SU1741110A1

SU1741110A1 - Method of thermostating and device for the realization

Info

Publication number: SU1741110A1
Application number: SU894773078A
Authority: SU
Inventors: Виктор Георгиевич Воронов; Анатолий Иванович Гапон; Петр Алексеевич Качанов; Михаил Владимирович Гунбин
Original assignee: Харьковский политехнический институт им.В.И.Ленина
Priority date: 1989-10-30
Filing date: 1989-10-30
Publication date: 1992-06-15

Abstract

Изобретение относитс к способам автоматического регулировани температуры и может быть использовано при прецизионном термостатировании объектов в метрологии, радиотехнике. В способе и устройстве решаетс задача повышени точности стабилизации температуры. Способ основан на статировании температуры объекта по сигналу изменени частоты кварцевого генератора с термозависимым кварцевым резонатором. Новым в способе вл етс изменение значени мощности возбуждени кварцевого генератора, обеспечивающее достижение провала температурно-частотной характеристики кварцевого резонатора в точке статирова- ни Устройство содержит кварцевый генератор 2 с термочувствительным кварцевым резонатором 1 в термокамере 13, преобразователь частота - код 3, задатчики кодов 4 - 6, элементы 7, 8 сравнени , коммутатор 9, RS-триггер 10, усилитель 11с переменным коэффициентом передачи и нагреватепь 12 2 с.п. Ф-лы, 2 ил. (Л С xj ОThe invention relates to methods for automatic temperature control and can be used for precision thermostating of objects in metrology, radio engineering. In the method and apparatus, the problem of increasing the accuracy of temperature stabilization is solved. The method is based on statisation of the temperature of an object by a signal of a change in the frequency of a quartz oscillator with a thermodependent quartz resonator. A new method is a change in the excitation power of a quartz oscillator, ensuring that the temperature-frequency characteristic of a quartz resonator is reached at the point of statisation. The device contains a quartz oscillator 2 with a temperature-sensitive quartz resonator 1 in a heat chamber 13, frequency converter - code 3, setting codes 4 - 6, the elements 7, 8 of comparison, the switch 9, the RS flip-flop 10, the amplifier 11 with a variable gain and 12 12 sec. F-ly, 2 ill. (L o xj Oh

Description

Фиг. 2FIG. 2

Изобретение относитс к способам автоматического регулировани температуры и может быть использовано там, где требуетс прецизионное термостатирование объектов , например в метрологии, радиотехнике и т.п.The invention relates to methods for automatic temperature control and can be used where precision temperature control of objects is required, for example, in metrology, radio engineering, and the like.

Известен способ термостабилизации в термоэлектрическом термостате, включающий измерение температуры термостатиру- емого объекта, воздействие на объект тепловым потоком, при отклонении температуры объекта от заданного значени .There is a method of thermal stabilization in a thermoelectric thermostat, which includes measuring the temperature of a thermostatted object, exposing an object to heat flux, if the temperature of the object deviates from a given value.

Недостатком этого способа термостабилизации вл етс низка точность.The disadvantage of this thermal stabilization method is low accuracy.

Наиболее близким к предлагаемому вл етс способ термостатировани , основанный на регулированиитемпературы объекта с помощью регул тора по сигналу изменени частоты автоколебаний генератора с кварцевым резонатором, имеющим провал активности температурно-частотной характеристики (ТЧХ) в диапазоне статировани .The closest to the proposed method is thermostating based on adjusting the temperature of an object using a regulator according to the signal of changing the frequency of self-oscillations of a quartz resonator generator having a dip in the activity of the temperature-frequency characteristic (PMC) in the range of statisation.

Известно устройство дл термостатировани , содержащее кварцевый генератор с чувствительным кварцевым резонатором, размещенным в термокамере, преобразователь частота-код, задатчик кода, элемент сравнени , RS-триггер и последовательно соединенные усилитель и нагреватель.A device for thermostating is known, which contains a crystal oscillator with a sensitive crystal oscillator placed in a heat chamber, a frequency-code converter, a code setter, a reference element, an RS flip-flop and a series-connected amplifier and heater.

Недостатком известного способа и устройства вл етс низка точность термостатировани за счет низкой термочувствительности , котора не превышает 200 Гц/°С.The disadvantage of the known method and device is the low accuracy of thermostating due to the low thermal sensitivity, which does not exceed 200 Hz / ° C.

Цель изобретени - повышение точности статировани температуры.The purpose of the invention is to improve the accuracy of temperature setting.

Поставленна цель достигаетс тем, что согласно способу термостатировани , заключающемус в контроле частоты кварцевого генератора с термозависимым кварцевым резонатором, имеющим провал ТЧХ и формировании по ее значению управл ющего воздействи , при достижении частотой кварцевого генератора значени , соответствующего температуре статировани , устанавливают значение мощности возбуждени кварцевого генератора, обеспечивающее достижение провала на температурно-частотной характеристике кварцевого резонатора.The goal is achieved by the fact that according to the thermostating method, which consists in controlling the frequency of a quartz oscillator with a thermo-dependent quartz resonator having a PMTC dip and forming a control action over its value, when the frequency of the quartz oscillator reaches the value corresponding to the setting temperature, , ensuring the achievement of a dip in the temperature-frequency characteristic of a quartz resonator.

При этом в устройство дл термостатировани , содержащее кварцевый генератор с термочувствительным кварцевым резонатором , размещенным в термокамере преобразователь частота-код, первый задатчик кода, первый элемент сравнени , RS-триггер , последовательно соединенные усилитель и нагреватель, введены коммутатор,At that, the device for thermostating, containing a crystal oscillator with a temperature-sensitive quartz resonator placed in a heat chamber frequency-code converter, first setpoint adjuster, first comparison element, RS-trigger, series-connected amplifier and heater, a switch is inserted

второй элемент сравнени , второй и третий задатчики кода, а усилитель выполнен с регулируемым коэффициентом передачи, вход управлени которого подключен к выходуthe second element of the comparison, the second and third setters of the code, and the amplifier is made with adjustable transmission coefficient, the control input of which is connected to the output

RS-триггера, св занного R-входом с выходом первого элемента сравнени , а S-вхо- дом с первым выходом второго элемента сравнени , второй выход которого соединен с входом усилител , выход кварцевогоRS-flip-flop, connected by R-input to the output of the first comparison element, and S-input to the first output of the second comparison element, the second output of which is connected to the amplifier input, the quartz output

генератора соединен с входом преобразовател частота-код, выход которого подключен к одним из входов первого и второго элементов сравнени , к другому входу первого элемента сравнени подсоединен выход первого задатчика кода, а к другому входу второго элемента сравнени подключен выход коммутатора, входы которого св заны с выходами первого и второго задатчиков кодов соответственно, управл ющие входы коммутатора и кварцевого генератора соединены с выходом RS-триггера .the generator is connected to the input of the frequency-code converter, the output of which is connected to one of the inputs of the first and second comparison elements, to the other input of the first comparison element the output of the first code generator is connected, and the output of the switch whose inputs are connected to the other input of the second comparison element the outputs of the first and second setters of codes, respectively, the control inputs of the switch and the crystal oscillator are connected to the output of the RS flip-flop.

Известно, что при повышении мощности возбуждени генератора с кварцевымIt is known that with increasing excitation power of a quartz generator

резонатором АТ-среза, его ТЧХ имеет провалы до дес тков миллионных долей от основной частоты f0 на интервале температур 0,001 - 0,1°С. Дл резонатора, колеблющегос на частоте 5 МГц, это соответствуетAt-cut resonator, its TFC has dips up to tens of ppm from the fundamental frequency f0 in the temperature range 0.001 - 0.1 ° C. For a resonator oscillating at a frequency of 5 MHz, this corresponds to

чувствительности 5000 Гц/°С, в то врем как лучшие образцы термочувствительных кварцевых резонаторов имеют термочувствительность не выше 200 Гц/°С. При увеличении мощности возбуждени возрастаетsensitivity of 5000 Hz / ° C, while the best samples of heat-sensitive quartz resonators have a temperature sensitivity not higher than 200 Hz / ° C. With increasing excitation power increases

амплитуда провала частоты, что позвол ет регулировать термочувствительность. Провалы активности АТ-резонаторов вл ютс следствием нелинейного взаимодействи основной моды колебаний с модами болееamplitude of the frequency dip, which allows you to adjust the thermal sensitivity. Dips in the activity of at-resonators are a consequence of the nonlinear interaction of the fundamental mode of oscillations with modes more

низких пор дков, поэтому температуру провала можно измен ть путем коррекции геометрических размеров или угла среза шлифовкой пьезоэлемента. Таким образом, можно получить кварцевый резонатор с требуемой чувствительностью в заданной точке статировани температуры.low orders, so the temperature of the dip can be changed by adjusting the geometric dimensions or cut angle by grinding the piezoelectric element. Thus, it is possible to obtain a quartz resonator with the required sensitivity at a given point of temperature setting.

Гистерезис провала активности ТЧХ, о котором упоминаетс , объ сн етс вли нием динамического коэффициента частоты , который дл резонаторов АТ-среза составл ет пор дка с/°С и зависит , следовательно, от скорости изменени температуры. В реальных системах термостатировани скоростью изменени температуры (по техническим требовани м и системам) не превышает 2 - 4°С/мин, поэтому гистер езисом можно преь -5речь.The hysteresis of the DF activity drop mentioned is explained by the effect of the dynamic frequency coefficient, which for the AT-cut resonators is of the order of c / ° C and therefore depends on the rate of temperature change. In real temperature control systems, the rate of temperature change (for technical requirements and systems) does not exceed 2–4 ° C / min, therefore, the hyster ezis can be prevented.

На фиг,1 представлены темларатурно- частотна характеристика одного из кварцевых резонаторов с АТ-срезом и участок этой ТЧХ с провалом активности в точке стати- ровани ; на фиг.2 - структурна схема устройства, реализующего способ термостабилизации .Fig. 1 shows the temporal frequency response of one of the quartz resonators with an AT-cut and a portion of this MF with a dip in activity at the point of static formation; figure 2 - structural diagram of the device that implements the method of thermal stabilization.

Устройство дл термостатировани содержит термочувствительный кварцевый резонатор 1,кварцевый генератор 2,преобразователь частота-код 3, задатчики 4-6 кодов, элементы 7 и 8 сравнени , причем выходы задатчиков 4 и 5 чрез коммутатор 9 соединены с первым входом элемента 7 сравнени , а выход задатчика 6 соединен с первым входом элемента 8 сравнени , вторые входы элементов 7 и 8 сравнени сое- динены с выходом преобразовател частота-код 3, второй выход элемента 7 сравнени и выход элемента 8 сравнени соединены соответственно с S-и R-входами RS-триггера 10, пр мой выход которого подключен к управл ющим входам коммутатора 9, кварцевого генератора 2 и усилител 11 с переменным коэффициентом передачи, информационный вход которого соединен с первым входом элемента 7 сравнени , а выход через последовательно соединенные нагреватель 12 и термокамеру 13 - с входом термочувствительного кварцевого резонатора 1.The device for thermostating contains a temperature-sensitive crystal oscillator 1, a crystal oscillator 2, a frequency-code converter 3, setting controllers 4-6 codes, comparison elements 7 and 8, the outputs of setting control 4 and 5 being connected through the switch 9 to the first input of the comparison element 7, and output setpoint 6 is connected to the first input of the comparison element 8, the second inputs of the comparison elements 7 and 8 are connected to the output of the frequency-code converter 3, the second output of the comparison element 7 and the output of the comparison element 8 are connected respectively to the S and R inputs of the RS flip-flop 10, the direct output of which is connected to the control inputs of the switch 9, the crystal oscillator 2 and the amplifier 11 with a variable transmission coefficient, the information input of which is connected to the first input of the comparison element 7, and the output through the series-connected heater 12 and heat chamber 13 to the heat-sensitive input quartz resonator 1.

В задатчике 4 записан код температуры точки 1 (фиг. 1), в зада гчике 5 - код температуры статировани точк1/: 2 биг.1), в задатчике 6 - код температура точки 3 (фиг.1).The setpoint temperature code of point 1 (Fig. 1) is recorded in the setting device 4, the setting temperature code of point 1 /: 2 big 1) is set in the setting device 5, the temperature code of point 3 (figure 1) is set in the setting device 6.

Способ термостатировани реализован следующим образом,The thermostatic method is implemented as follows.

Способ термостатировани включает два режима. Первый соответствует режиму с низким уровнем возбуждени кварцевого генератора с термозависимым кварцевым резонатором и с высоким коэффициентом передачи системы регулировани . Этот режим используетс в качестве предварительного дл подведени системы к области рабочей точки, т.е. система работает в режиме начального прогрева объекта.The thermostatic method includes two modes. The first one corresponds to the low excitation mode of a crystal oscillator with a thermodependent quartz resonator and with a high transmission coefficient of the control system. This mode is used as a preliminary to bring the system to the operating point region, i.e. the system operates in the initial warm-up mode of the object.

При достижении частотой кварцевого генератора значени , соответствующего температуре статировани , устанавливают значение мощности возбуждени кварцевого генератора, обеспечивающее достижение провала ТЧХ кварцевого резонатора, и снижают коэффициент передачи системы (второй режим).When the frequency of the crystal oscillator reaches a value corresponding to the setting temperature, the excitation power of the crystal oscillator is set to ensure that the PMC of the crystal resonator is reached, and the transmission coefficient of the system is reduced (second mode).

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

В процессе выхода (нагрева) термокамеры 13 в режим разность кодов преобразовател частота-код 3 (Nn) и задатчика 4(N4) больше нул (Nn - N4 0), на первом выходе элемента сравнени 7 по вл етс сигнал управлени и через усилитель 11 включает нагреватель 12 термокамеры 13. При достижении температуры точки 1 (Nn N4) на втором выходе элемента 7 сравнени по вл етс In the process of output (heating) of the heat chamber 13 to the mode the difference between the codes of the frequency-code converter 3 (Nn) and the setting device 4 (N4) is greater than zero (Nn - N4 0), a control signal appears at the first output of the comparison element 7 turns on the heater 12 of the heat chamber 13. When the temperature of point 1 (Nn N4) is reached at the second output of the reference element 7,

сигнал, который переключает триггер 10 в 1. Своим сигналом триггер скачкообразно увеличивает мощность возбуждени генератора 2 и уменьшает коэффициент передачи усилител 11 и через коммутирующее уст0 ройство 9 подключает к входу элемента 7 сравнени задатчик 5 и отключаег задатчик 4. Таким образом, формируетс ТЧХ кварцевого резонатора, имеюща вид, представленный на фиг.1 (по вл етс провалthe signal that switches the trigger 10 to 1. With its signal, the trigger abruptly increases the excitation power of the generator 2 and reduces the transmission coefficient of the amplifier 11 and through the switching device 9 connects the setpoint generator 5 and the control unit 4 to the input of the comparison element 7. Thus, the frequency response of the quartz resonator is generated , having the form shown in Fig. 1 (a failure occurs

5 активности ТЧХ в диапазоне статировани ). С целью более точного приближени к температуре статировани и исключени перегрева уменьшают коэффициент передачи усилител . Стабилизаци температуры осу0 ществл етс -относительно точки 2 (фиг.1). В случае воздействи возмущающего воздействи , которое система не в состо нии отработать , или же при выходе в режим из зоны температур выше температуры статироза5 ни код Nn будет больше или равен NG и на выходе элемента 8 сравнени по витс сигнал , который переведет RS-триггер 10 в О (увеличитс коэффициент передачи усилител ) v, уменьшитс мощность возбуждение5 activity of the frequency response in the range of statisation). In order to more accurately approximate the setting temperature and eliminate overheating, the gain transfer ratio is reduced. Temperature stabilization occurs in relation to point 2 (Fig. 1). In the event of a disturbing effect that the system is not able to work out, or when leaving the temperature zone above the statyroz temperature 5, the Nn code will be greater than or equal to NG and the output of the comparison element 8 will receive a signal that will translate the RS flip-flop 10 in O (the gain of the amplifier will increase) v, the excitation power will decrease

0 генератора. К входу элемента 7 сравнени через коммутирующее устройство Q подключаетс задатчик 4 и отключаетс задатчик 5, При достижении температуры точки 1 (фиг.1) термокамера выходит в режим, кз/0 generator. To the input of the comparison element 7, the setting device 4 is connected through the switching device Q and the setting device 5 is turned off. When the temperature of point 1 (figure 1) is reached, the heat chamber goes to the mode, ks /

5 описано выше.5 described above.

Claims

1. The method of thermostatic bathing, zayu-schzuyusg; With the frequency control of quartz geyser-lorz with vermo-dependent quartz.

0 res, .E | Oro h, with a failure of the active, t temperature-chestotnoy characteristics and the formation of its value uprar; impact, different heme. that, in order to increase accuracy, with a sensitivity; / ents | / frequency of the quartz generator, the value corresponding to the temperature of the setting, sets the value of the excitation power of the quartz generator, ensuring the achievement of the failure

0 on the temperature-frequency characteristic of a quartz resonator,

2. Thermostating device containing a quartz oscillator with a temperature-sensitive quartz resonator.

5 placed in a heat chamber, a frequency-code converter, a first unit driver, a first reference element, an RS flip-flop, connected in series to an amplifier and heater, characterized in that. In order to improve accuracy, the device contains a switch, a second comparison element, a second and a third code adjusters, and the amplifier is made with an adjustable gain, the control input of which is connected to the output of the RS flip-flop connected by the R input from the output of the first comparison element, and S - input - with the first output of the second comparison element, the second output of which is connected to the input of the amplifier, the output of the crystal oscillator is often connected to the input of the converter

The ta code whose output is connected to one of the inputs of the first and second comparison elements, the output of the first setter of the code is connected to another input of the first comparison element, and the output of the switch is connected to the other input of the second comparison element, the inputs of which are connected to the output of the first and the second setters of codes, respectively, the control inputs of the switch and the crystal oscillator are connected to the output of the RS flip-flop.

D // C

g

50 / -25

45

f4,995 55,005

55,000 SS,

+60+ ZO

-30t; s

HS