Термоэлектрический термостат

Термоэлектрический термостат

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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 повьппения точности термостатирования при одновременном упрощении схемы регулирования, в него введены тепловой шунт, соединяющий тепловыделяющие спаи дополнительной термобатареей и теплопоглощаю11 йе спаи основной термобатареи, а также нагреваi тель, диоды и потенциометры, причем основная термобатарея электрически подключена параллельно двум цепям, 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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

О Ц

РЕСПУБЛИК ае аи

4 1

1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.пи@.Ч ф! 0;,.п, ь

H *BTGPCHOMV СИИДВТЮЪСТВМ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ 0CGP

ГО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbftlO (21) 3580935/18-24 . (22) 18. 04. 83 (46) 23.07.84. Бюл. й- 27 (72) Ю.С.Белавин, В.Н.Галев, Л.П.Грабой, В.И.Грановский, А.С.Гребенкин, В.В.Капустин, Н.В.Коломоец, В.В.Копаев, М.АЛесенкина, Г.П.Ломова и М.Ю.Спокойный (71) Всесоюзный ордена Трудового

Красного Знамени научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт источников тока. (53) 621.555.6(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

I 560214, кл. G 05 D 23/19, 1974 °

2. Авторское свидетельство СССР !

II 682885, кл. G 05 D 23/30, 1977 (прототип). (54)(57) ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ TEPMOСТАТ, содержащий камеру, снабженную внешней теплоиэоляцией, датчик температуры, расположенный на внешней поверхности камеры и соединенный с

В@В G 05 D 23 19; С 05 D 23 30 системой регулирования, основную термобатарею, расположенную на торце внешней поверхности камеры, дополнительную термобатарею, теплопо" глощающие спаи которой расположены на датчике температуры, и радиатор основной термобатареи, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повьппения точности термостатирования при одновременном упрощении схемы регулирования„ в него введены тепловой шунт, соединяющий тепловыделяющие спаи дополнительной термобатареей и теплопоглощающйе спаи основной термобатареи, а также нагреватель, диоды и потенциометры, причем основная термобатарея электрически подключена параллельно двум цепям, образованным последовательно соединенньии соответственно первьм диодом, первьи потенциометром и дополнительной термобатареей, и вторьм диодом, включенньи встречно первому, вторьи потенциометром и нагревателем, размещенньи на датчике температуры.

4 1

Изобретение относится к регулированию и поддержанию температуры в теплофизических устройствах, основанных на эффекте Пельтье и предназначенных для стабилизации температуры различных объектов, в частности кварцевых резонаторов, Известно устройство для термостатирования в радиоэлектронной технике, где в качестве основного исполнительного органа широко используются. термоэлектрические батареи (ТЭБ), а в качестве дополнительного — компенсационная ТЭБ 1).

Недостаткам данного устройства является низкая точность термостатирования ввиду отсутствия обратной связи дополнительной ТЭБ с основной и невозможности перераспределения токов между основной и дополнительной

ТЭБ для компенсации ошибки термостатирования.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является термоэлектрический термостат, содержащий камеру термостата, снабженную внешней термоизоляцией, датчик температуры, расположенный на внешней поверхности камеры и соединенный с системой регулирования, основную ТЗБ, расположенную на внешней поверхности камеры, дополнительную ТЭБ, теплопоглощающие спаи которой. расположены на датчике температуры, и радиатор основной

ТЗБ.

Кроме того, в состав известного термоэлектрического термостата входит радиатор дополнительной (компенсационной) батареи и блок коррекции, содержащий линейные масштабные элементы, масштабные квадраторы, сумматоры, источник опорного напряжения и нуль-орган, причем входы первого линейного масштабного элемента и первого масштабного квадратора соединены с первым входом блока коррекции, а выходы — с выходами первого сумматора, соединенного с источником опорного напряжения 2 j.

Недостатками известного устройства являются низкая точность термостатирования и сложная система регулирования.

Низкая точность термостатирования (порядка +0,5 К) обусловлена следующим. Так как ток в дополнительной ТЭБ выбирается иэ условия компенсации ошибки термостатирова104481 2 ния, то при работе основной ТЭБ в режиме нагрева при больших перепадах температур между температурой окружающей среды и температурой статирования, малый ток в дополнительной

ТЭБ не может обеспечить необходимых больших перепадов температур в этой термобатарее, Из-за этого возникают значительные некомпенсирующиеся

1р потоки тепла через дополнительную

ТЭБ непосредственно на датчик температуры, что существенно ухудшает точность термостатирования.

Кроме того, использование блока коррекции с линейными масштабными элементами, масштабными квадраторами и сумматорами не обеспечивает высокую точность термостатирования ввиду зависимости номинала настроечных параметров от температуры окружающей среды. При эксплуатации термостата реализация варьирования настроечных параметров в зависимости от температуры окружающей среды не пре25 дусмотрена в схемах решения блока коррекции, в связи с чем возникающая в этом термостате ошибка термостатирования не может быть уменьшена.

Низкая точность термостатирования обусловлена значительной тепловой связью дополнительной (компенсационной) ТЭБ с окружающей средой ввиду непосредственного теплосъема с тепловыделяющих спаев компенсационной

ТЭБ радиатором этой термобатареи.

Возникающая значительная тепловая связь компенсационной ТЭБ с окружающей средой приводит к дополнительным тепловым натеканиям на датчик температуры, что еще в большей степени ухудшает точность термостатирования.

Целью изобретения является повышение точности термостатирования при одновременном упрощении схемы регули45 Рования температуры

Поставленная цель достигается тем, что в термоэлектрический термостат введены тепловой шунт, соединяющий тепловыделяющие спаи дополнительной

50 термобатареи и теплопоглощающие спаи основной термобатареи, а также нагреватель, диоды и потенциометры, причем основная термобатарея электрически подключена параллельно двумя цепям, образованным последовательно соеди- .

55 ненными соответственно первым диодом, первым потенциометром и дополнительной термобатареей, и вторым диодом, включенным встречно первому, вторым по! 104481

5$ тенциометром и нагревателем, размещенным на датчике температуры.

Введение нагревателя обеспечивает возможность дополнительного выделения тепла на датчике температуры, необходимое для компенсирования тепловых натеканий через дополнительную ТЭБ при работе ее в режиме нагрева при больших перепадах температур между температурой статирования и темпе- 10 ратурой окружающей среды. Необходимость дополнительного выделения.теп,ла на датчике температуры обусловлена тем, что ток в компенсационной

ТЭБ выбирается из условия уменьшения .15 ошибки термостатирования и обычно малый ток по величине не может обеспечить большой перепад температуры на термобатарее. В этом случае на датчик температуры поступает неком- 20 пенсирующийся тепловой поток из окружающей среды, что существенно понижает точность термостатирования.

Введение компенсационного нагревателя, расположенного на датчике тем- 25 пературы, позволяет создать тепловой поток при работе основной ТЭБ в режиме нагрева, компенсирующий

"вредные" тепловые натекания через компенсационную ТЭБ на датчик темпе- щ ратуры.

Полученные на основе рассмотре. ния обобщенной модели термоэлектрического термостата теоретические кривые зависимости ошибки термостатирования от температуры окружающей среды для известного термостата (фиг. 3, кривая I) и предлагаемого показывают, что введение нагревателя уменьшает ошибку термостатирования (фиг. 3, кривая 2) больше, чем в два раза (от 0,6 К для известного до 0,25 .К для предлагаемого).

Введение потенциометров делает возможным выбор компенсационного сопротивления при настройке каждого термостата. Если в известном термостате настроечные параметры зависят от температуры окружающей среды и эта зависимость для каждого термостата имеет свой вид, то в предлагаемом выбранные при помощи потенциометров компенсационные сопротивления постоянны во всем диапазоне изменения температур окружающей среды. При этом компенсационное сопротивление, выбранное при помощи первого потенциометра, определяется из условия, что температура объекта при минимальной температуре окружающей среды рассматриваемого диапазона температур окружающей среды должна быть равна температуре статирования. Компенсационное сопротивление, выбранное вторым потенциометром„ определяется из условия, что температура объекта термостатирования йри минимальной температуре окружающей среды рассматриваемого диапазона температур окружающей среды должна быть равна температуре статирования.

Кривая зависимости ошибки термостатирования от температуры окружающей среды при введении потенциометров и при .выборе компенсационных сопротивлений указанным .способом уменьшает ошибку термостатирования в области нагрева основной ТЭБ от 0,25 К до 015 К и в области охлаждения основной ТЭБ от 0,4 К до 0,2 К (фиг.3, кривая 3).

Значительная тепловая связь между тепловыделяющими спаями компенсационной ТЭБ, ее радиатором и окружающей средой также обуславливает низкую точность термостатирования из-за больших тепловых натеканий на датчик температуры„ Эта тепловая связь в предлагаемом термостате уменьшается за счет применения теплового шунта, соединяющего тепловыделяющие спаи компенсационной ТЭБ не с радиатором, как в известном термостате, а с теплопоглощающими спаями основной ТЭБ.,При этом компенсационная батарея не имеет тепловой связи с окружающей средой, что значительно уменьшает тепловые натекания иэ окружающей среды на датчик температуры и повышает точность термостатирования до +0,1 К во всем рассматриваемом диапазоне изменения температур ок- . ружающей среды (фиг. 3, кривая 4).

Наличие диодов, включенных с противоположной полярностью, функциВ онально обеспечивает прохождение тока либо через компенсационную ТЭБ, либо через нагреватель в зависимости от режима работы компенсационного блока. Таким образом, введение нагревателя, диодов, потенциометров и теплового шунта повышает точность термостатирования от +0,5 К до

+0,1 К. от +0 5 К до +0,1 К.

На фиг. 1 приведен предлагаемый термоэлектрический термостат; на фиг. 2 — схема подключения элеменВ случае отрицательного увода температуры первый диод 12», соединенный последовательно с дополнительной

ТЭБ 4, подключен к ней в режиме От35 крыто", а второй диод 12, 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".

S 1104 тов; на фиг. 3 — теоретические кривые зависимости ошибки термостатирования от температуры окружающей среды для известного термостата.

Термоэлектрический термостат содержит объект 1 термостатирования, камеру 2 термостата, основную ТЭБ 3, дополнительную (компенсационную)

ТЗБ 4, нагреватель 5, датчик 6 температуры, радиатор 7 основной тер- 10

1мобатареи,i тепловой шунт 8, внеш" йюю тепловую изоляцию 9 термостата, подложку 10 крепления объекта термостатирования, электрические выводы

11 датчика температуры и объекта >S термостатнрования. Кроме того, термостат содержит первый и второй диоды 12 1 и 12 и потенциометры 13„ и 13,.

Термоэлектрический термостат ра- 2О ботает следующим образом.

При температуре окружающей среды выше температуры статирования основная ТЗБ 3 работает в режиме охлажде" ния. Прн этом возможен отрицательный 25 увод температуры, когда с ростом температуры окружающей среды темпера-. тура объекта уменьшается, и положительный, когда с ростом температуры окружающей среды температура объекта ,увеличивается.

481 6

Предлагаемая схема подключения обеспечивает работу компенсационного блока в зависимости от знака увода температуры объекта либо в режиме охлаждения (ток течет через дополнительную ТЭБ 4), либо в режиме нагрева (ток течет через нагреватель).

При температуре окружающей среды ниже температуры статирования основная ТЭБ 3 работает в режиме нагрева.

Прн этом выделения тепла на дополнительной ТЭБ 4 и нагревателе аналогичны предыдущему случаю.

Выбор компенсационных сопротивлений, постоянных во всем диапазоне изменения температур окружающей среды, осуществляется при настройке термостата посредством выбора номинала сопротивления соответствующего потенциометра 13. Выбор величины компенсационного сопротивления, подключенного последовательно с дополнительной ТЭБ, осуществляется первым потенциометром 13, подключенньи последовательно с дополнительной ТЭБ, а выбор величины компенсационного сопротивления, подключенного последовательно с нагревателем, осуществляется вторым потенциометром 13, подключенным последовательно с нагревателем.

Предлагаемое изобретение позволит повысить точность термостатирования от +0,5 К до +0,1 К при одновременном упрощении схемы регулирования, 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 является актуальной проблемой при разработке ряда малогабаритных прецизионных термоэлектрических термостатов, используемых в радиоэлекчронной, вычислительной и других областях техники.

1104481

1104481

-0,2

"03

-06

-а7

Заказ 5210/34 Тираж 842

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Л. Птенцова

Редактор Л. Гратилло Текред 0.Неце Корректор М.Демчик