RU2352911C2

RU2352911C2 - System for control of precision null-thermostat

Info

Publication number: RU2352911C2
Application number: RU2006108199/28A
Authority: RU
Inventors: Тагир Абдурашидович Исмаилов (RU); Тагир Абдурашидович Исмаилов; Александр Александрович Губа (RU); Александр Александрович Губа
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2009-04-20
Also published as: RU2006108199A

Abstract

FIELD: physics, measurement.

SUBSTANCE: invention is related to metering technology and is intended for automatic control of precision null-thermostat. System for automatic control of interphase boundary position for precision of null-thermostat is realised on three temperature detectors fixed on side wall of chamber with working substance, normalising amplifiers of signals from detectors, analog-to-digital transducers, microprocessor, digital-analog transducers, current stabilisers controlled by voltage, modules of polarity switching and two thermoelectric modules. System provides for maintenance of interphase boundary position at preset level. Float incline, as well as its freezing to solid phase of working substance are eliminated by means of current pulses passage by module for setting pulses with certain duration via induction coil fixed on side wall of chamber, which excites vibrations of coil fixed on float. Two differential thermocouples fixed on float are used to alarm about possible distortions of float.

EFFECT: increased accuracy of thermostatting and time of continuous operation.

3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для автоматического управления прецизионным нуль-термостатом.The invention relates to measuring equipment and is intended for automatic control of a precision zero-thermostat.

Дифференциальные термопары отличаются высокими качественными показателями и часто используются для прецизионного измерения температуры в промышленности и лабораторных исследованиях. Однако для достижения высокой точности измерений требуется проводить термостатирование их контрольных спаев при определенном значении температуры. В целях повышения удобства в организации измерений в качестве опорной точки нередко выбирают температуру плавления льда (0°С). Достаточно распространенной конструкцией является ванна с тающим льдом, в которую помещают термостатируемый контрольный спай дифференциальной термопары. Важный недостаток заключаются в ограниченном времени работы устройства. Известна конструкция [1], принцип функционирования которой основан на применении малогабаритного ртутного реле, используемого в схеме двухпозиционного регулирования. Однако устройству свойственна высокая зависимость точности поддержания температуры от точности датчика. Принцип действия другой термоэлектрической системы [1] основан на регистрации изменений в объеме воды при ее переходе в твердую фазу. Используется высокочувствительное контактное реле, реагирующее на изменения в объеме, что обеспечивает термостабилизацию на уровне 0°С. Недостатками обеих конструкций являются большие габариты устройств, сложность схемы управления и конструкции. Известно устройство [2], содержащее датчик температуры, в качестве которого используется термопара, связанная с усилителем, компаратор, устройство задания разности, модуль реверса полярности и усилитель для термоэлектрической батареи. Недостатком устройства является использование компаратора, что определяет работу системы в импульсном режиме и способствует возникновению электромагнитных помех, обусловленных протеканием импульсных токов через термоэлектрическую батарею. Кроме того, точность термостатирования зависит от точности используемого датчика температуры.Differential thermocouples are characterized by high quality indicators and are often used for precision temperature measurement in industry and laboratory research. However, in order to achieve high accuracy of measurements, it is required to carry out thermostating of their control junctions at a certain temperature value. In order to increase the convenience in organizing measurements, the melting point of ice (0 ° C) is often chosen as a reference point. A fairly common design is a bath with melting ice, in which a thermostatic control junction of a differential thermocouple is placed. An important disadvantage is the limited operating time of the device. A known design [1], the principle of operation of which is based on the use of a small-sized mercury relay used in the on-off control circuit. However, the device is characterized by a high dependence of the accuracy of temperature maintenance on the accuracy of the sensor. The principle of operation of another thermoelectric system [1] is based on the registration of changes in the volume of water during its transition to the solid phase. A highly sensitive contact relay is used, which responds to changes in volume, which ensures thermal stabilization at the level of 0 ° С. The disadvantages of both designs are the large dimensions of the devices, the complexity of the control circuit and design. A device [2] is known, comprising a temperature sensor, which uses a thermocouple connected to an amplifier, a comparator, a difference setting device, a polarity reversal module, and an amplifier for a thermoelectric battery. The disadvantage of this device is the use of a comparator, which determines the operation of the system in a pulsed mode and contributes to the occurrence of electromagnetic interference due to the flow of pulsed currents through a thermoelectric battery. In addition, the accuracy of temperature control depends on the accuracy of the temperature sensor used.

Другим возможным решением является размещение контрольного спая дифференциальной термопары на границе раздела твердой и жидкой фазы рабочего вещества. Подобная конструкция [3] состоит из двустенной цилиндрической камеры, внутренний объем которой заполняется дистиллированной водой. Термоэлектрический модуль закреплен холодным спаем к верхнему основанию камеры и подводит тепло от горячего спая посредством тепловода к нижнему основанию, что способствует формированию твердой и жидкой фаз воды и их границы раздела. Поплавковая конструкция предназначена для подвода контрольного спая дифференциальной термопары к границе раздела твердой и жидкой фаз.Another possible solution is to place a control junction of a differential thermocouple at the interface between the solid and liquid phases of the working substance. A similar design [3] consists of a double-walled cylindrical chamber, the internal volume of which is filled with distilled water. The thermoelectric module is fixed by a cold junction to the upper base of the chamber and supplies heat from the hot junction via a heat pipe to the lower base, which contributes to the formation of solid and liquid phases of water and their interface. The float design is designed to supply a reference junction of a differential thermocouple to the interface between solid and liquid phases.

Значительным недостатком устройства является наличие развитой естественной конвекции, обусловленной малой плотностью рабочего вещества, и использованием нижнего основания внутренней камеры в качестве обогревателя. Конвекционные потоки направлены вертикально вверх по направлению к границе раздела фаз рабочего вещества и их действие выражается в снижении точности термостатирования. Это связано с неравномерным вымыванием нижней кромки твердой фазы рабочего вещества, что способствует образованию неоднородной границы раздела твердой и жидкой сред и снижает точность позиционирования подводимого контрольного спая дифференциальной термопары непосредственно к границе раздела фаз. Кроме того, присутствие конвекционных потоков в жидкой среде вызывает непрерывные изменения температурного поля в плоскости, геометрически совпадающей с границей раздела фаз. При этом возникает ошибка в термостатировании при использовании широко распространенных малоинерционных дифференциальных термопар с относительно небольшим геометрическим размером контрольного спая. Причем величина ошибки постоянно изменяется во времени и практически не подлежит компенсации.A significant drawback of the device is the presence of developed natural convection due to the low density of the working substance, and the use of the lower base of the inner chamber as a heater. Convection flows are directed vertically upward towards the phase boundary of the working substance and their action is expressed in a decrease in thermostatting accuracy. This is due to the uneven washing out of the lower edge of the solid phase of the working substance, which contributes to the formation of an inhomogeneous interface between solid and liquid media and reduces the accuracy of positioning of the supplied control junction of the differential thermocouple directly to the interface. In addition, the presence of convection flows in a liquid medium causes continuous changes in the temperature field in a plane that geometrically coincides with the phase boundary. In this case, an error occurs in thermostating when using widespread low-inertia differential thermocouples with a relatively small geometric size of the control junction. Moreover, the magnitude of the error is constantly changing over time and is practically not compensable.

Длительная эксплуатация подобных устройств затрудняется из-за относительно быстрого полного проплавления твердой фазы рабочего вещества или полного замерзания жидкой фазы. Это может потребовать приостановки эксплуатации с необходимостью последующей подготовки устройства к следующему сеансу измерений, причем подобная подготовка может потребоваться перед проведением каждого нового сеанса и необходима при смене термостатируемого контрольного спая дифференциальной термопары. Сложность в эксплуатации связана также с зависимостью времени эксплуатации устройства от условий окружающей среды (температуры, влажности, скорости воздушных потоков и др.) и сложностью в определении максимально возможной продолжительности эксплуатации. Это объясняется тем, что внешняя цилиндрическая камера, используемая в качестве тепловода для передачи тепла от горячего спая термоэлектрического модуля к нижнему основанию внутренней камеры, одновременно является радиатором, отводящим тепло в окружающую среду. При этом не предусмотрена возможность автоматической компенсации возникших теплопотерь с учетом условий окружающей среды, что может потребовать присутствия оператора для проведения необходимых расчетов и осуществления контроля за процессом измерения, либо использования системы поддержания микроклимата.Long-term operation of such devices is hampered due to the relatively rapid complete penetration of the solid phase of the working substance or complete freezing of the liquid phase. This may require a suspension of operation with the need for subsequent preparation of the device for the next measurement session, moreover, such preparation may be required before each new session and is necessary when changing the thermostatically controlled reference junction of a differential thermocouple. The difficulty in operation is also associated with the dependence of the operating time of the device on environmental conditions (temperature, humidity, air velocity, etc.) and the difficulty in determining the maximum possible duration of operation. This is because the external cylindrical chamber, used as a heat conduit to transfer heat from the hot junction of the thermoelectric module to the lower base of the inner chamber, is also a radiator that removes heat to the environment. At the same time, it is not possible to automatically compensate for heat losses that take into account environmental conditions, which may require the presence of an operator to carry out the necessary calculations and monitor the measurement process, or use a microclimate maintenance system.

Важным недостатком устройства является сложность в контроле за текущим положением и состоянием поплавковой конструкции. Таким образом, при возникновении перекоса поплавка, а также полного проплавления или замерзания рабочего вещества, при формировании неравномерной границы раздела фаз не производится информирование проводящего измерения оператора, что может привести к неверной интерпретации проведенных с помощью данного нуль-термостата измерений.An important disadvantage of the device is the difficulty in monitoring the current position and condition of the float structure. Thus, in the event of a skew of the float, as well as complete penetration or freezing of the working substance, when an uneven phase boundary is formed, the operator conducting the measurement is not informed, which may lead to an incorrect interpretation of the measurements made using this null thermostat.

Целью изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков рассмотренных конструкций и разработка системы управления, позволяющей проводить автоматическое регулирование положения границы раздела твердой и жидкой фаз, снизить влияние конвекционных потоков на точность термостатирования, увеличить срок эксплуатации прецизионного нуль-термостата, обеспечить контроль угла наклона поплавковой конструкции, предотвратить ее смерзание с твердой фазой рабочего вещества и сигнализацию о выходе устройства из рабочего режима.The aim of the invention is to eliminate the above drawbacks of the considered designs and the development of a control system that allows automatic control of the position of the interface between solid and liquid phases, reduce the effect of convection flows on thermostatting accuracy, increase the life of a precision null thermostat, provide control of the angle of inclination of the float structure, prevent it freezing with a solid phase of the working substance and an alarm about the device leaving the operating mode.

Используются датчики температуры Д1 (12), Д2 (13) и Д3 (14), которые крепятся к боковой стенке внутренней цилиндрической камеры и расположены на одной линии по вертикальной оси, перпендикулярной плоскости границы раздела фаз, причем датчик Д2 располагается в центральной части цилиндрической камеры, а датчики Д1 и Д3 - на одинаковом расстоянии вблизи от верхнего и нижнего оснований внутренней цилиндрической камеры соответственно.Temperature sensors D1 (12), D2 (13) and D3 (14) are used, which are attached to the side wall of the inner cylindrical chamber and are located on the same line along the vertical axis perpendicular to the plane of the phase boundary, and the D2 sensor is located in the central part of the cylindrical chamber and sensors D1 and D3 - at the same distance near the upper and lower bases of the inner cylindrical chamber, respectively.

С противоположной датчикам Д1, Д2 и Д3 стороны внутренней камеры закреплена катушка индуктивности КИ1 (15). Катушка индуктивности кольцеобразной формы КИ2 (16) с замкнутыми накоротко витками размещается внутри поплавковой конструкции и расположена в горизонтальной плоскости.On the opposite side of the sensors D1, D2 and D3 of the inner chamber, an inductance coil KI1 is fixed (15). An annular inductance coil KI2 (16) with short-circuited turns is located inside the float structure and is located in the horizontal plane.

Дифференциальные термопары ДТ1 (17) и ДТ2 (18) крепятся к сетке, размещенной в центре поплавка и составленной из капроновых нитей, причем вдоль первой нити устанавливаются контрольный и опорный спаи термопары Д1, а вдоль другой, параллельной первой, закрепляются спаи термопары Д2.Differential thermocouples DT1 (17) and DT2 (18) are attached to the grid located in the center of the float and made up of kapron threads, with the control and reference junctions of the thermocouple D1 installed along the first thread, and the junctions of the thermocouple D2 fixed along the other, parallel to the first.

Система автоматического регулирования положения границы раздела фаз для малогабаритного нуль-термостата (фиг.1) реализована на датчиках Д1, Д2 и Д3, нормирующих усилителях сигналов с датчиков НУ1, НУ2 и НУ3, аналого-цифровых преобразователях АЦП1, АЦП2 и АЦП3, микропроцессоре МП, цифроаналоговых преобразователях ЦАП1 и ЦАП2, стабилизаторах тока, управляемых напряжением СТ1 и СТ2, модулях переключения полярности МПП1 и МПП2, с выхода которых управляющий сигнал поступает на термоэлектрические модули ТЭМ1 (2) и ТЭМ2 (10). Для взаимодействия с внешними устройствами, а также для ввода параметров системы оператором с помощью интерфейса пользователя ИП используется блок сопряжения БС. Модуль сигнализации МС предназначен для оповещения пользователя о текущем режиме работы, а также о возникновении нестандартных ситуаций. Для передачи управляющих воздействий другими системам, используемым совместно с данным устройством, используется преобразователь интерфейсов ПИ.A system for automatically adjusting the position of the phase boundary for a small null thermostat (Fig. 1) is implemented on sensors D1, D2 and D3, normalizing signal amplifiers from sensors NU1, NU2 and NU3, analog-to-digital converters ADC1, ADC2 and ADC3, MP microprocessor, digital-to-analog converters DAC1 and DAC2, current stabilizers controlled by voltage ST1 and ST2, polarity switching modules MPP1 and MPP2, from the output of which the control signal is fed to thermoelectric modules TEM1 (2) and TEM2 (10). To interact with external devices, as well as to enter system parameters by the operator using the IP user interface, a BS interface unit is used. The MS alarm module is designed to alert the user about the current operating mode, as well as about the occurrence of non-standard situations. To transfer control actions to other systems used in conjunction with this device, a PI interface converter is used.

Принцип работы системы автоматического регулирования построен на измерении датчиками Д1, Д2 и Д3 текущей температуры в местах их расположения во внутреннем объеме камеры с рабочим веществом и обработки выходных напряжений с датчиков нормирующими усилителями НУ1, НУ2 и НУ3 соответственно, которые используются для приведения выходных сигналов с датчиков к уровню напряжений, соответствующих входному, динамическому диапазону аналого-цифровых преобразователей. Аналого-цифровые преобразователи АЦП1, АЦП2 и АЦП3 преобразуют уровни входных напряжений в цифровой код, поступающий на вход микропроцессора. Микропроцессор МП осуществляет цифровую обработку сигналов, полученных с датчиков, и в соответствии со значениями измеренных температур и собственным алгоритмом функционирования формирует информационные сигналы о полярности для МПП1 и МПП2 и цифровые управляющие воздействия для термоэлектрических модулей ТЭМ1 и ТЭМ2. Величины управляющих воздействий для термоэлектрических модулей преобразуются в уровни напряжений с помощью ЦАП1 и ЦАП2, поступают на вход стабилизаторов тока, управляемых напряжением СТ1 и СТ2, выходной сигнал с которых, с учетом заданной микропроцессором полярности для МПП1 и МПП2, поступает на термоэлектрические модули ТЭМ1 и ТЭМ2.The principle of operation of the automatic control system is based on the measurement by sensors D1, D2 and D3 of the current temperature in the places where they are located in the internal volume of the chamber with the working substance and processing of the output voltages from the sensors by normalizing amplifiers NU1, NU2 and NU3, respectively, which are used to bring the output signals from the sensors to the voltage level corresponding to the input, dynamic range of analog-to-digital converters. Analog-to-digital converters ADC1, ADC2 and ADC3 convert the input voltage levels into a digital code supplied to the input of the microprocessor. The microprocessor MP digitally processes the signals received from the sensors and, in accordance with the values of the measured temperatures and its own functioning algorithm, generates information signals about polarity for MPP1 and MPP2 and digital control actions for thermoelectric modules TEM1 and TEM2. The magnitudes of the control actions for thermoelectric modules are converted to voltage levels using DAC1 and DAC2, and are fed to the input of current stabilizers controlled by voltage ST1 and CT2, the output signal from which, taking into account the polarity specified by the microprocessor for MPP1 and MPP2, is supplied to thermoelectric modules TEM1 and TEM2 .

При включении питания термоэлектрические модули ТЭМ1 и ТЭМ2 остаются в выключенном состоянии, а система автоматического регулирования положением границы раздела фаз начинает измерение текущей температуры Т1, Т2 и Т3 с датчиков Д1, Д2 и Д3 соответственно. В зависимости от значений измеренных температур T1, T2 и Т3 возможны несколько режимов работы системы управления.When the power is turned on, the thermoelectric modules TEM1 and TEM2 remain off, and the automatic control system by the position of the phase boundary starts measuring the current temperature T1, T2 and T3 from sensors D1, D2 and D3, respectively. Depending on the values of the measured temperatures T1, T2 and T3, several control system operating modes are possible.

1. Т1>0°С, Т2>0°С, Т3>0°С. Во внутренней цилиндрической камере отсутствует или находится небольшое количество твердой фазы рабочего вещества. Система управления формирует ток I₁ через термоэлектрический модуль ТЭМ1, который протекает в направлении, необходимом для работы в режиме отвода тепла от верхнего основания внутренней камеры. Модуль ТЭМ2 при этом отключен (I₂=0). Происходит замерзание жидкой фазы в цилиндрической камере и образование границы раздела фаз, пролегающей по верхнему основанию поплавка.1. T1> 0 ° C, T2> 0 ° C, T3> 0 ° C. A small amount of the solid phase of the working substance is absent or located in the inner cylindrical chamber. The control system generates a current I ₁ through the thermoelectric module TEM1, which flows in the direction necessary for operation in the mode of heat removal from the upper base of the inner chamber. The TEM2 module is disabled (I ₂ = 0). The liquid phase freezes in a cylindrical chamber and a phase boundary forms along the upper base of the float.

2. Т1<0°С, Т2<0°С, Т3<0°С. В камере отсутствует или находится малое количество жидкой фазы рабочего вещества. Через модуль ТЭМ2 протекает ток I₂, его направление задано таким образом, чтобы происходило нагревание нижнего основания камеры, модуль ТЭМ1 отключен (I₁=0). Начинается процесс таяния твердой фазы вещества в цилиндрической камере, образуется граница раздела фаз, пролегающая по верхнему основанию поплавка.2. T1 <0 ° C, T2 <0 ° C, T3 <0 ° C. There is no or a small amount of the liquid phase of the working substance in the chamber. A current I ₂ flows through the TEM2 module, its direction is set so that the lower base of the chamber is heated, the TEM1 module is disabled (I ₁ = 0). The process of melting of the solid phase of the substance in a cylindrical chamber begins, and a phase boundary forms along the upper base of the float.

3. Т1<Т2>Т3, Т2<0°С или Т3<Т2, Т3<0°С. Критический режим. Имеет место неверное расположение твердой и жидкой фаз рабочего вещества, исключающее возможность верной интерпретации результатов измерений. В подобном случае включены термоэлектрические модули ТЭМ1 и ТЭМ2, каждый из которых работает в режиме нагрева внутреннего объема. После проплавления твердой фазы (Т1>0°С, Т2>0°С, Т3>0°С), система переходит в режим 1.3. T1 <T2> T3, T2 <0 ° C or T3 <T2, T3 <0 ° C. Critical mode. There is an incorrect arrangement of the solid and liquid phases of the working substance, which excludes the possibility of a correct interpretation of the measurement results. In such a case, thermoelectric modules TEM1 and TEM2 are included, each of which operates in the heating mode of the internal volume. After the solid phase is melted (T1> 0 ° C, T2> 0 ° C, T3> 0 ° C), the system goes into mode 1.

4. Т1<0°С, Т1<Т2<T3, Т3>0°С. Номинальный (рабочий) режим. Используются модули ТЭМ1 и ТЭМ2. Функционирование системы в данном режиме основано на стабилизации температуры T2 вблизи уровня 0°С путем управления полярностью с помощью МПП1 и МПП2 и регулирования абсолютного значения токов I₁ и I₂ через термоэлектрические модули ТЭМ1 и ТЭМ2 посредством СТ1 и СТ2. Это позволяет поддерживать положение границы раздела фаз на уровне установки датчика Д2. Для снижения влияния конвекционных потоков на точность термостатирования используются датчики Д2 и Д3 таким образом, чтобы разность температур (Т3-Т2) имела минимальное значение. При значении Т2, близком к 0°С, разность (Т3-Т2)→0°С в случае, если Т3→0°С. При установке границы раздела фаз по вертикальному уровню вблизи датчика Д2 система находится в стабильном состоянии и модуль ТЭМ2 переключается в режим поддержания температуры Т3→0°С, что с некоторым приближением означает стабилизацию температуры жидкой фазы вблизи температуры 0°С (Т3≥0°С). При этом градиент температуры жидкой фазы во внутреннем объеме цилиндрической камеры с рабочим веществом по вертикальной оси будет близок к 0°С, а значит, будут отсутствовать необходимые условия для возникновения значительных конвекционных потоков в жидкости, способных заметно повлиять на точность термостатирования.4. T1 <0 ° C, T1 <T2 <T3, T3> 0 ° C. Nominal (working) mode. The modules TEM1 and TEM2 are used. The functioning of the system in this mode is based on stabilizing the temperature T2 near the level of 0 ° C by controlling the polarity using MPP1 and MPP2 and regulating the absolute value of the currents I ₁ and I ₂ through thermoelectric modules TEM1 and TEM2 through ST1 and ST2. This allows you to maintain the position of the phase boundary at the installation level of the sensor D2. To reduce the effect of convection flows on the temperature control accuracy, D2 and D3 sensors are used so that the temperature difference (T3-T2) has a minimum value. With a T2 value close to 0 ° C, the difference (T3-T2) → 0 ° C in case T3 → 0 ° C. When the phase boundary is set at a vertical level near the D2 sensor, the system is in a stable state and the TEM2 module switches to the temperature maintenance mode T3 → 0 ° С, which with some approximation means stabilization of the liquid phase temperature near the temperature 0 ° С (Т3≥0 ° С ) In this case, the temperature gradient of the liquid phase in the internal volume of the cylindrical chamber with the working substance along the vertical axis will be close to 0 ° C, which means that there will be no necessary conditions for the occurrence of significant convection flows in the liquid, which can significantly affect the accuracy of temperature control.

В результате работы термоэлектрических модулей в номинальном режиме происходит нагрев воды в камере при положительной температуре, близкой к 0°С, с одной стороны (снизу), и охлаждение, с другой стороны (сверху). Вследствие этого в камере постоянно присутствует граница раздела фаз, прилегающая к верхнему основанию поплавка, при этом термостатируемый контрольный спай дифференциальной термопары постоянно находится при температуре плавления льда 0°С.As a result of the operation of thermoelectric modules in nominal mode, the water in the chamber is heated at a positive temperature close to 0 ° C, on the one hand (bottom), and cooling, on the other hand (top). As a result of this, a phase boundary is constantly present in the chamber adjacent to the upper base of the float, while the thermostatically controlled reference junction of the differential thermocouple is constantly located at an ice melting temperature of 0 ° С.

Дифференциальные термопары ДТ1 и ДТ2 используются для сигнализации о возможном возникновении перекосов поплавка, что достигается с помощью схемы измерения разности температур между спаями каждой из термопар в отдельности (фиг.2). При возникновении заметного угла наклона происходит вертикальное смещение контрольного и опорного спаев дифференциальных термопар, которые в нормальном положении находятся вблизи границы раздела фаз с температурой, близкой к 0°С. При подобном смещении в вертикальном направлении между опорным и контрольным спаями возникает разность температур, а следовательно, и напряжений, которая будет отличаться от значений разности напряжений, хранимых в модуле задания разности ЗР, измеренных при положении поплавка в рабочем режиме строго в горизонтальной плоскости на границе раздела фаз и при температуре 0°С. Величина разности напряжений будет пропорциональна углу наклона и вычисляется с помощью модуля измерения разности МИУ, который сравнивает значения запомненных напряжений в задатчике разности ЗР для термопар ДТ1 и ДТ1 при нормальном положении границы раздела фаз и текущих значений разности напряжений для каждой из термопар. С помощью модуля сигнализации МС устройство информирует пользователя о текущем значении угла наклона поплавка или передает информацию другим модулям системы с помощью преобразователя интерфейса ПИ.Differential thermocouples DT1 and DT2 are used to signal the possible occurrence of distortions of the float, which is achieved by measuring the temperature difference between the junctions of each of the thermocouples separately (figure 2). When a noticeable tilt angle occurs, the control and reference junctions of differential thermocouples are vertically displaced, which are in the normal position near the phase boundary with a temperature close to 0 ° C. With such a vertical displacement between the reference and control junctions, a temperature difference arises, and consequently, a voltage difference that will differ from the voltage difference values stored in the ZR difference setting module, measured when the float is in the operating mode strictly in the horizontal plane at the interface phases and at a temperature of 0 ° C. The magnitude of the voltage difference will be proportional to the angle of inclination and is calculated using the MIU difference measurement module, which compares the values of the stored voltages in the ZR difference setter for the DT1 and DT1 thermocouples at the normal position of the phase boundary and the current values of the voltage difference for each of the thermocouples. Using the MS signaling module, the device informs the user about the current value of the angle of the float or transmits information to other modules of the system using the PI interface converter.

Наклон поплавка, а также его смерзание с твердой фазой рабочего вещества или образование неравномерной границы раздела фаз устраняются о помощью работы катушки индуктивности КИ1, закрепленной на боковой стенке внутренней цилиндрической камеры, и катушки индуктивности КИ2, устанавливаемой на поплавке. Подобный эффект достигается путем пропускания импульсов тока модулем задания импульсов ЗИ определенной длительности через катушку индуктивности КИ1, что возбуждает ЭДС самоиндукции в катушке КИ2, закрепленной на поплавке (фиг.3). Это способствует механическому перемещению поплавка на расстояние, определяемое особенностью конструкции и силой тока, протекающего через катушку КИ1. Причем периодическое повторение кратковременных импульсов тока через катушку КИ1 вызывает относительно незначительные механические вибрации поплавка с частотой повторения импульсов тока, что не нарушает его нормального горизонтального расположения относительно границы раздела, однако помогает устранить смерзание поплавка с твердой фазой и способствует образованию относительно равномерной границы раздела твердой и жидкой фаз. При этом использование импульсов тока относительно небольшой амплитуды и длительности не оказывает заметного влияния на точность проводимых измерений, однако для защиты от нежелательного воздействия электромагнитного излучения выводы контрольных спаев дифференциальных термопар помещаются в специальный изолирующий экран. Связь модуля задания импульсов ЗИ с внешними устройствами осуществляется с помощью преобразователя интерфейсов ПИ. В случае, если применение катушек КИ1 и КИ2 в течение заданного промежутка времени не позволяет устранить возникшие нарушения положения поплавка, схема сигнализации информирует оператора, а система автоматического регулирования положения границы раздела фаз форсированно переходит в режим 3.The slope of the float, as well as its freezing with the solid phase of the working substance or the formation of an uneven phase boundary, are eliminated by using the KI1 inductance coil mounted on the side wall of the inner cylindrical chamber, and the KI2 inductance coil mounted on the float. A similar effect is achieved by passing current pulses by a module for setting ZI pulses of a certain duration through the KI1 inductor, which excites the self-induction EMF in the KI2 coil mounted on the float (Fig. 3). This contributes to the mechanical movement of the float at a distance determined by the design feature and the strength of the current flowing through the KI1 coil. Moreover, the periodic repetition of short-term current pulses through the KI1 coil causes relatively insignificant mechanical vibrations of the float with a repetition frequency of current pulses, which does not violate its normal horizontal location relative to the interface, but helps to eliminate freezing of the float with the solid phase and promotes the formation of a relatively uniform interface between solid and liquid phases. In this case, the use of current pulses of relatively small amplitude and duration does not have a noticeable effect on the accuracy of the measurements, however, to protect against unwanted exposure to electromagnetic radiation, the conclusions of the control junctions of differential thermocouples are placed in a special insulating screen. The connection of the pulse generator module ZI with external devices is carried out using a PI interface converter. If the use of KI1 and KI2 coils for a specified period of time does not allow to eliminate the arisen violations of the position of the float, the alarm circuit informs the operator, and the system of automatic regulation of the position of the interface is forcedly switched to mode 3.

Устройство обладает высокими качественными показателями за счет применения системы автоматического регулирования положения границы раздела фаз, которая также позволяет снизить мощность конвективных потоков в жидкости, что увеличивает точность и надежность термостатирования. Устройство способно работать в автоматическом режиме и не требует обязательного присутствия оператора, однако обеспечивает сигнализацию о текущих режимах работы и возможном выходе системы из номинального режима, способного повлиять на точность термостатирования. Устройство имеет малые габариты и просто в изготовлении, может производиться серийно вместе с дифференциальными термопарами, откалиброванными на предприятии-изготовителе.The device has high quality indicators due to the use of an automatic control system for the position of the phase boundary, which also reduces the power of convective flows in the liquid, which increases the accuracy and reliability of thermostating. The device is able to work in automatic mode and does not require the presence of an operator, however, it provides an alarm about the current operating modes and the possible exit of the system from the nominal mode, which can affect the accuracy of thermostatting. The device is small in size and easy to manufacture; it can be mass-produced together with differential thermocouples calibrated at the manufacturer.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. - М.-Л.: Издательство Академии наук СССР. 1963 г., стр.135.1. Kolenko EA Thermoelectric cooling devices. - M.-L.: Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR. 1963, p. 135.

2. Патент РФ №2057360 Шатохин В.Н. "Устройство для термостатирования".2. RF patent No. 2057360 Shatokhin V.N. "Device for thermostating."

3. Патент РФ №2215270 Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Евдулов О.В., Юсуфов Ш.А. "Прецизионный малогабаритный нуль-термостат".3. RF patent No. 2215270 Ismailov T.A., Aminov G.I., Evdulov O.V., Yusufov Sh.A. "Precision small-sized zero thermostat."

Claims

A control system for a precision null thermostat containing temperature measuring means, amplification means and polarity switching means, as well as a cylindrical chamber and a float mounted with the possibility of mechanical movement, characterized in that three sensors for measuring temperature in the internal volume are used as temperature measuring means cameras with a working substance, and as a means of amplification, three normalizing amplifiers were used, while the indicated sensors are connected with normal outputs amplifying amplifiers that are connected to analog-to-digital converters, converting temperature values measured by sensors and connected to the inputs of a microprocessor that performs digital signal processing, controls the functioning of the system and generates control actions for digital-to-analog converters, digital-to-analog converters are installed with the possibility converting the signal supplied to the inputs of current stabilizers, which are set so that the output signal from them, taking into account the polarity specified by the microprocessor for the polarity switching means, which are used as two polarity switching modules, is supplied to the thermoelectric modules, in addition, a user interface, an interface unit, an alarm module, an interface converter, a pulse setting module are additionally introduced , the first inductor and the second inductor, and the user interface with its output connected to the interface unit, installed with the possibility entering the system parameters by the operator and ensuring interconnection with the interface converter, the alarm module is installed with the ability to notify the user about the current operating mode and the occurrence of unusual situations, the interface converter is installed with the ability to provide communication of the pulse setting module with external devices, the pulse setting module is installed with the ability to transmit pulses current of a given duration through the first inductor mounted on the side wall of the inner circuit a null thermostat chamber and installed with the possibility of exciting self-induction EMF in a second inductor mounted on a null thermostat float.