PL183603B1 - Układ do regulacji temperatury i pomiaru natężenia strumienia cieplnego - Google Patents

Abstract

Układ do regulacji temperatury i pomiaru natężenia strumienia cieplnego, zawierający mostek oporowy, w którego jednej z gałęzi jest włączony opornik nastawny zaś w przyległej gałęzi element czynny o rezystancji zależnej od temperatury i diodę włączoną szeregowo w kierunku umożliwiającym przepływ prądu ze źródła napięcia stałego wzbudzenia mostka, oraz przyłączonego równolegle do elementu czynnego źródła napięcia i klucza połączonego jednocześnie z wyjściem komparatora, znamienny tym, że posiada mostek, którego węzeł wyjściowy połączony jest poprzez układ próbkującopamiętający (S/H) z wejściem nieodwracającym komparatora (A), którego z kolei wejście odwracające połączone jest z wyjściem generatora napięcia piłokształtnego (G), przy czym układ próbkującopamiętający (S/H) sterowany jest napięciem z wyjścia komparatora (A), zaś w obwodzie równoległym do elementu czynnego (S) włączony jest miernik średniego natężenia prądu (I) wykorzystany jako precyzyjny miernik mocy doprowadzanej do elementu czynnego (S) ze źródła (M).

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ do regulacji temperatury i pomiaru natężenia strumienia cieplnego zawierający mostek oporowy, przeznaczony do stosowania, zwłaszcza w elektrycznych urządzeniach grzewczych, termostatach, anemometrach i kalorymetrach. Z szeregu znanych rozwiązań do stabilizacji temperatury elementu grzejnego, najbliższym jest rozwiązanie znane z opisu patentowego RP nr 170 473.

W układzie do regulacji temperatury i pomiaru natężenia strumienia cieplnego według podanego patentu RP nr 170 473, element grzejny zwany dalej elementem czynnym stanowi jednocześnie czujnik temperatury. Układ posiada w jednej z gałęzi mostka oporowego element o rezystancji zależnej od jego temperatury, połączony szeregowo z diodą. Równolegle do elementu czynnego włączone jest źródło napięcia dużej mocy i klucz połączony jednocześnie z wyjściem komparatora, którego nieodwracające wejście połączone jest z masą układu, a wejście odwracające z węzłem wyjściowym mostka i poprzez kondensator z wyjściem komparatora. W jedną z gałęzi włączony jest opornik nastawny do regulacji temperatury, a do wyjścia komparatora przyłączony jest miernik mocy. Jako precyzyjny miernik mocy, urządzenie posiada miernik częstotliwości, ponieważ moc wydzielona w elemencie czynnym jest czerpana w postaci impulsów o częstotliwości wprost proporcjonalnej do szybkości wymiany ciepła między elementem grzejnym a otoczeniem. Natężenia strumienia cieplnego pomiędzy elementem czynnym a jego otoczeniem określa się w oparciu o średnią moc dostarczoną do elementu czynnego.

Opisany układ ma zastosowanie zarówno w utrzymywaniu stałej lub zaprogramowanej temperatury, na przykład w termostatach, komorach badań cieplnych, piecach i urządzeniach grzewczych, jak też do pomiarów wykorzystujących zmiany warunków cieplnych, to jest anemometrach czy próżniomierzach. Układ ma także zastosowanie do dokładnych pomiarów wartości ciepła właściwego, ciepła przemian fazowych i reakcji chemicznych.

Wynalazek rozwiązuje zagadnienie stabilizacji temperatury elementu grzejnego za pomocą impulsów elektrycznych ze źródła dużej mocy, których częstotliwość jest ustalona, natomiast różny jest ich czas trwania.

Układ według wynalazku posiada mostek, którego węzeł wyjściowy połączony jest poprzez układ próbkująco-pamiętający z wejściem nieodwracającym komparatora. Wejście odwracające komparatora połączone jest z wyjściem generatora napięcia piłokształtnego, przy czym układ próbkująco-pamiętający sterowany jest napięciem z wyjścia komparatora.

183 603

Taki układ pozwala na utrzymanie mostka rezystancyjnego w pobliżu równowagi, co zwiększa czułość układu na zmiany temperatury otoczenia elementu czynnego oraz ma znacznie szerszy zakres regulacji temperatury.

Do pomiaru stłumienia ciepła przepływającego między elementem czynnym a jego otoczeniem włączono w obwodzie równoległym do elementu czynnego miernik średniego natężenia prądu, którego wskazania przy stałym napięciu źródła mocy są wprost proporcjonalne do mocy doprowadzonej do elementu czynnego. Miernik średniego natężenia prądu wykorzystywany jest jako precyzyjny miernik mocy doprowadzonej do elementu czynnego.

Zalety układu według wynalazku to: zwiększona czułość reakcji układu na małe zmiany temperatury elementu czynnego, zwiększony zakres regulacji temperatury, ułatwiony pomiar strumienia cieplnego odprowadzanego z układu poprzez pomiar średniego prądu elektrycznego dostarczanego do elementu grzejnego ze źródła mocy.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania w oparciu o rysunek przedstawiający schemat połączeń elektrycznych próżniomierza stałooporowego.

Układ, którego schemat przedstawiono na rysunku składa się z mostka oporowego zasilanego ze źródła prądu stałego B o napięciu 5V, którego jedna gałąź zawiera spiralę S wykonaną z cienkiego drutu platynowego połączonego z diodą D, zaś przyległa gałąź mostka zawiera rezystor nastawny N połączony z diodą D,. Równolegle do spirali S włączone jest źródło mocy M o napięciu 8V, poprzez klucz K, który stanowi tranzystor typu MOSFET o bramce sterowanej napięciem z wyjścia komparatora A, którego odwracające wejście połączone jest z wyjściem generatora napięcia piłokształtnego P zaś wejście nieodwracające połączone jest z węzłem wyjściowym mostka poprzez układ próbkująco-pamiętający S/H sterowany napięciem z wyjścia tego komparatora A. W obwodzie równoległym do spirali S jest włączony miernik średniego natężenia prądu I wykorzystany jako precyzyjny miernik mocy doprowadzanej do spirali S ze źródła napięcia M, którym jest regulowany stabilizator napięcia.

Układ ma szczególne zastosowanie jako stałooporowv próżniomierz typu Piraniego o znacznie rozszerzonym zakresie pomiaru ciśnień - od 10‘³ hPa do 1000 hPa.

Działanie układu jest następujące. Temperaturę spirali platynowej zadajemy poprzez zadanie odpowiedniej wartości rezystora N. Zwiększenie rezystancji N powyżej rezystancji spirali S, której wartość zależy od temperatury spirali, powoduje wygenerowanie napięcia niezrównoważenia na węźle wyjściowym mostka, co z kolei powoduje wzrost napięcia na wejściu nieodwracąjącym komparatora A. Generator napięcia piłokształtnego na wejściu nieodwracąjącym będzie w ciągu każdego okresu generować na wyjściu komparatora dłużej trwające napięcie dodatnie, którym jest sterowany klucz K i układ próbkująco-pamiętający. W tych interwałach czasowych następuje dogrzewanie elementu S ze źródła napięcia M, co spowoduje wzrost rezystancji tego elementu aż do wartości bliskiej zadanej rezystancji rezystora nastawnego N. Układ próbkująco-pamiętający zastosowano zamiast zwykłego wzmacniacza operacyjnego nieodwracającego, ponieważ w interwalach czasowych gdy spirala platynowa jest dogrzewana, działanie mostka jest przerwane przez kluczujące działanie diody D. Dioda ta nie przewodzi gdy napięcie ze źródła M jest większe od napięcia ze źródła B. Dioda D, została dodana dla zapewnienia symetrii mostka.

183 603

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Układ do regulacji temperatury' i pomiaru natężenia strumienia cieplnego, zawierający mostek oporowy, w którego jednej z gałęzi jest włączony opornik nastawny zaś w przyległej gałęzi element czynny o rezystancji zależnej od temperatury i diodę włączoną szeregowo w kierunku umożliwiającym przepływ prądu ze źródła napięcia stałego wzbudzenia mostka, oraz przyłączonego równolegle do elementu czynnego źródła napięcia i klucza połączonego jednocześnie z wyjściem komparatora, znamienny tym, że posiada mostek, którego węzeł wyjściowy połączony jest poprzez układ próbkująco-pamiętający (S/H) z wejściem nieodwracającym komparatora (A), którego z kolei wejście odwracające połączone jest z wyjściem generatora napięcia piłokształtnego (G), przy czym układ próbkująco-pamiętający (S/H) sterowany jest napięciem z wyjścia komparatora (A), zaś w obwodzie równoległym do elementu czynnego (S) włączony jest miernik średniego natężenia prądu (I) wykorzystany jako precyzyjny miernik mocy doprowadzanej do elementu czynnego (S) ze źródła (M).