SU1104481A1 - Термоэлектрический термостат - Google Patents

Abstract

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕРМОСТАТ , содержащий камеру, снабженную внешней теплоизол цией, датчик температуры , расположенный на внешней поверхности камеры и соединенный с системой регулировани , основную термобатарею, расположенную на торце внешней поверхности камеры, дополнительную термобатарею, теплопо- глощающие спаи которой расположены на датчике температуры, и радиатор основной термобатареи, отличающийс  тем, что, с целью повьппени  точности термостатировани  при одновременном упрощении схемы регулировани , в него введены тепловой шунт, соедин ющий тепловыдел ющие спаи дополнительной термобатареей и теплопоглощаю11 йе спаи основной термобатареи, а также нагреваi тель, диоды и потенциометры, причем основна  термобатаре  электрически подключена параллельно двум цеп м, образованным последовательно соединенными соответственно первым диодом, первьм потенциометром и дополнительной термобатареей, и вторьм диодом, включенные встречно первому, вторьм потенциометром и нагревателем, размещенньм на датчике температуры. 4 4 00

Description

Изобретение относитс  к регулиро ванию и поддержанию температуры в теплофизических устройствах, основанных на эффекте Пельтье и предназначенных дл  стабилизации температуры различных объектов, в частности кварцевых резонаторов. Известно устройство дл  термоста тировани  в радиоэлектронной технике , где в качестве основного исполнительного органа широко используютс термоэлектрические батареи (ТЭБ), а в качестве дополнительного - компенсационна  ТЭБ f1. Недостатком данного устройства  вл етс  низка  точность термостати ровани  ввиду отсутстви  обратной св зи дополнительной ТЭБ с основной и невозможности перераспределени  т ков между основной и дополнительной ТЭБ дл  компенсации ошибки термостатировани . Наиболее близким к изобретению по технической сущности И достигаемому результату  вл етс  термоэлект рический термостат, содержащий каме ру термостата, снабженную внешней термоизол цией, датчик температуры, расположенный на внешней поверхност камеры и соединенный с системой рег лировани , основную ТЭБ, расположен ную на внешней поверхности камеры, дополнительную ТЭБ, теплопоглощающи спаи которой.расположены на датчике температуры, и радиатор основной ТЭБ. Кроме того, в состав известного термоэлектрического термостата входит радиатор дополнительной (компен сационной) батареи и блок коррекции содержащий линейные масштабные элементы , масштабные квадраторы, сумма торы, источник опорного напр жени  и нуль-орган, причем входы первого линейного масштабного элемента и пе вого масштабного квадратора соедине ны с первым входом блока коррекции а выходы - с выходами первого сумматора , соединенного с источником опорного напр жени  Г2. Недостатками известного устройст ва  вл ютс  низка  точность термостатировани  и сложна  система регулировани . Низка  точность термостатировани  (пор дка +0,5 К) обусловлена следующим. Так как ток в дополнительной ТЭБ выбираетс  из услови  компенсации ошибки термостатирова812 ни , то при работе основной ТЭБ в режиме нагрева при больших перепадах температур между температурой окружающей среды и температурой статировани , малый ток в дополнительной ТЭБ не может обеспечить необходимых больших перепадов температур в этой термобатарее. Из-за этого возникают значительные некоМпенсирующиес  потоки тепла через дополнительную ТЭБ непосредственно на датчик температуры , что существенно ухудшает точность термостатировани . Кроме того, использование блока . коррекции с линейньми масштабными элементами, масштабными квадраторами и сумматорами не обеспечивает высокую точность термостатировани  ввиду зависимости номинала настроечньк параметров от температуры окружающей среды. При эксплуатации термостата реализаци  варьировани  настроечных параметров в зависимости от температуры окружающей среды не предусмотрена в схемах решени  блока коррекции, в св зи с чем возникающа  в этом термостате ошибка термостатировани  не может быть уменьшена. Низка  точность термостатировани  обусловлена значительной тепловой св зью дополнительной (компенсационной ) ТЭБ с окружающей средой ввиду непосредственного теплосъема с тепловьщел ющих спаев компенсационной ТЭБ радиатором этой термобатареи. Возникающа  значительна  теплова  св зь компенсационной ТЭБ с окружающей средой приводит к дополнительным тепловым натекани м на датчик температуры , что еще в большей степени ухудшает точность термостатировани . Целью изобретени   вл етс  повышение точности термостатировани  при одновременном упрощении схемы регулировани  температуры. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в термоэлектрический термостат введены тепловой шунт, соедин ющий тепловыдел ющие спаи дополнительной термобатареи и теплопоглощающие спаи основной термобатареи, а также нагреватель , диоды и потенциометры, причем основна  термобатаре  электрически подключена параллельно двум  цеп м, образованным последовательно соеди- . ненными соответственно первым диодом, первым потенциометром и дополнительной, термобатареей, и вторым диодом, включенным встречно первому, вторым по31

тенциометром и нагревателем, размещенным на датчике температуры.

Введение нагревател  обеспечивает возможность дополнительного выделени  тепла на датчике температуры, необходимое дл  компенсировани  тепловых натеканий через дополнительную ТЭБ при работе ее в режиме нагрева при больших перепадах температур между температурой статировани  и температурой окружающей среды. Необходимость дополнительного выделени , тепла на датчике температуры обусловлена тем, что ток в компенсационной ТЭБ выбираетс  из услови  уменьшени  ошибки термостатировани  и обычно малый ток по величине не может обеспечить большой перепад температуры на термобатарее. В этом случае на датчик температуры поступает некомпенсирующийс  тепловой поток из окружающей среды, что существенно понижает точность термостатировани . Введение компенсационного нагревател , расположенного на датчике температуры , позвол ет создать тепловой поток при работе основной ТЭБ в режиме нагрева, компенсирующий вредные тепловые натекани  через компенсационную ТЭБ на датчик температуры .

Полученные на основе рассмотрени  обобщенной модели термоэлектрического термостата теоретические кривые зависимости ошибки термостатировани  от температуры окружающей среды дл  известного термостата (фиг. 3, крива  1) и предлагаемого показывают, что введение нагревател  уменьшает ошибку термостатировани  (фиг. 3, крива  2) больше, чем в два раза (от 0,6 К дл  известного до 0,25 К дл  предлагаемого).

Введение потенциометров делает возможным выбор компенсационного сопротивлени  при настройке каждого термостата. Если в известном термостате настроечные параметры завис т от температуры окружающей среды и эта зависимость дл  каждого термостата имеет свой вид, то в предлагаемом выбранные при помощи потенциометров компенсационные сопротивлени  посто нны во всем диапазоне изменени  температур окружающей среды. При этом компенсационное сопротивление, выбранное при помощи первого потенциометра , определ етс  из услови , что температура объекта при мини04й814

мальной температуре окружающей среды рассматриваемого диапазона температур окружающей среды должна быть равна температуре статировани . Компенса5 ционное сопротивление, выбранное вторым потенциометром,, определ етс  из услови , что температура объекта термостатировани  при минимальной температуре окружающей среды 0 рассматриваемого диапазона температур окружающей среды должна быть равна температуре статировани .

Крива  зависимости ошибки термостатировани  от температуры окружаю5 щей среды при введении потенциометров и при .выборе компенсационных сопротивлений указанным способом уменьшает ошибку термостатировани  в об- ласти нагрева основной ТЭБ от 0,25 К 0 до 015 К и в области охлаждени  основной ТЭБ от 0,4 К до 0,2 К (фиг.З, .крива  3).

Значительна  теплова  св зь между тепловьщел ющими .спа ми компен5 сационной ТЭБ, ее радиатором и окружающей средой также обуславливает низкую точность термостатировани  из-за больших тепловых натеканий на датчик температуры. Эта теплова  0 св зь в предлагаемом термостате

. уменьшаетс  за счет применени  теплового шунта, соедин ющего тепловыдел ющие спаи компенсационной ТЭБ не с . радиатором, как в известном термоста . те, ас теплопоглощающими спа ми

основной ТЭБ. .При этом компенсационна  батаре  не имеет тепловой св зи с окружающей средой, что значительно уменьшает тепловые натекани  из окру0 жающей среды на датчик температуры и повьш1ает точность термостатировани  до ,1 К во всем рассматриваемом диапазоне изменени  температур ок- ружающей среды (фиг. 3, крива  4). 5 Наличие диодов, включенных с

противоположной пол рностью, функционально 1 обеспечивает прохождение тока либо через компенсационную ТЭБ, либо через нагреватель в зависимости CQ ОТ режима работы компенсационного блока. Таким образом, введение нагревател , диодов, потенциометров и теплового шунта повьш1ает точность термостатировани  от +0,5 К до „ ±0.1 К.

отЧО,5 К до ,1 К.

На фиг. 1 приведен предлагаемый термоэлектрический термостат; на фиг. 2 - схема подключени  элеменJ тов; на фиг. 3 - теоретические кривые зависимости ошибки термостатировани  от температуры окружающей среды дл  известного термостата. Термоэлектрический термостат содержит объект 1 термостатировани , камеру 2 термостата, основную ТЭБ 3 дополнительную (компенсационную) ТЭБ 4, нагреватель 5, датчик 6 температуры , радиатор 7 основной тер )мобатареи,| тепловой шунт 8, внешнюю тепловую изол цию 9 термостата, подложку 10 креплени  объекта термостатировани , электрические выводы 11 датчика температуры и объекта термостатировани . Кроме того, термостат содержит первый и второй диоды 12, и 12. и потенциометры 13 и 13,. Термоэлектрический термостат работает следующим образом. При температуре окружающей среды вьше температуры статировани  основна  ТЭБ 3 работает в режиме охлазвдени . При этом возможен отрицательный увод температуры, когда с ростом тем пературы окружающей среды темпера-. тура объекта уменьшаетс , и положительный , когда с ростом температуры окружающей среды температура объекта 1Увеличиваетс . В случае отрицательного увода тем пературы первый диод 12 , Соединен ный последовательно с дополнительной ТЭБ 4, подключен к ней в режиме Открыто , а второй диод 122, соединенный последовательно с нагревателем 5, включен к нагревателю в режиме Закрыто. Если термостат обладает положительным уводом, то первый диод 12 подключен последовательно к дополнительной ТЭБ в режиме Закрыто, а второй диод 12-- к нагревателю в режиме Открыто. 16 Предлагаема  схема подключени  обеспечивает работу компенсационного блока в зависимости от знака увода температуры объекта либо в режиме охлаждени  (ток течет через дополнительную ТЭБ 4), либо в режиме нагрева (ток течет через нагреватель). При температуре окружающей среды ниже температуры статировани  основна  ТЭБ 3 работает в режиме нагрева. При этом выделени  тепла на дополнительной ТЭБ 4 и нагревателе аналогичны предьдущему случаю. Выбор компенсационных сопротивленки , посто нных во всем диапазоне изменени  температур окружающей среды, осуществл етс  при настройке термостата посредством выбора номинала сопротивлени  соответствующего потенциометра 13. Выбор величины компенсационного сопротивлени , подключенного последовательно с дополнительной ТЭБ, осуществл етс  первым потенциометром 13, подключенные последовательно с дополнительной ТЭБ, а выбор величины компенсационного сопротивлени , подключенного последовательно с нагревателем, осуществл етс  вторым потенциометром 13, подключенньм последовательно с нагревателем . Предлагаемое изобретение позволит повысить точность термостатировани  от 0,5 К до +0, К при одновременном упрощении схемы регулировани , что понижает энергопотребность- от 9,5 до 8,2 Вт, массу термостатирующего устройства от 5,1 до 3,2 кг и объем от 1300 до 1050 см. Создание и использование предлагаемого термостата  вл етс  актуальной проблемой при разработке р да малогабаритных прецизионных термоэлектрических термостатов , используемых в радиоэлектронной , вычислительной и других област х техники.

-г

Ю

Xi

Фиг.1

ATof U5

ач as a/ ar

f2J

J WltJ

3 ---X ,

Z93 303 313 КЗ

т

Фиг.з

Claims (1)

1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕРМОСТАТ, содержащий камеру, снабженную внешней теплоизоляцией, датчик температуры, расположенный на внешней поверхности камеры и соединенный с системой регулирования, основную термобатарею, расположенную на торце внешней поверхности камеры, дополнительную термобатарею, теплопоглощающие спаи которой расположены на датчике температуры, и радиатор основной термобатареи, отличающийся тем, что, с целью повышения точности термостатирования при одновременном упрощении схемы регулирования, в него введены тепловой шунт, соединяющий тепловыделяющие спаи дополнительной термобатареей и теплопоглощаюп(Не спаи основной термобатареи, а также нагреватель, диоды и потенциометры, причем основная термобатарея электрически подключена параллельно двум цепям, образованным последовательно соединенней соответственно первым диодом, первьн потенциометром и дополнительной термобатареей, и вторьм диодом, включение встречно первому, вто- ре потенциометром и нагревателем, размещенньы на датчике температуры.