RU2018912C1

RU2018912C1 - Temperature control device

Info

Publication number: RU2018912C1
Authority: RU
Inventors: А.Н. Хрисанов; Б.С. Абезгауз; Б.М. Рафалькес; М.Л. Шипяцкий
Original assignee: Производственный кооператив "Элав"
Priority date: 1990-05-07
Filing date: 1990-05-07
Publication date: 1994-08-30

Abstract

FIELD: automatic temperature control systems. SUBSTANCE: device has a radiator filled with liquid coolant, temperature sensor and control unit connected in series and mounted in a housing, cooling fan with a drive the output of which is connected to the output of control unit. The control unit has a head-conducting housing comprising a protrusion and mounted within the radiator such that the protrusion is in contact with the liquid coolant, the control unit housing being filled with a heat-conducting filler which is isolated from the walls of housing except of the protrusion. The temperature sensor is disposed within the control unit housing protrusion and is fixed directly to the protrusion end-face being in contact with the liquid coolant by its one end-face. EFFECT: enhanced accuracy in maintaining temperature of liquid coolant. 2 dwg

Description

Изобретение относится к системам автоматического регулирования температуры и может быть использовано для регулирования температуры охлаждающей среды в замкнутом объеме, в частности охлаждающей жидкости в двигателе внутреннего сгорания автомобиля. The invention relates to automatic temperature control systems and can be used to control the temperature of the cooling medium in a closed volume, in particular coolant in an internal combustion engine of a car.

Известны устройства для регулирования температуры, использующие в качестве измерительного датчика термобиметаллический датчик или терморезистор, а в качестве исполнительного устройства - управляемый тиристор, включенный последовательно с нагревательным элементом. Known devices for controlling the temperature, using a thermobimetallic sensor or a thermistor as a measuring sensor, and a controlled thyristor connected in series with a heating element as an actuating device.

Устройство для регулирования температуры [1] содержит термобиметаллический контактный датчик температуры, два диода, динистор, конденсатор, симистор, во время отрицательной полуволны питающего напряжения конденсатор заряжается до напряжения пробоя динистора и разряжается через управляющий электрод симистора, который подключает нагревательный элемент к источнику питания. The temperature control device [1] contains a thermobimetal contact temperature sensor, two diodes, a dynistor, a capacitor, a triac, during the negative half-wave of the supply voltage, the capacitor is charged to the breakdown voltage of the dynistor and discharged through the control electrode of the triac, which connects the heating element to the power source.

Недостатком известного устройства является низкая надежность за счет контактного датчика температуры, недостаточная точность из-за значительной зоны включения-выключения контактного термобиметаллического датчика температуры, наличие сложного механического регулятора заданной температуры (на схеме не показан), которым регулируется зазор в термобиметаллическом элементе. A disadvantage of the known device is the low reliability due to the contact temperature sensor, insufficient accuracy due to the large on / off zone of the contact thermobimetallic temperature sensor, the presence of a complex mechanical regulator of the set temperature (not shown in the diagram), which controls the gap in the thermobimetallic element.

Известно устройство регулирования температуры [2], содержащее балансную мостовую схему с датчиком температуры, операционный усилитель с обратной связью, диод, параметрический стабилизатор напряжения, эмиттерный повторитель, полупроводниковый транзисторный нагревательный элемент, мостовой выпрямитель, вторую цепь обратной связи. A known temperature control device [2], containing a balanced bridge circuit with a temperature sensor, a feedback operational amplifier, a diode, a parametric voltage regulator, an emitter follower, a semiconductor transistor heating element, a bridge rectifier, a second feedback circuit.

Недостатком этого устройства является "дребезг" в точке сравнения выходного сигнала усилителя и всего исполнительного устройства, вызванный наличием отрицательной обратной связи по переменному току. The disadvantage of this device is the "bounce" at the point of comparison of the output signal of the amplifier and the entire actuator, caused by the presence of negative feedback on alternating current.

Общим недостатком рассмотренных устройств является их функционирование в режиме нагрева регулируемой емкости, которая охлаждается естественным образом, от внешней среды. Это не позволяет использовать рассмотренные устройства для стабилизации температуры замкнутого объема (емкость) при наличии в нем внутреннего источника тепла. A common disadvantage of the considered devices is their functioning in the heating mode of an adjustable capacity, which is naturally cooled from the external environment. This does not allow the use of the considered devices to stabilize the temperature of a closed volume (capacity) in the presence of an internal heat source in it.

Известно устройство для охлаждения силовой установки [3], содержащее блок управления, блок исполнительных механизмов с фазовыми тиристорными регуляторами, два сумматора, два источника опорного напряжения, усилитель, датчики температур окружающей среды и силовой установки, электродвигатель, вентилятор, входной и выходной воздуховоды, дополнительный воздуховод, два трехвходовых клапана, датчик напряжения питания, исполнительный механизм управления клапанами. A device for cooling a power plant [3] is known, comprising a control unit, an actuator unit with phase thyristor regulators, two adders, two voltage reference sources, an amplifier, ambient and power temperature sensors, an electric motor, a fan, an input and output air ducts, an additional air duct, two three-way valves, supply voltage sensor, valve control actuator.

Поддержание температуры силовой установки осуществляется путем перераспределения воздуха между входным и выходным воздуховодами с помощью трехвходовых клапанов и дополнительного воздуховода, подключенного к третьим входам обоих клапанов, в зависимости от фактической температуры силовой установки и окружающей среды. Maintaining the temperature of the power plant is carried out by redistributing the air between the inlet and outlet ducts using three-way valves and an additional duct connected to the third inputs of both valves, depending on the actual temperature of the power plant and the environment.

Основным недостатком этого устройства является его значительная сложность и невозможность использования для охлаждения малых объемов, а также значительная зона регулируемых температур, связанная с наличием в контуре регулирования электромеханических клапанов и трубопроводов, недостаточная точность регулирования, связанная с невозможностью установки датчика температуры в такое место силовой установки, которое характеризовало бы интегральную температуру силовой установки. The main disadvantage of this device is its significant complexity and the inability to use small volumes for cooling, as well as a significant adjustable temperature zone associated with the presence of electromechanical valves and pipelines in the control loop, insufficient regulation accuracy associated with the inability to install a temperature sensor in such a place of the power plant, which would characterize the integral temperature of the power plant.

Наиболее близким техническим решением-прототипом является терморегулятор для охлаждения двигателя внутреннего сгорания ТМ-108 [4], содержащий корпус в виде полого стакана, в котором в воздушном пространстве установлен термобиметаллический выключатель, контакты которого подключены к обмотке реле, включающего вентилятор охлаждения поверхности двигателя. Стакан с терморегулятором ввинчивается в отверстие в рубашке двигателя, а его дно контактирует с охлаждающей двигатель жидкостью. The closest technical solution to the prototype is a temperature regulator for cooling the internal combustion engine TM-108 [4], containing a casing in the form of a hollow glass in which a thermo-bimetallic switch is installed in the air space, the contacts of which are connected to the relay coil, which includes an engine cooling fan. A glass with a temperature regulator is screwed into the hole in the engine jacket, and its bottom is in contact with the engine cooling liquid.

Недостатками терморегулятора ТМ-108 являются: недостаточная надежность, связанная с наличием механических контактов; низкая надежность сохранения установленной температуры регулирования, связанная с тем, что терморегулятор устанавливается в рубашку двигателя, имеющую значительные вибрации при работе; значительная зона включения и выключения терморегулятора из-за плохого контакта собственно датчика температуры (термобиметаллического элемента) из-за плохого контакта дна стакана с жидкостью и наличия воздушного зазора между датчиком температуры и корпусом (дном стакана) терморегулятора, из-за подгара контактов, приводящего к изменению точек срабатывания и возможному выходу датчика из строя. The disadvantages of the thermostat TM-108 are: insufficient reliability associated with the presence of mechanical contacts; low reliability of maintaining the set control temperature, due to the fact that the thermostat is installed in the engine jacket, which has significant vibrations during operation; a significant zone of turning the temperature regulator on and off due to poor contact of the temperature sensor itself (thermo-bimetallic element) due to poor contact of the bottom of the glass with liquid and the presence of an air gap between the temperature sensor and the body (bottom of the glass) of the temperature controller, due to burning of the contacts, leading to a change in the trigger points and a possible sensor failure.

Зона регулирования ТМ-108 составляет ±2^о, а так как эта зона имеет возможность увеличиваться из-за вибрационной разрегулировки, то надежность работы, т.е. надежность поддержания температуры охлаждающей жидкости в заданном диапазоне, низкая, что приводит к работе двигателя с перегревом, т.е. к его дополнительному износу и преждевременному выходу из строя.The zone of regulation of ТМ-108 is ± 2 ^о , and since this zone has the ability to increase due to vibrational adjustment, the reliability of operation, i.e. the reliability of maintaining the temperature of the coolant in a given range is low, which leads to engine overheating, i.e. to its additional wear and premature failure.

К этим недостаткам следует добавить низкие эксплуатационные качества известного терморегулятора: необходимость постоянной проверки его работоспособности. To these shortcomings should be added the low performance of the well-known temperature regulator: the need for continuous verification of its performance.

Целью изобретения является повышение точности поддержания температуры охлаждающей жидкости. The aim of the invention is to improve the accuracy of maintaining the temperature of the coolant.

Цель достигается тем, что устройство для регулирования температуры содержит охлаждаемый радиатор, последовательно соединенные и помещенные в корпус датчик температуры и блок регулирования, а также вентилятор охлаждения, привод которого соединен с выходом блока регулирования, а корпус блока регулирования выполнен теплопроводным, снабжен выступом и размещен в радиаторе таким образом, что выступ введен в контакт с охлаждающей жидкостью. Корпус блока регулирования заполнен теплопроводным наполнителем, который, за исключением выступа, отделен от стенок корпуса теплоизоляционным наполнителем, а датчик температуры размещен в выступе корпуса блока регулирования и одним своим торцом закреплен непосредственно на торце выступа, соприкасающемся с охлаждающей жидкостью. The goal is achieved in that the temperature control device comprises a cooled radiator, a temperature sensor and a control unit connected in series and placed in the housing, as well as a cooling fan, the drive of which is connected to the output of the control unit, and the control unit case is heat-conductive, provided with a protrusion and placed in the radiator so that the protrusion is in contact with the coolant. The housing of the control unit is filled with a heat-conducting filler, which, with the exception of the protrusion, is separated from the walls of the housing by a heat-insulating filler, and the temperature sensor is located in the protrusion of the housing of the control unit and is attached directly to the end of the protrusion in contact with the coolant with one of its ends.

На фиг.1 показана структурная схема устройства для регулирования температуры; на фиг.2 - пример выполнения схемы блока регулирования. Figure 1 shows a structural diagram of a device for controlling temperature; figure 2 is an example implementation of the circuit of the control unit.

Устройство для регулирования температуры содержит датчик 1 температуры, выступ 2 корпуса, корпус блока 3 регулирования, теплопроводный наполнитель 4, блок 5 регулирования, охлаждаемый радиатор 6, привод вентилятора 7, вентилятор 8 охлаждения, охлаждающую жидкость 9, изоляционный наполнитель 10. The temperature control device comprises a temperature sensor 1, a protrusion 2 of the housing, a housing of a control unit 3, a heat-conducting filler 4, a control unit 5, a cooled radiator 6, a fan drive 7, a cooling fan 8, a cooling liquid 9, an insulating filler 10.

В состав блока 5 терморегулирования входит измерительный мост 5.1; операционный усилитель 5.2, работающий в режиме компаратора с резистором 5.3 обратной связи; фильтр 5.4, транзисторный усилитель 5.5, диод 5.6. The temperature control unit 5 includes a measuring bridge 5.1; operational amplifier 5.2, operating in comparator mode with feedback resistor 5.3; filter 5.4, transistor amplifier 5.5, diode 5.6.

Датчик 1 температуры представляет собой терморезистор, помещенный внутрь выступа корпуса 2 и одним торцом соединенный с ним непосредственно и через теплопроводный наполнитель. The temperature sensor 1 is a thermistor placed inside the protrusion of the housing 2 and connected to it directly and through a heat-conducting filler with one end.

Корпус блока 3 регулирования предназначен для установки в охлаждаемый радиатор 6, температура в котором должна поддерживаться постоянной, так, что выступ корпуса 2 полностью погружен в этот радиатор, например в охлаждающую жидкость внутри рубашки двигателя внутреннего сгорания. The body of the control unit 3 is designed to be installed in a cooled radiator 6, the temperature of which must be kept constant, so that the protrusion of the body 2 is completely immersed in this radiator, for example, in the coolant inside the jacket of the internal combustion engine.

Датчик 1 температуры электрически соединен с первым входом блока 5 регулирования, предназначенного для преобразования температуры, до которой нагревается выступ корпуса 2, в электрический сигнал на первом выходе. Блок 5 соединен вторым входом с первым входом привода вентилятора 7 и с источником питания, третьим входом - с общей шиной источника питания, а выходом - с вторым входом привода вентилятора 7, в качестве которого может быть использован электродвигатель 7.1, подключаемый к источнику питания контактами коммутатора 7.2. The temperature sensor 1 is electrically connected to the first input of the control unit 5, designed to convert the temperature to which the protrusion of the housing 2 is heated, into an electrical signal at the first output. Block 5 is connected by the second input to the first input of the fan 7 drive and to the power source, the third input to the common bus of the power source, and the output to the second input of the fan 7 drive, which can be used as an electric motor 7.1 connected to the power source by the switch contacts 7.2.

Блок 5 регулирования может быть выполнен по схеме фиг.2. Измерительный мост 5.1, в одно из плеч которого включен датчик 1 температуры (входы I₁ и I₂), одной диагональю подключен к источнику питания через фильтр 5.4 (входы 2 и 3), вторая (измерительная) диагональ подключена к входам операционного усилителя 5.2, работающего в режиме компаратора, который охвачен положительной обратной связью на резисторе 5.3. Входы питания компаратора 5.2 подключены к шинам источника питания через фильтр 5.4, а его выход соединен с входом транзисторного усилителя 5.5.Block 5 regulation can be performed according to the scheme of figure 2. The measuring bridge 5.1, in one of the arms of which a temperature sensor 1 (inputs I ₁ and I ₂ ) is connected, is connected to the power supply through a filter 5.4 (inputs 2 and 3) with one diagonal, the second (measuring) diagonal is connected to the inputs of the operational amplifier 5.2, working in the comparator mode, which is covered by positive feedback on the resistor 5.3. The power inputs of the comparator 5.2 are connected to the buses of the power source through a filter 5.4, and its output is connected to the input of the transistor amplifier 5.5.

Фильтр 5.4 в виде последовательной RC-цепи подключен к источнику питания (вход 2) и общей шине (вход 3) и предназначен для исключения ложных срабатываний компаратора 5.2 и предохраняет его от выхода из строя при бросках напряжения питания. Filter 5.4 in the form of a serial RC circuit is connected to a power source (input 2) and a common bus (input 3) and is designed to eliminate false alarms of the comparator 5.2 and protects it from failure during power surges.

Транзисторный усилитель 5.5 предназначен для усиления мощности выходного сигнала компаратора 5.2 и образования низкоомного выхода для подключения нагрузки и состоит из резистивного делителя, включенного между выходом компаратора и общей шиной источника питания, средним выводом подключенного к базе транзистора, эмиттер которого подключен к общей шине, а коллектор - к выходу блока 5 и через диод 5.6 - к шине источника питания. The transistor amplifier 5.5 is designed to amplify the output signal of the comparator 5.2 and form a low-resistance output for connecting the load and consists of a resistive divider connected between the output of the comparator and the common bus of the power supply, the middle output connected to the base of the transistor, the emitter of which is connected to the common bus, and the collector - to the output of block 5 and through diode 5.6 - to the bus of the power source.

Диод 5.6 предназначен для защиты транзистора усилителя 5.5 от импульсов отрицательной полярности, возникающих при выключении транзисторта из-за индуктивного тока обмотки реле 7.2. Diode 5.6 is designed to protect the transistor of the amplifier 5.5 from pulses of negative polarity that occur when the transistor is turned off due to the inductive current of the relay coil 7.2.

Для температурной компенсации измерительного моста 5.1 и параметров компаратора 5.2 блок 5 регулирования помещен внутрь корпуса 3, который заполнен теплопроводным наполнителем 4. Так как выступ корпуса 2 находится в жидкости с постоянной температурой (в пределах регулирования), то при всех колебаниях температуры внешней окружающей среды температура элементов блока 5 изменяется в незначительных пределах. Таким образом, температурная погрешность блока 5 значительно уменьшается, что повышает точность регулирования температуры и надежность схемы регулирования. For temperature compensation of the measuring bridge 5.1 and the parameters of the comparator 5.2, the control unit 5 is placed inside the housing 3, which is filled with heat-conducting filler 4. Since the protrusion of the housing 2 is in a liquid with a constant temperature (within the regulation), then for all fluctuations in the ambient temperature elements of block 5 varies to a small extent. Thus, the temperature error of block 5 is significantly reduced, which increases the accuracy of temperature control and the reliability of the control circuit.

Установка датчика 1 температуры в непосредственной близости от блока 5 регулирования, заключение их в металлический корпус 3 обеспечивают высокую помехоустойчивость за счет резкого сокращения длины проводов между датчиком 1 и входом компаратора 5.2 и за счет экранирующего действия металлического корпуса блока регулирования, непосредственно соединенного с охлаждаемым радиатором 6. The installation of the temperature sensor 1 in the immediate vicinity of the control unit 5, their conclusion into a metal case 3 provides high noise immunity due to a sharp reduction in the length of the wires between the sensor 1 and the input of the comparator 5.2 and due to the shielding action of the metal case of the control unit directly connected to the cooled radiator 6 .

Устройство для регулирования температуры работает следующим образом. Корпус блока 3 регулирования устанавливается внутрь охлаждаемого радиатора, например внутрь рубашки двигателя внутреннего сгорания, посредством ввинчивания в резьбовое отверстие оболочки до упора, при этом выступ корпуса 2 попадает в охлаждающую жидкость 9. A device for controlling the temperature is as follows. The body of the control unit 3 is installed inside the cooled radiator, for example, inside the jacket of the internal combustion engine, by screwing the shell into the threaded hole until it stops, while the protrusion of the body 2 enters the coolant 9.

При нормальных климатических условиях сопротивление датчика 1 температуры велико, напряжение на первом (инверсном) входе компаратора 5.2 больше, чем на втором его входе, и на выходе компаратора 5.2 формируется нулевой уровень, транзистор усилителя 5.5 закрыт, коммутатор 7.2 не включается и электродвигатель 7.1 привода 7 не вращает вентилятор 8. Under normal climatic conditions, the resistance of temperature sensor 1 is high, the voltage at the first (inverse) input of comparator 5.2 is greater than at its second input, and a zero level is formed at the output of comparator 5.2, amplifier transistor 5.5 is closed, switch 7.2 does not turn on, and drive motor 7.7 does not rotate fan 8.

При нагреве охлаждающей жидкости при работе двигателя автомобиля сопротивление датчика 1 уменьшается и при достижении температуры регулирования, например, 92^оС напряжение на первом входе компаратора 5.2 становится больше напряжения на его втором входе.When heated coolant during operation the vehicle engine resistance sensor 1 decreases, and when the temperature control, e.g., 92 ^C. voltage at the first input of comparator 5.2 becomes larger than the voltage at its second input.

Компаратор 5.2 переключится, транзистор усилителя 5.5 откроется, коммутатор 7.2 переключится и подключит электродвигатель 7.1 привода 7 к источнику питания. Электродвигатель 7.1 начнет вращать вентилятор 8, который охлаждает оболочку радиатора 6 с охлаждающей жидкостью 9, которая в свою очередь охлаждается, охлаждая выступ корпуса 2 и находящийся в нем датчик 1 температуры. The comparator 5.2 will switch, the transistor of the amplifier 5.5 will open, the switch 7.2 will switch and connect the motor 7.1 of the drive 7 to the power source. The electric motor 7.1 will start to rotate the fan 8, which cools the shell of the radiator 6 with coolant 9, which in turn is cooled, cooling the protrusion of the housing 2 and the temperature sensor 1 located therein.

После того, как температура охлаждающей жидкости понизится, например, до температуры 87^оС компаратор 5.2 переключится в начальное состояние, транзистор усилителя 5.5 закроется, коммутатор 6 отключится, электродвигатель 7.1 остановится и вентилятор 8 перестанет охлаждать радиатор 6.After the coolant temperature drops, for example, to a temperature of 87 ^о С, the comparator 5.2 will switch to the initial state, the transistor of the amplifier 5.5 will close, the switch 6 will turn off, the electric motor 7.1 will stop and the fan 8 will stop cooling the radiator 6.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества: повышенную точность регулирования температуры в широком диапазоне климатических условий эксплуатации за счет термостатирования блока регулирования; повышенную помехоустойчивость за счет сокращения длины проводов, соединяющих датчик температуры с блоком регулирования, размещения датчика температуры и блока регулирования в одном экранирующим корпусе; повышенную надежность за счет термостатирования блока регулирования; меньшую тепловую инерцию за счет выполнения выступа корпуса из теплопроводного материала, непосредственного контакта (прижатия) торца датчика температуры к поверхности выступа корпуса. The proposed device in comparison with the prototype has the following advantages: increased accuracy of temperature control in a wide range of climatic conditions of operation due to thermostating of the control unit; increased noise immunity by reducing the length of the wires connecting the temperature sensor to the control unit, placing the temperature sensor and the control unit in one shielding case; increased reliability due to thermostating of the control unit; lower thermal inertia due to the implementation of the protrusion of the housing from a heat-conducting material, direct contact (pressing) the end of the temperature sensor to the surface of the protrusion of the housing.

Claims

A TEMPERATURE CONTROL DEVICE comprising a cooling radiator filled with coolant, a temperature sensor and a control unit connected in series and placed in the housing, and a cooling fan, the drive of which is connected to the output of the control unit, characterized in that, in order to increase the accuracy of maintaining the cooling temperature liquids, the housing of the control unit is heat-conducting, provided with a protrusion and placed in the radiator so that the protrusion is in contact with the coolant while the control unit housing is filled with a heat-conducting filler, which, with the exception of the protrusion, is separated from the walls of the housing by a heat-insulating filler, and the temperature sensor is placed in the protrusion of the control unit housing and is fixed with one of its ends directly on the end of the protrusion in contact with the coolant.