DE3122008A1

DE3122008A1 - Thermostat zum temperieren von probengut

Info

Publication number: DE3122008A1
Application number: DE19813122008
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. DDR 8252 Coswig Baumert; Eugen Dipl.-Ing. DDR 8057 Dresden Neumann
Original assignee: Medizin und Labortechnik Leipzig VEB
Current assignee: Medizin und Labortechnik Leipzig VEB
Priority date: 1980-08-19
Filing date: 1981-06-03
Publication date: 1982-03-25
Also published as: DD157983A3; HUT34089A

Description

Thermostat zum Temperieren von Probengut
Anwendungsgebiet der Erfindung: Die Erfindung betrifft einen Thermostat zum Temperieren von Probengut vor der Analyse. Solche Thermostaten können überall dort eingesetzt werden, wo die Ergebnisse der Analyse von der Temperatur des Probengutes abhängen. i:insatzorte -sind hauptsächlich die Labors in der Forschung, dej Medizin und der Industrie.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Bs ist ein Thermostat bekannt (Firmenschrift "Paltier-Eühlgerät TKE 36A001", Fa. Driesen & Kern, DE), der auch zur Probentemperierung verwendet werden kann und aus einem Temperierblock, einer aus mehreren Elementen zusammengesetzten Peltierbatterie, einem Konvektor und einer elektronischen Regelschaltung aufgebaut ist. Die Peltierbatterie ist zwischen dem Demperierblock und dem Konvektor angeordnet.
Den eingang der Regelschaltung bildet ein im bzw. am Temperierblock befestigter Temperaturfühler, während die Peltierbatterie ihren Ausgang bildet. Im Bingangsteil der Schaltung wird eine negative oder positive Abweichung der Temperierblocktemperatur von der eingestellten Solltemperatur erfaßt.
Die Regelabweichung wird verstärkt und in Abhängigkeit von ihrem Vorzeichen zur Stromsteuerung der Peltierbatterie benutzt. Je nach Stromrichtung führt die Peltierbatterie dem Temperierblock Wärme zu oder von ihm ab.
Die Temperaturstabilität des Thermostaten beträgt 0,2 - 0,3 Grad bei einer Raumtemperatur von 15 - 35°C. Sie ist für temperaturempfindliches Probengut nicht ausreichend. snderungen der Temperatur des Probengutes und der Umgebung des Thermostaten wirken sich stark auf die Temperatur aus, sie werden erst nach relativ langer Zeit ausgeregelt. Es besteht die Gefahr des Uberschwingens.
£ ist ein Temperaturfühler zur Feststellung der Thermostattemperatur bekannt (DOS 2 247 394), dessen Anschlußdrähte zur Regelschaltung so ausgeführt sind, daß durch ihre Wärmeableitung eine Störgrößenaufschaltung bewirkt wird. Die Störgröße tritt als Temperaturabfall am thermischen Widerstand zwischen dem Temperaturfühler und dem Thermostatinnenraum in Wrscheinung. Die bleibende RegelabweMehang soll durch diesen Temperaturabfall kompensiert werden.
Diese Anordnung ist zusammen mit einem Peltierelement als Stellglied nicht anwendbar. Die Störgröße, die Umgebungstemperatur,.wirkt überwiegend über das Peltierelement auf die Thermostattemperatur ein; ihr direkter SinfluBist wesentlich schwächer. Der Grund hierfür liegt darin, daß der nicht den Thermostaten berührende Temperaturpol des Peltierelements mit der Umgebungstemperatur in Verbindung stehen muß, die WärmezuSuhr und -ableitung vermittels des Peltierelements dadurch aber stark von der Umgebungstemperatur abhängen.
Ziel der iRrfindung: Die erfindung hat den Zweck, die Temperaturstabilität zu erhöhen, die Trägheit des Stabilisierungsvorganges zu verringern und die Gefahr des tberschwingens zu reduzieren.
Darlegung des Wesens der Erfindung: Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Ghermostaten zum Temperieren von Probengut zu entwickeln, der eine hohe Temperaturstabilität in einem großen Bereich der Umgebungstemperatur und beim Wechsel des Probengutes besitzt.
Die Lösung dieser Aufgabe baut auf die dargestellte Konzeption des bekannten Thermostaten auf. BrSindugsgemäß ist vorgesehen: Die Regelschaltung ist zwecks Störgrößenaufschaltung durch eine Zusatzschaltung erweitert. Der Temperaturfühler der Zusatzschaltung ist am Konvektor angeordnet. Sie besitzt für negative und positive Differenzen zwischen der Solltemperatur und der Umgebungstemperatur unterschiedliche einstellUare Verstärkungsfaktoren. Die Ausgangsschaltung der Regelsohaltung ist aus einer Summierschaltung und einer LeistunEsendstufe zusammengesetzt. Der Summierkoeffizient für die Ausgangsspannung des Regelteils ist größer als der Summierkoeffizient für die.
Ausgangsspannung der Zusatzschaltung.
Aiisführungsbeispiel: In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Thermostat in perspektivischer Darstellung (Prinzipaufbau) Fig. 2 die Regelschaltung des Thermostaten.
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 elektroni£chnn 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 de Konvektor 3 befestigt. Der Temperierblock 1, die Peltierbatterie 2 und der Konvektor 3 sind elektrisch zueinander isoliert, stehen aber in einem guten Wärmekontakt miteinander.
Die größtenteils im Regelblock 4 untergebrachte Regelschaltung ist eingangsseitig aus einem Regelteil 6 und einer Zusatzschaltung 7 und ausgangsseitig aus einer gemeinsamen Ausgangsschaltung 8 aufgebaut. Der Regelteil 6 besteht aus einer Reihenschaltung einer Brückenschaltung 9, eines nicht invertierenden, beschalteten Operationsverstärkers 10 und eines invertierenden, beschalteten Operationsverstärkers 11.
In einem Zweig der Brückenschaltung 9 sind der Temperaturfühler 12, ein Thermistor, und ein Festwiderstand; der andere Zweig wird durch die Reihenschaltung eines Regelwiderstandes 13. und eines Festwiderstandes gebildet. Der Temperaturtühler 12 ist an einem für das Temperaturprofil des Temperierblockes 1 charakteristischen Punkt angebracht. Die Zusatzschaltung 7 ist eine Reihenschaltung aus einer Brückenschaltung 14, einem nicht invertierenden, beschalteten Operationsverstärker 15 und einem invertierenden, beschalteten Operationsverstärker 16. Der eine Zweig der Brückenschaltung 14 besteht aus einem Temperaturfühler 17 und einem westwiderstand, der andere Zweig aus einem Regelwiderstand 18 und einem Festwiderstand. Der Temperaturfühler 17, ein trher mistor, ist an einer geeigneten Stelle des Konvektors 3 befestigt. Der Operationsverstärker 16 besitzt zwei parallele, durch Dioden gegeneinander abgeblockte Beschaltungen, von der die eine einen Einstellwiderstand 19 für den Verstarkungrfaktor der positiven Abweichung der Raumtemperatur von der Solltemperatur und die andere einen Einstellwiderstand 20 für den Verstärkungsfaktor der negativen Abweichung enthält.
Die Ausgangsschaltung d besteht aus einer Summierschaltung 21 und einer tieistungsendstufe 22. Die Summierschaltung 21 ist ein invertierender Operationsverstärker 23 mit einem Summiergli.ed in der Beschaltung. Die Rechenwiderstande im Eingang sind unterschiedlich bemessen: Der Rechenwiderstand 24 für die Ausgangsspannung des Regelteils 6 ist kleiner als die beiden Rechenwiderstände 25;26 für die Ausgangsspannung der Zusatzschaltung 7. Dadurch ist der Summierkoetfizient für den Regelteil 6 großer als der für die Zusatzschaltung 7. Die Leistungsendstufe 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 Gegenkopplungswiderstana 29 des Leistungsverstärkers 27 an den Ausgang der Boosterstufe 28 geführt ist. Die Peltierbatterie 2 ist als Lastwiderstand geschaltet.
Die Wirkungsweise des Whermostaten erklärt sich hauptsachlich aus dem Aufbau der Regelschaltung als Kombination einer Regelschaltung mit einer Steuerschaltung. Den wingangsteil der Regelschaltung bildet der Regelteil 6, den Eingangsteil der Steuerschaltung bildet die Zusatzschaltung 7. DieRegelschaltung beinhaltet demnach eine Regelung mit StörgröSenaufschaltung.
Beim Anlegen einer elektrischen Gleichspannung an die beiden 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 ab. Mit der Umkehr der Stromrichtung wird auch die Richtung des Wärmestromes umgekehrt. Der Temperierkörper 1 kann somit auf Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur und Temperaturen unterhalb derselben temperiert werden0 Voraussetzung ist, daß der nicht mit dem Temperierkörper 1 im Kontakt stehende, zweite Temperaturpol der Peltierbatterie 2 auf eine 17emperatur nahe der Raumtemperatur gehalten wird. Diese wird durch den Konvektor 3 in Verbindung mit dem Gebläse 5 gewährleistet. Der Konvektor 3 stellt der Peltierbatterie 2 eine große Wärmemenge zur Verfügung, wenn die Solltemperatur oberhalb der Raumtemperatur liegt; er entzieht der Peltierbatterie 2 genügend Wärme, wenn die Solltemperatur unterhalb der Raumtemperatur liegt. Die für den Gleichgewichtszustand erforderliche statische Stromversorgung der Peltierbatterie 2 wird über die Zusatzschaltung 7 eingestellt und gesteuert. Sie stellt die erforderliche Stärke des Stromes ein und polt seine Richtung um, wenn die Raumtemperatur die Solltemperatur in die eine oder andere Richtung überschreitet. Ein zusätzlicher Stelleingriff durch den Regelteil 6 kommt nur dann zur Wirkung, wenn eine Regelabweichung infolge ungenauer Abstimmung der Zusatzschaltung 7 mit der Ausgangsschaltung 8 oder infolge eines Wechsels des Probengutes vorkommt. Er äußert sich in einer Vergrößerung oder Verkleinerung des durch die Zusatzschaltung 7 eingestellten Stromes der Peltierbatterie 2. Dadurch, daß der Summierkoeffizient für die Ausgangsspannung des Regelteils 6 größer als der für die Ausgangsspannung der Zusatzschaltung 7 ist, werden Temperaturschwankungen im Temperierblock 1 sehr schnell ausgeregelt.
Die Einstellung der Solltemperatur wird mit den,Regelwiderständen 13.; 18 vorgenommen.
Die Temperaturstabilität des Thermostaten ist kleiner als 0,1 Grad in einem Bereich der Umgebungstemperatur von 15 -37QC.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Temperierblock 2 Peltierbatterie 3 Konvektor 4 Regelblock 5 Gebläse 6 Regelteil 7 Zusatzschaltung 8 Ausgangsschaltung 9 Brückenschaltung 10 Operationsverstärker 11 Operationsverstärker 12 Temperaturfühler 13 Regelwiderstand 14 Brückenschaltung 15 Operationsverstärker 16 Operationsverstärker 17 Temperaturfühler 18 Regelwiderstt)nd 19 Einstellwiderstand 20 Einstellwiderstand 21 Summierschaltung 22 BeistungsendstuSe 23 Operationsverstärker 24 Rechenwiderst and 25 Rechenwiderstand 26 Rechenwiderstand 27 Operationsbistungsverstärker 28 Boosterstufe 29 Gegenkopplungswiderstand

Claims

Erfindungsansprüche: {$hertnostat zum Temperieren von Probengut mit einem die Probengefäße aufnehmenden vemperierblock, einem Konvektor, einer Peltierbatterie zwischen ihnen und einer elektronischen Regelschaltung, die eingangsseitig einen Temperaturfühler im Demperierblock und ausgangsseitig die Peltierbatterie einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die ßegelschaltung mit einer Lusatzschaltung (7) versehen ist, deren Temperaturfühler (17) am Konvektor (3) angeordnet ist und die einstellbare Verstarkun5sfaktoren für negative und positive Differenzen zwischen der Solltemperatur und der Umgebungstemperatur aufweist, die Ausgangsschaltung (8) der Regelschaltung aus einer Surnniierschaltung (21) und einer Beistungsendstufe (22) besteht und der Summierkoeffizient für die Ansgangsspannung des Regelteils (6) größer als der Summierkoeffizient für die Ausgangsspannung der Zusatzschaltung (7) ist.
2. Thermostat nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzschaltung (7) eine Reihenschaltung aus einer Brükkenschaltung (14), einem nicht invertierenden, beschalteten Operationsvers-ärker (15) und einem invertierenden beschalteten Operationsverstärker (16) ist, der eine Zweig der Brückenschaltung (14) aus dem Temperaturfühler (17) des Konvektors (3) und einem Festwiderstand und der andere Zweig aus einem Regelwiderstand (18) und einem Festwiderstand besteht und der invertiercnde Operationsverstärker (16) zwei parallele, durch Dioden gegeneinander abgeblockte Beschaltungen für die beiden Aussteuerbreiche besitzt, wobei die Gegenkopplungsimpedanzen als Einstellwiderstände (19, 20) ausgeführt sind.
3. Thermostat nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Suraniierschaltung (21) ein invertierender Operationsverstärker (23) mit einem Summierglied als Singangsteil der Beschaltung ist, der Rechenwiderstand (24) für die Ausgangsspannung des Regelteils (6) kleiner als die Xechenwiderstände (25, 26) für die Ausgangsspannung aer Zusatzschaltung (7) ist, die Beistungsendstufe (22) aus einem beschalteten, invertierenden Operationsverstärker (27), einer ihm nachgeschalteten Boosterstufe (28) und der Peltierbatterie (2) zusammengesetzt ist und der Gegenkopplungswiderstand C2) der Beschaltung an den Ausgang der Boosterstufe (28) geführt ist.