SU983664A1 - Устройство стабилизации температуры термостата - Google Patents

Description

(54) УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЬ

ТЕРМОСТАТА

1

Изобретение относитс  к средствам автоматического управлени  параметрами , преимущественно дл  регулировани  температуры объектов, например биологических термостатов, устройств дл  вырашивани  кристаллов.

Известен регул5ггор температуры, со .держаший термочувствительный мост, ; ,6прк управлени , исполнительное реле tl).

Оцнако его использование не обеспе- .Q чивает высокой точности поддержани  заданной температуры,  вл ющейс  необходимым условием, работы биологического термостата и других подобных устройств , вввду того, что в известном pery-j5 л трре происход т значительные колебани  температуры около заданного значени  потому, что исполнительное ре-ле (нагреватель ) отключаетс  при температуре выше заданного значени , а включаетс  20 при температуре, котора  ниже заданного значени . Разность между верхним и нижним значением температуры может достигать несколько градусов.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству  вл етс  схема стабилизации температуры, содержаща  терморезистор в качестве датчика температуры, измерительный мост, в который входит датчик температуры. К одной диагонали моста прикладываетс  напр жение питани , к второй - подключен вход операционного усилител . вый конденсатор устанавливаетс  в нулевой диагонали измерительного моста и таким образом щунтирует входы операционного усилител , ослабл   нежелательные высокочастотные помехи по амплитуде . Второй конденсатор подключен между выходом операционного усилител  и его инвертирующим входом, который дополнительно ослабл ет высокочастотгHbie помехи, попадающие на вхоп операционного усилител  С23 .

В результате включени  этих конден . саторов усиление схемы управлени  в частотном диапазоне ВЧ помех становитс  меньще единицы. Кроме того, в конст3&83ев44

Claims (2)

1. рукции пример етс  диод, включенный втате 3, переменный резистор 4 дл  устацепь питани  операционного усилител  дл  ,новки температуры статировани  и два защиты его при изменении пол рности питающего напр жени . Выходной сигнал рцерационного усилител  управл ет транзиртором усилител  мощности через ста;билитрон и ограничительный резистор. Нагревательный элемент включен в коллекторную цепь транзистора. Напр жение отрицательной обратно й св зи, сн1нмаемое с делител  напр жени . включенного параллельно нагревателю, подаетс  на вход операционного усилител  При этом коэффициент отрицательной обратно св зи становитс  равен 5ОО. Это повыщает устойчивость работы схемь стабилизации .температуры, но вместе с тем снижает точность стабилизации температуры до ± 0,5°С, что недостаточно дл  ее . использовани  в биологических термостатах . Кроме того, в схеме стабилизации температуры, Щугеющёй линейную переда-точную характеристику, вьщел етс  значительна  мощность на выходном транзисторе , что снижает коэффициент полезного действи  и требует создани  дополнительньи условий дл  обеспечени  нормального температурного режима выходного транзистора .. Цель изобретени  - повышение точноети устройства стабилизации температуры. Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство стабилизации температуры , содерж:аЕ1ее последовательно соединенные измерительный мост, операционный усилитель, усилитель мощности и исполнительный элемент, причем выход усилител  мощности св зан с не инвертирующим входом операционного усилител , содеркит генератор импульсов стабильной амплитуды , а измерительный мост - регулировочный резистор, включенный последова ,тельно с датчиком температуры, и ух общий вывод св зан с выходом генератора импульсов стабильной амплитуды. Импульсы с выхода генератора импуль сов стабильной амплитуды, поступающие на вход операционного усилител , устран ют гистерезис устройства, что обеспечивает повыщение точности стабилизации температуры. На фиг. 1 показана электрическа  схема предлагаемого устройства,- на фиг. 2 график работы} на фиг. 3 - график зависимости входных и выходных напр жений. Устрюйство стабилизации температуры содержит измерительный мост 1, датчик 2 температуры, расположенный в термосрейистора 5 и 6. В диагональ моста 1 включен операционный усилитель 7, вы- ход которого подключен к входу усилител  8 мощности, выход которого поделю- чен к нагревателю 9 и резистору 10 обратной св зи, второй выход которого соединен с неинвертирующим входом oneрационного усилител  7. Последовательно с терморезистором 2 включен регулировочный резистор И, соединенньй через резистор 12 с первой базой (Б1) однопереходного транзистора 13, генератора 14 импульсов стабиль- ной амплитуды, втора  база (Б2) которого подключена к источнику питани , а эмиттер - к резистору 15 и 7юнденсатору 16, представл ющий собой врем задающую последовательную RC-цепь. На фиг. 2 изображены графики работы предлагаемого устройства: а - график изменени  напр жени  разбаланса термочувствительного моста без генератора импульсов со стабильной амплиту ой (крива  17) и .при наличии генератора импульсов со стабильной амплитудой (крива  18); б - график изменени  напр жени  на нагревателе при работе без генератора импульсов со стабильной амплитудой; в - график изменени  напр жени  на нагревателе при наличии генератора импульсов со стабильной амплитудой в устройстве; г график изменени  температуры в термостате при отсутствии генератора импульсов со. стабильной амплитудой (крива  3.9) и при наличии генератора импульсов (крива  20) со стабильной амплитудой. Устройство стабилизации температуры работает следующим образом. При значении температуры в термос «™ значени  температуры, соответствующего заданной температуре стабилизации , мост 1 разбалансирован, так как сопротивление датчшса 2 велико и напр жение в точке соединени  его с резисто- ром 5 неравно напр жению в точке соединени  резисторов 4 и 6. Разность этих напр жений (сигнал разбаланса) U, и импульсы с генератора поступают на вход операционного усилител  .7. При этом сумма напр жений сигнала разбаланса амплитуды импульсов имп верхнего порога срабатывани  устройства .икб(фиг. 2а) и устройство 59S находитс  в одном из двух устойчивых состо ний, когда нагреватель 9 включен (фиг. 2в). Такой режим работы с двум  устойчивыми состо ни ми создаетс  за счет положительной обратной св зи с выхо- да усилител  мощности 8 через резистор 1О на неинвертирующий вход операционкого усилител . Благодар  этому потери энергии в усилителе мощности .снижаютс  до минимума за счет того, что выходной транзистор или открыт (нагреватель вклк чен) или закрыт (нагреватель отключен), вместе с тем, вследствие действи  положительной обратной св зи, в устройстве по вл етс  гистерезис, величина которого равна разности напр жени  , поступаю щего на вход операционного усилител . и вызывающего включение нагревател  9 и напр жени , вызывающего отключение нагревател  ОквСфиг. 2), ,B-UKH Так как напр жение U , поступающее на вход операционного усилител , пропорлионально температуре, то гистерезис приводит и к колебани м температуры ста тировани . Устранить гистерзезис и соответственно повысить точность поддержани  заданной температуры в предлагаемом устройстае позвол ет генератор 14 импульсов стабильной амплитуды на однопереходном транзисторе 13, Частота импульсов, вырабатьшаемых генератором, зависит от величины сопротивлени  резистора 15 и емкости конденсатора 16. Амплитуда выходных импульсов регулируетс  с помощью поде т ррчечного резистора 11При повышении температуры в термостате и приближении ее значени  к TCT напр жение разбаланса моста уменьщает- с . . В момент времени t на вход операционного усилител  поступает импульс с генератора амплитудой сигнал, разбаланса (ifJ. Сумма этих напр жений становитс  равной верхнему порогу сраба тывани  устройства. UKB и,(2) Это приводит к тому, что нагреватель 9 отключаетс . При этом температура продолжает некоторое врем  повышатьс  за счет инерционных свойств нагревател  и термостата. Продолжает уменьшатьс  и сигнал разбаланса U . После окончани  действи  импульса, поступающего с , генератора, на вход операционного усили4 6 тел  поступает только сигнал разбаланса liiii, но устройство остаетс  в первоначальном состо нии, так как этот сигнал мёньjue напр жени  нижнего порога срабатыва- ни  устройства. Постепенно температура в термостате начинает снижатьс , а на- пр жение разбаланса Ощ соответственно увеличиватьс . В момент времени ta температура достигает такого значени , йри котором напр жение становитс  равным напр жению нижнего порога срабатывани  устройства: Ч н. ( Устройство стабилизации переключаетс  в состо ние, при котором нагреватель 9 включен, но температура продолжает падать, а напр жение разбаланса С/м увеличиватьс  вследствие инерционных свойств термостата и нагревател . При этом сумма t/K|W(n м I поступающа  на вход операционного усилител , меньще напр жени  верхнего порога срабатывани  устройства ( j Иустройство не переключаетс  в первоначальное положение, при котором нагреватель 9 отключен. Через некоторое врем  температура в термостате начинает повышатьс  и цикл работы устройства . стабилизации повтор етс , Высока  точность стабилизации температуры в предлагаемом устройстве достигаетс  уменьшени  напр жени  гистерезиса до значени , близкого к нулю. Это значит, что должно вьшолн тьс  условие: M,-UM.,,(J т.е. величина разбаланса моста, при котором устройство переключаетс  из сое- то ни  включено в состо ние выключено , должна быть равна величине разбаланса , при котором устрюйство переключаетс  из состо ни  вьпслючено в состо ние, включено. Из равенства (1) (3) видно, что это условие может быть выполнено, если: имп - кв-икн, 15) Т.е. амплитуда импульсов, поступающих с генератора, должна быть равна раЪности напр жений верхнего и нижнего порогов срабатывани  устройства. На фиг. 3 представлен график, по сн ющий процесс устранени  гистерезиса в предлагаемом устройстве. В начальный момент времени устройство находитс  в состо нии, которое на графике обозначено точкой 21. При нагреватель включен, а на вход операцион ного усилител  поступает сигнал разбалан са моста и/то и импульсы стабильной амп литуды с генератора . Постепенно температура в термостате возрастает и приближаетс  (фиг. 2г). В момент времени, когда состо ние устройства стабилизации температуры выражено точкой 22 графика, напр жение разбаланса моета равно, нижнему порогу переключени  устройства ,,a нагреватель будет включен до того времени, пока на вход операционного усилител  не поступит импульс напр жени  с генератора амплиту- йой, равной разности напр жений верхнег и -нижнего . порогов переключени  устройства. При этом устройство кратковременно перейдет в состо ние, выраженное Точкой 23 графика и вслед за этим в состо ние, выраженное точкой 24 графика . Врем  перехода из точки 23 в точ ку 24, будет очень небольшим и определитс  быстродействием примен емого операционного усилител .После окончани  импульса напр жени , поступающего на . вход операционного усийител , устройство перейдет в состо ние, выражеиное точкой 25 графика, при когором нагреватель от ,.ключен, а на вход операционного усилител  поступает сигнал U(s/|. , который на величину 4U|y.j меньще напр жени  нижнего порога переключени  устройства Uj. Еще некоторе врем  напр жение разбалан са моста Uij( продолжает уменьшатьс  . йследствие инерционных свойств нагревател  и термостата. Постепенно температура в термостате начинает падать, а напр жение разбаланса увеличиватьс . В момент времени, когда состо ние устройства выражено точкой 26, нагревэ гель вновь включитс ,так как напр жение разбаланса моста равно нижнему порогу переключени  устройства U| , и устройство перейдет в состо ние, выраженное точкой 27 графика. Врем  перехода из точки 26 в точку 27 также определ етс  быстродействием операционного усилител . В точке 27 напр жение разбаланса моста U|v,2 больше на величину напр жени  нижнего порога переключени  устройства , а сумма JLnиU,p(P меньще напр жени  верхнего порога переключени  устройства. Через некоторое врем  темпе ратура в термостате начнет повышатьс . 6 в4 .,S а напр жение разбаланса U - соответст венно уменьшатьс . В момент времени, когда состо ние устройства выражено точкой 22 графика, цикл работы устройства стабилизации температуры повторитс . Требуема  амплитуда импульсов на выходе генератора 14 устанавливаетс  с помощью регулировочного резистора 11, Предлагаемое устройство стабилизации температуры использовано в биологическом термостате. В устройстве использован операционный усилитель типа К140УД1А. Экспериментальные исследовани  термостата с предлагаемым устройством стабилизации температуры показывакуг , что колебание температуры л Т при отсутствии генератора импульсов достигают 0, (фиг. 2, крива  19). При подключении генератора импульсов колебани  температуры лТ при тех же услови х уменьшаютс  до 0,005 С, I Применение биологического термостата с предлагаемым устройством позвол ет обойтись без-дополнительных устройств дл  перемешивани  жидкости в термостате и сохранить биологические объекты в стабильных оптимальных физиологических услови х с прецизионными характеристиками стабилизации температуры. Формула изобретени  Устройство стабилизации температуры термостата, содержащее последовательно соединенные измерительный мост, операционный усилитель, усилитель мощности и исполнительный элемент, причем выход усилител  мощности св зан с неинвертирующим входом операционного усилител , отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности устройства, оно содержит генератор импульсов стабильной амплитуды, а измерительный мост регулировочньй резистор, включенный последовательно с датчиком температуры, и их общий вывод св зан с выходом генератора rovCiynbcOB стабильной амплитуды. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 646322, Кл. G05D 23/19, 1976.
2. 2.Патент США № 3831003, КЛ. Н 05 fe 1/О2, опублик. 1978 (прото-г тип).

   Фиг-З