Peltier-Einheit 12 und dem Block 24 reguliert. Die für die Probe in der Durchlaufzelle 16 erforderliche thermische Ansprechzeit, um ihre Temperatur innerhalb eines breiten Temperaturbereiches auf jeden beliebigen Einstellpunkt zu stabilisieren, ist im Vergleich zu bisherigen hintereinandergeschalteten Peltier-Anordnungen kurz aus den gleichen Gründen, wie vorstehend in bezug auf F i g. 1 erläutert wurde.

Selbst wenn eine Isolation verwendet wird, um Wärmeverluste an die Umgebung zu verhindern, sind derartige Verluste doch stets in gewissem Maß vorhanden, solange eine Temperaturdifferenz zur Umgebung existiert. Die Temperaturregelvorrichtung 10 der F i g. 2 hält die Probe in der Durchlaufzelle 16 auf dem Temperatursollpunkt, solange Wärmeverluste an die Umgebung in mäßiger Höhe auftreten. Wenn jedoch die Temperaturdifferenz zur Umgebung sehr groß ist und/oder keine Isolation verwendet werden kann, kann ein Teil des Ausgangs des !Comparators 48 dazu hergenommen werden, den Temperatureinstellpunkt am Eingang des !Comparators 36 zu verschieben, um Wärmeverluste an die Umgebung zu kompensieren. Um die richtige Korrektur zu erhalten, muß der Ausgang des Komparators 48 praktisch proportional zu der Temperaturdifferenz über der Peltier-Einheit 12 und unabhängig von der Durchschnittstemperatur dieser Einheit sein. Die Kompensation wird nur in dem Maß angelegt, daß die Wärmeverluste an die Umgebung genügen, um diese Temperaturdifferenz zu beeinflussen. Der Ausgang des Komparators 48 ist über ein Potentiometer 50 geerdet, dessen Schleifarm so geschaltet ist, daß der Temperatureinstellpunkt am Eingang des Komparators 36 verschoben wird, weshalb das Ausmaß der Kompensation veränderbar ist.

In der Praxis kann jeder Typ von Temperaturfühlern, der die passende Empfindlichkeit hat, in der erfindungsgemäßen Temperaturregelvorrichtung 10 verwendet werden und die Brückenschaltungen der Vorrichtung müssen geeignet sein, um Spannungssignale zu liefern, die proportional zu den von diesen Fühlern überwachten Temperaturen sind. Wenn Thermistoren verwendet werden, um das Temperaturgefälle an der Peltier-Einheit 12 zu überwachen, können die Brückenschaltungen 44 und 46 zu einer einzigen Brückenschaltung vereinigt werden, wie in F i g. 3 gezeigt Da der Temperaturgang von Thermistoren charakteristischerweise nicht linear ist, wird diese Brückenschaltung linearisiert, d. h. so gestaltet daß sie eine praktisch konstante Empfindlichkeit hat; dies geschieht durch Einbau eines Operationsverstärkers 52, der direkt gekoppelt ist und dessen Ausgang zurückgeführt ist, um die Brückenschaltung am Schaltungspunkt 60 zu beaufschlagen. Ein Widerstand 54 und der Thermistor 40 errichten eine Spannung am Punkt 62 in einem Zweig der Brücke, der mit einem Eingang des Verstärkers 52 verbunden ist; der andere Eingang des Verstärkers Hegt am Abgriffpunkt eines Spannungsteilers 56. Ein zweiter Widerstand 58 ist am Brückenschaltungspunkt 60 mit dem Widerstand 54 am Ausgang des Operationsverstärkers 52 verbunden. Der Thermistor 42 ist an die andere Seite des Widerstandes 58 angeschlossen, um auf diese Weise einen Brückenschaltungspunkt 64 zu bilden, und die Thermistoren 40 und 42 sind zur Vervollständigung der Brückenschaltung über Erde miteinander verbunden.

Aufgrund des geschlossenen Kreises um den Operationsverstärker 52 liegen dessen Eingänge praktisch auf der gleichen Spannungshöhe und in keinem dieser Eingänge fließt Strom. Daher bleibt die Spannung am Brükkenschaltungspunkt 62 praktisch konstant, wenn der Widerstand des Thermistors 40 sich mit der Temperatur ändert, so daß der durch diesen Thermistor fließende Strom gering ist, wenn der Widerstand des Thermistors hoch ist. Da der durch den Thermistor 40 fließende Strom auch noch durch den Widerstand 54 fließen muß, muß die Spannung am Brückenschaltungspunkt 60 direkt proportional zum Widerstand des Thermistors 40 variieren, und daher sich als eine Funktion der Temperatur ändern. Demzufolge ist auch der durch den Thermistor 42 fließende Strom niedrig, wenn der Widerstand des Thermistors 40 hoch ist, und die Brückenschaltung liefert eine praktisch konstante Empfindlichkeit, da die Spannung pro 1° Temperaturdifferenz zwischen den Thermistoren 40 und 42 der Differenz zweier /Ä-Abfälle entspricht, die beide geregelt sind, um innerhalb des gleichen schmalen Größenbereiches zu bleiben. Der Komparator 48 kann dann mit seinem einen Eingang an den Brückenpunkt 64 angeschlossen sein, während der andere Eingang mit dem Brückenpunkt 62 oder einer äquivalenten konstanten Spannung verbunden ist, so daß der Ausgang des Komparators 48 bei jeder Temperatur des Thermistors 40 innerhalb des eingeplanten Bereiches eine praktisch konstante lineare Funktion der Temperaturdifferenz zwischen den Thermistoren 40 und 42 ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf die Technik der Spektralphotometer ist in F i g. 4 dargestellt, wo wegen der Änlichkeiten mit der Vorrichtung der F i g. 2 einander entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern unter Zufügung eines Striches (') bezeichnet sind, wie in F i g. 2. In dieser Ausführungsform ist die Probe 16' eine Küvette mit Wänden aus Glas oder Quarzglas, die Probesubstanzen für die Spektralanalyse enthält Die Umgebungswärmesenke 18' ist wieder der Rahmen des Spektralphotometers oder eine andere Wärmesenke mit praktisch konstanter Temperatur. Die Wärmeübertragung auf die Küvette 16' geschieht durch einen Wärmekontaktkörper 24', der ein Analog zum Block 24 in Fig.2 ist Die Peltier-Einheit 12' ist zwischengefügt zwischen den Wärmekontaktkörper 24' und einen Küvettenkorb 30', der ein Analog zu der Übergangswärmesenke 30 in F i g. 2 ist. Eine Feder 66 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit ist an dem Küvettenkorb 30' befestigt um die Küvette 16' gegen den Wärmekontaktkörper 24' anzudrücken, und eine Peltier-Einheit 14' ist zwischen den Küvettenkorb 30' und die Umgebungswärmesenke 18' eingefügt. In der Küvette 16' kann ein Rührwerk 68 angeordnet sein, um die Probensubstanz kontinuierlich zu rühren. Ein Temperaturfühler 32' ist in einer Ummantelung angebracht, die in die Probensubstanz eingetaucht ist Temperaturfühler 40' und 42' liegen in dem Wärmekontaktkörper 24' bzw. im Küvettenkorb 30' über der Peltier-Einheit 12'. Die Peltier-Einheit 12' und 14' werden, wie beschrieben und vorstehend für die Temperaturregelvorrichtung 10 der F i g. 2 erläutert gesteuert und die Thermistoren 40' und 42' können in

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der Brückenschaltung der F i g. 3 mit konstanter Empfindlichkeit angeordnet sein.

Für den Fachmann dürfte ohne weiteres klar sein, daß der Küvettenkorb 30' und der Wärmekontaktkörper 24' in einer zur Zeichenebene der F i g. 4 senkrechten Achse verlängert werden können, um Platz für mehrere Küvetten 16' vorzusehen. Selbstverständlich würde in diesem Fall der Wärmekontaktkörper 24' an jeder solchen Küvette 16' anliegen und der Temperaturfühler 32' würde in der thermisch zentrierten Küvette 16' angebracht werden. Da ein Wärmeverzug in dem Kontaktkörper die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbare Geschwindigkeit und Genauigkeit der Einstellung des Gleichgewichtes begrenzt, ist in diesem Körper eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Wärmespeicherfähigkeit außerordentlich wichtig. An jeder Stelle, wo ein Wärmeübergang durch Leitung durch ein Material erfolgt, wird die Wärmespeicherfähigkeit bestimmt durch die spezifische Wärme des Materials. Daher ist eine Verbesserung gegenüber einer Metallstange mit Hilfe eines Wärmerohres möglich, bei dem der Wärmeübergang durch Dampfkonvektion erfolgt. Wärmerohre haben von sich aus eine niedrige Wärmespeicherkapazität Üblicherweise erfolgt in Wärmerohren der Wärmeübergang zwischen zwei Wänden durch Dampf einer Flüssigkeit ohne Temperaturänderung der Flüssigkeit. Der Dampf kondensiert an der erhitzten Wand und ein Dochtsystem leitet das Kondensat zur anderen Wand zurück, wo die Verdampfung stattfindet. Bei Anwendung in einem Spektralphotometer ist ein Arbeitstemperaturbereich von 0—100⁰C für den Wärmekontaktkörper 24' im Beispiel der F i g. 4 üblich und in diesem Fall wäre Methanol eine geeignete Flüssigkeit für ein Wärmerohr. Im Vergleich mit der Verwendung von massivem Kupfer für den Wärmekontaktkörper 24' in diesem Beispiel kann durch die Verwendung eines Wärmerohres eine Verminderung der Wärmespeicherkapazität von über 80% erreicht werden.

Wenn die Probe in der Küvette 16' der F i g. 4 ausgewechselt werden soll, muß der Temperaturfühler 32' für eine gewisse Zeitspanne herausgenommen werden. Da während dieser Zeitspanne der Temperaturfühler 32' nicht mehr der Probentemperatur sondern den Umweltverhältnissen ausgesetzt ist, geht wahrscheinlich die Regeiung der Peitier-Einheiten 12' und 14' verloren und es kommt zu einem Zustand des thermischen Ausreißens. Um eine Beschädigung einer Peltier-Einheit 12' oder 14' zu verhindern, die durch ein solches thermisches Ausreißen verursacht werden könnte, ist in der Schaltanordnung der F i g. 3 eine Einweg-Sicherheitsabschaltmöglichkeit für die Peltier-Einheit 12' eingebaut Das Gate eines FET Schalters 70 ist mit dem Ausgang eines Komparators 72 verbunden, wobei der FET Schalter 70 so angeschlossen ist, daß er den Ausgang des Komparators 48 erdet Die Eingänge zum Komparator 72 sind mit dem Brückenschaltungspunkt 60 bzw. einer Bezugsgleichspannung verbunden. Wie oben erläutert, ändert sich die Spannung am Brückenschaltungspunkt 60 als eine Funktion der Temperatur des Thermistors 40 und diese Spannung kann daher verwendet werden, um die Temperatur der Peltier-Einheit 12' zu messen. Die Bezugsspannung am Eingang des Komparators 72 kann so eingestellt werden, daß der Ausgang des Komparators 72 den FET Schalter 70 leitend macht, um das Steuersignal der Peltier-Einheit 12' zur Erde abzuleiten, bevor eine zerstörerische Temperatur erreicht wird. Wenn die Peltier-Einheit 12' abgeschaltet wird, wird auch der Eingang zur Peltier-Einheit 14' abgeschaltet da die Peltier-Einheit 14' durch die Wärmepumprate der Peltier-Einheit 12' gesteuert wird.

Da die Wand der Küvette 16' in Fig.4 eine unerwünschte Wärme verzögerung darstellt, ist in F i g. 5 eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Da viele Ähnlichkeiten zwischen der Vorrichtung der F i g. 4 und derjenigen der F i g. 5 vorhanden sind, sind einander entsprechende Bestandteile in F i g. 5 mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig.4, aber zweigestrichen, bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist an dem Wärmekontaktkörper 24" ein Ansatz angebracht, der von oberhalb des Küvettenkorbes 30" in die Probe in der Küvette 16" eingetaucht wird. Der Temperaturfühler 32" befindet sich nahe der Probe in dem Ansatz des Wärmekontaktkörpers 24" und das Rührwerk 68" ist wieder in der Küvette 16" vorgesehen, um die Probe kontinuierlich zu rühren. Wie beim vorherigen Beispiel ist die Peltier-Einheit 12" zwischen dem Wärmekontaktkörper 24 " und dem Küvettenkorb 30" eingefügt, während die Peltier-Einheit 14" zwischen dem Küvettenkorb 30" und der Umgebungswärmesenke 18'' liegt Temperaturfühler 40" und 42" sind wieder in dem Wärmekontaktkörper 24" bzw. im Küvettenkorb 30" über der Peltier-Einheit 12" angeordnet Sonst werden die Peitier-Einheiten 12" und 14" wie beschrieben und vorstehend für die Temperaturregelvorrichtung 10 der F i g. 2 erläutert geregelt und Thermistoren 40" und 42" können in der Brückenschaltung der F i g. 3 mit konstanter Empfindlichkeit angeordnet sein.

Bei Inkaufnahme eines gewissen Verlustes in der Temperaturgenauigkeit kann die Unbequemlichkeit eines eingetauchten Fühlers vermieden werden. Stattdessen kann ein Schacht für den Temperaturfühler 32' (Fig.4) in dem Wärmekontaktkörper 24' vorgesehen sein, wie in F i g. 6 dargestellt, um das thermische Ausreißen der Peitier-Einheiten 12' und 14' zu verhindern. Wenn ein eingetauchter Fühler erwünscht ist, hält die Temperaturregelvorrichtung der Fig.4 den Wärmekontaktkörper 24' auf der Solltemperatur dadurch, daß der Temperaturfühler 32' in diesen Schacht gesteckt wird, wenn die Küvette 16' herausgenommen wird; dadurch wird das thermische Ausreißen vermieden. Außerdem kann eine Auskleidung 74, die die gleiche Wärmeverzögerung bietet wie die Wand der Küvette 16', in diesem Schacht vorgesehen sein, so daß der Temperaturfühler 32' ständig in dem Schacht verbleiben kann, um die Temperatur der Probe zu verfolgen, wie in Fig.6 gezeigt. Der Wärmekontaktkörper 24'" kann verlängert sein, um die Küvette 16'" vollständig zu umso geben, wenn ein Zugeständnis an die Ansprechzeit für die Stabilisierung auf dem Temperatursollpunkt gemacht werden kann. Eine solche Ausführungsform ist in F i g. 7 gezeigt Wie in dieser Ausführungsform dargestellt, kann der Temperaturfühler 32'" permanent außen an der Wand des verlängerten Wärmekontaktkörpers 24'" an einer Stelle angebracht sein, die am besten die Küvettentemperatur repräsentiert gewöhnlich nahe dem Oberende, ohne daß eine Auskleidung erforderlich ist

Das Ausmaß des Darüberhinausschießens, zu dem es bei der langsamen Annäherung an den Temperatursollpunkt von beiden thermischen Richtungen aus kommt hängt vom Wärmegradienten ab, der zwischen dem Wärmekontaktkörper 24' (Fig.4) und der Küvette 16' zu dem Zeitpunkt vorhanden ist wenn der Temperaturfühler 32' feststellt daß der Temperatursollpunkt erreicht ist In der Konfiguration der F i g. 7 vergrößert die größere Masse des Kontaktkörpers 24'" das Darüber-

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hinausschießen. Um diese Übersteuerung zu reduzieren, ohne die thermische Ansprechzeit zu verlängern, kann eine Vorwegnahme des Sollpunktes durchgeführt werden, indem ein weiterer Thermistor 76 in dem Wärmekontaktkörper 24'" der F i g. 7 thermisch angeordnet wird, um die Temperatur der Probe zu verfolgen, und - dieser Thermistor mit einem weiteren Widerstand 78 in

,.: der Brückenschaltung der F i g. 3 in Reihe gelegt wird. Als Teil dieser Vorwegnahmeanordnung ist in der Schaltung der F i g. 3 ein Komparator 80 eingebaut, dessen Eingänge an den Brückenschaltungspunkt 62 oder eine äquivalente Spannung bzw. an den Brückenschaltungspunkt zwischen dem Widerstand 78 und dem Ther-

, mistor 76 gelegt sind. Wenngleich in F i g. 3 nicht darge-

l'i stellt, ist der Ausgang des !Comparators 80 additiv mit

,'; demjenigen Eingang des !Comparators 36' verbunden, y an den der Ausgang der Brückenschaltung 34' mit dem

\:i darin enthaltenen Temperaturfühler 32' angeschlossen ist. Da der Ausgang des !Comparators 80 proportional

ι ; zum Wärmegradienten über der Küvette 16'" ist, der ₍ durch die Temperaturdifferenz zwischen den Thermi-

stören 40'" und 76 repräsentiert ist, enthält der Ausgang ', des Komparators 36', der die Peltier-Einheit 12'" steu- ^: ert, Komponenten, die proportional zum Wärmegradienten über der Küvette 16'" bzw. zur Abweichung vom Sollpunkt der Proben-Temperatur sind. Da diese Komponenten additiv sind, schaltet die Peltier-Einheit 12'" ab, bevor der Sollpunkt erreicht ist, um die thermische Übersteuerung zu reduzieren. Da der Gradient dann abfällt, wenn die Temperatur des Wärmekontaktkörpers sich der Solltemperatur nähert, funktioniert die f Sollpunktvorwegnahme in der Weise, daß sie die Pro-

' bentemperatur ohne eine Übersteuerung oder doch mit

j einer nur geringen Übersteuerung auf den Sollpunkt bringt. Es hat sich herausgestellt, daß diese Vorwegnahmeschaltung derart wirksam ist, daß das Rührwerk weggelassen werden kann, ohne daß sich aus der erhöhten Wärmeverzögerung ein Darüberhinausschießen ergibt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Regeln der Temperatur einer Probe mit einer ersten und einer zweiten thermisch in Reihe mit der Probe geschalteten Peltier-Einheit, mit einem Fühler an der Probe und einer Solltemperatur-Einstelleinrichtung sowie einer Vorrichtung zur Steuerung des den Peltier-Einheiten zuzuführenden Stroms, dadurch gekennzeichnet, daß die der Probe (16) abgewandte Seite der zweiten Peltier-Einheit (14) mit einer Umgebungswärmesenke (18) verbunden ist, und daB die Vorrichtung zur Steuerung des Stromes eine erste Steuereinrichtung (20) zur Steuerung der Stromzufuhr zur ersten Peltier-Einheit (12) proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Temperaturfühler (32) an der Probe und einer Solltemperatur und eine zweite Steuereinrichtung (22) zum Steuern der Stromzufuhr zur zweiten Peltier-Einheit (14) proportional zur Temperaturdifferenz über der ersten Peltier-Einheit (12) umfaßt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der zweiten Steuereinrichtung (22) so geführt ist, daß die Solltemperatur für die erste Steuereinrichtung (20) zum Zwecke der Kompensation von Wärmeverlusten an die Umgebung verschoben wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuereinrichtung (22) einen ersten und zweiten Thermistor (40, 42) aufweist, die mit zwei miteinander verbundenen Widerständen (54, 58) in einer einzigen Brückenschaltung vereinigt sind, wobei der Ausgang eines Operationsverstärkers (52) an den Brückenschaltungspunkt (60) zwischen den Widerständen (54, 58) gelegt ist und der Brückenschaltungspunkt (62) zwischen dem einen ersten Thermistor (40) und dem einen Widerstand (54) mit dem einen Eingang des Operationsverstärkers (52) verbunden ist, dessen anderer Eingang an eine in bezug auf den Brückenschaltungspunkt (60) zwischen den Thermistoren festgelegte Spannung angeschlossen ist, wodurch die Empfindlichkeit der Brückenschaltung praktisch unabhängig von der durch den ersten Thermistor (40) am Eingang des Operationsverstärkers festgestellten Temperatur ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang von wenigstens einer der Steuereinrichtungen für die Peltier-Einheiten durch einen FET Schalter (70) geerdet ist, dessen Gate mit dem Ausgang eines !Comparators (72) verbunden ist, der seinen einen Eingang von dem Brückenschaltungspunkt (60) zwischen den Widerständen (54,58) und seinen anderen Eingang von einer Spannung (V) erhält, die relativ zum Brückenschaltungspunkt (62) zwischen den Thermistoren fixiert ist, wodurch die Peltier-Einheiten (12,14) abgeschaltet werden, wenn der mit dem Eingang des Operationsverstärkers (52) verbundene Thermistor (40) eine vorgegebene Temperatur erreicht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurchgekennzeichnet, daß ein dritter Thermistor (76) und ein dritter Widerstand (78) in die Brückenschaltung eingefügt sind, wobei alle Thermistoren (40, 42, 76) an einem gemeinsamen Brückenschaltungspunkt liegen und alle Widerstände (54,58,78) an einem anderen gemeinsamen Brückenschaltungspunkt, wobei ferner der Brückenschaltungspunkt zwischen dem dritten Widerstand (78) und demdritten Thermistor (76) am einen Eingang eines !Comparators (80) liegt, dessen anderer Eingang an dem Brückenschaltungspunkt (62) zwischen dem ersten Thermistor (40) und dem ersten Widerstand (54) liegt, während der Ausgang des !Comparators (80) derart mit der ersten Steuereinrichtung (20) verbunden ist, daß die erste Peltier-Einheit (12) abgeschaltet wird, bevor die Solltemperatur an der ersten Steuereinrichtung (20) erreicht ist, um das thermische Darüberhinausschießen zu reduzieren.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe eine Durchlaufzelle (16) in einem Spektralphotometer ist, in der ein erster und ein zweiter Fühler (32,40) angeordnet sind, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das proportional zur Temperatur an einer Stelle nächst dem Durchgang durch die Durchlaufzelle bzw. nächst der ersten Peltier-Einheit (12) ist, daß ferner eine Wärmesenke (30) thermisch zwischen die erste und die zweite Peltier-Einheit (12,14) eingefügt ist, in de»- ein dritter Fühler (42) nächst der ersten Peltier-Einheit (12) angeordnet ist, um ein zur Temperatur proportionales elektrisches Signal zu entwickeln, und daß die erste Steuereinrichtung (20) der ersten Peltier-Einheit einen ersten Komparator (36) aufweist, an dessen einem Eingang das Signal von dem ersten Fühler (32) und an dessen anderem Eingang ein Signal von der Solltemperatur-Einstelleinrichtung (38) liegt und dessen Ausgang die erste Peltier-Einheit (12) beaufschlagt, während die zweite Steuereinrichtung (22) der zweiten Peltier-Einheit einen zweiten Komparator (48) aufweist, an dessen einem Eingang das Signal vom zweiten Fühler (40) und an dessen zweitem Eingang das Signal vom dritten Fühler (42) liegt und dessen Ausgang die zweite Peltier-Einheit (14) beaufschlagt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe wenigstens eine Küvette (16') in einem Küvettenkorb (30') eines Spektralphotometers ist, die die Probensubstanz enthält, in welche ein erster Fühler (32') eintaucht, um ein zur Temperatur proportionales elektrisches Signal zu entwickeln, daß ferner ein Wärmekontaktkörper (24') zwischen der Küvette bzw. den Küvetten (16') und der ersten Peltier-Einheit (12') eingefügt ist, in welchem nahe der ersten Peltier-Einheit (12') ein zweiter Fühler (40') angebracht ist, um ein zur Temperatur proportionales elektrisches Signal zu entwickeln, daß der Küvettenkorb (30') thermisch zwischen der ersten und der zweiten Peltier-Einheit (12', 14') eingefügt ist, wobei ein dritter Fühler (42') in dem Wärmekontaktkörper nächst der ersten Peltier-Einheit (12') angeordnet ist, um ein zur Temperatur proportionales elektrisches Signal zu erzeugen, und daß die erste Steuereinrichtung (20) für die erste Peltier-Einheit einen ersten Komparator (36) aufweist, an dessen einem Eingang das Signal vom ersten Fühler (32') und an dessen anderem Eingang ein Signal von der Solltemperatur-Einstelleinrichtung (38) liegt und dessen Ausgang die erste Peltier-Einheit (12') beaufschlagt, während die zweite Steuereinrichtung (22) für die zweite Peltier-Einheit einen zweiten Komparator (48) enthält, an dessen einem Eingang das Signal vom zweiten Fühler (40') und an dessen anderem Eingang das Signal vom dritten Fühler (42') liegt und dessen Ausgang die zweite

Peltier-Einheit (14') beaufschlagt

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe wenigstens eine Küvette (16") in einem Küvettenkorb"(30") eines Spektralphotometers ist und ein Wärmekontaktkörper (24") zwischen die Küvette bzw. Küvetten (16") und die erste Peltier-Einheit (12") eingefügt ist, in dem ein erster und ein zweiter Fühler (32", 40") angeordnet sind, um ein zur Temperatur proportionales elektrisches Signal zu entwickeln, daß ferner der Küvettenkorb (30") thermisch zwischen die erste und die zweite Peltier-Einheit (12", 14") eingefügt ist und in ihm nächst der ersten Peltier-Einheit ein dritter Fühler (42") angeordnet ist, um ein zur Temperatur proportionales elektrisches Signal zu entwickeln, wobei der zweite Fühler (40") in der Nähe der ersten Peltier-Einheit (12") angeordnet ist, und daß die erste Steuereinrichtung (20) für die erste Peltier-Einheit einen ersten Komparator (36) aufweist, an dessen einem Eingang das Signal vom ersten Fühler (32") und an dessen anderem Eingang ein Signal von der Solltemperatur-Einstelleinrichtung (38) liegt und dessen Ausgang die erste Peltier-Einheit (12") beaufschlagt, während die zweite Steuereinrichtung (22) für die zweite Peltier-Einheit einen zweiten Komparator (48) enthält, an dessen einem Eingang das Signal vom zweiten Fühler (40") und an dessen anderem Eingang das Signal vom dritten Fühler (42") liegt und dessen Ausgang die zweite Peltier-Einheit (14") beaufschlagt

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe wenigstens eine Küvette (16'") in einem Küvettenkorb (30'") eines Spektralphotometers ist und ein Wärmekontaktkörper (24"') zwischen die in der Küvette enthaltene Probesubstanz und die erste Peltier-Einheit (12'") eingefügt ist, in dem ein erster und ein zweiter Fühler (32'", 40'") angeordnet sind, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das zur Temperatur an Stellen nächst der Probensubstanz bzw. der ersten Peltier-Einheit proportional ist, daß der Küvettenkorb (30'") thermisch zwischen die erste und die zweite Peltier-Einheit (12'", 14" ') eingefügt ist und in ihm ein dritter Fühler (42'") nächst der Peltier-Einheit (12'") angeordnet ist, um ein zur Temperatur proportionales elektrisches Signal zu erzeugen, und daß die erste Steuereinrichtung (20) für die erste Peltier-Einheit einen ersten Komparator (36) enthält, an dessen einem Eingang das Signal vom ersten Fühler (32'") und an dessen anderem Eingang ein Signal einer Solltemperatur-Einstelleinrichtung (38) liegt und dessen Ausgang die erste Peltier-Einheit (12'") beaufschlagt, während die zweite Steuereinrichtung (22) für die zweite Peltier-Einheit einen zweiten Komparator aufweist, an dessen einem Eingang das Signal vom zweiten Fühler (40 '") und an dessen anderem Eingang das Signal vom dritten Fühler (42'") liegt und dessen Ausgang die zweite Peltier-Einheit (14'") beaufschlagt.