МИКРОТЕРМОСТАТ С СОВМЕЩЕННЫМИ

НАГРЕВАТЕЛЕМ И ДАТЧИКОМ

В. А. Куликов

Описана электрическая схема микротермостата, в котором для нагревания и измерения температуры поочередно используется один резистивный элемент, выполненный из медного провода. При эксплуатации исключается перегрев резистивного элемента и термостатируемой среды.

Одной из причин появления погрешности термостатирования среды в термостатах является пространственное разнесение датчика температуры и нагревателя. Термическое сопротивление между датчиком температуры и нагревателем приводит в процессе регулирования к отставанию температуры датчика от температуры нагревателя, в результате чего в рабочем объеме термостата появляются зоны с
температурой, превышающей заданную. В случае, если максимальная рабочая температура термостата не превышает 150-180°С, проблему удается решить путем совмещения функций измерения температуры и нагревания в одном резистивном нагревательном элементе, выполненном, например, из медного эмалированного провода.

Принципиальная схема микротермостата. Ml, M2 - К140УД17; МЗ -
КР1100СК2; М4 - КР544САЗ; Т1 - 2Т830В; Т2, ТЗ - КТ315В; Д1, Д2 - 2Д106А.

Схема термостата представлена на рисунке и содержит измерительный мост, образованный датчиком-нагревателем (д.н.) Rt, резисторами R1-R3 и операционным усилителем (о.у.) Ml, усилитель сравнения на о. у. М2, устройство выборки и хранения (у.в.х.) МЗ, стробируемый компаратор, построенный на основе интегрального компаратора М4 с открытым коллектором на выходе и транзистора ТЗ, ключи на транзисторах Т1 и Т2.
Управление работой термостата осуществляется от генератора прямоугольных импульсов по входу Г. Термостат поочередно находится в режимах измерения температуры и нагревания. Режим измерения температуры соответствует высокому уровню напряжения на входе Г. В этом случае сигнал разбаланса измерительного моста, в который включен д.н., поступает на вход усилителя сравнения М2 и после усиления записывается в у.в.х., находящееся в режиме выборки. Выход компаратора М4
благодаря высокому уровню напряжения строба находится в состоянии высокого импеданса, ключ на транзисторе Т1 закрыт и не оказывает влияния на работу измерительного моста.
При поступлении на вход Г напряжения низкого уровня схема переходит в режим нагревания. У.в.х. МЗ переключается в состояние хранения, а транзистор Т2 переходит в режим отсечки. Конденсатор С1 в первый момент разряжен до напряжения, близкого к нулю, и начинает заряжаться через резистор R4. Если при этом напряжение на выходе у.в.х. превышает напряжение на конденсаторе, компаратор
М4 переключается в состояние низкого импеданса на выходе и переводит транзистор Т1 в режим насыщения. Ток 1н от источника питания +12 В начинает протекать через д. н. и диод Д1, разогревая д. н. При этом выход о. у. Ml за счет диода Д2 отключается от д. н. и коллектора транзистора Т1, что обеспечивает защиту о.у. от перегрузок по выходу.
Когда напряжение на конденсаторе С1 достигает напряжения на выходе у.в.х., компаратор переключается в состояние высокого импеданса, транзистор Т1 переходит в режим отсечки, ток 1н нагрева прерывается и процесс нагревания заканчивается. Длительность интервала, в течение которого происходит нагревание д.н., определяется значением напряжения, записанного в у.в.х. в режиме измерения, а следовательно, значением температуры д.н. Если при поступлении напряжения низкого уровня на вход Г выходное напряжение у.в.х. было меньше начального напряжения на конденсаторе С1 нагревание д.н. не происходит, так как компаратор остается в состоянии высокого импеданса в течение всей фазы нагревания. Это соответствует случаю, когда температура нагревателя превышает заданную .
Таким образом, в термостате осуществляется импульсный подогрев д.н., при котором температура д.н. регулируется изменением длительности импульсов тока при постоянной частоте их следования.
Высокая точность поддержания температуры и компенсация погрешности, вносимой у.в.х. и компаратором, обеспечиваются за счет работы усилителя сравнения М2 без отрицательной обратной связи. Оценка абсолютной погрешности поддержания температуры д.н. может быть проведена на основе учета неидеальности усилителя по коэффициенту усиления К(М2).
Напряжение на выходе усилителя сравнения в зависимости от условий теплообмена д.н. с окружающей средой может находиться в пределах от О В до напряжения питания. При заданном коэффициенте усиления К(М2) это приведет к разбросу входного напряжения о. у. М2, т.е. выходного напряжения измерительного моста на о. у. Ml в пределах ивых (М2) /К(М2) . Это напряжение, выраженное через изменение температуры д.н., и определяет погрешность поддержания температуры:

где y i Ом/К - температурная чувствительность д.н. Если принять ивых(М2) = Е1 и учесть, что R2 » R3, то формула (1) упрощается и принимает вид:

При R1 = 3 кОм (измерительный ток д.н. при Е1 = -12 В составляет 4 мА) , y = 0.2 Ом/К (сопротивление д.н. при 0°С Rto = 50 Ом) и К(М2) = 200000, то расчет по формуле (2) дает погрешность AT = 0.075 К.
Поскольку в режиме регулирования температуры в термостате автоматически поддерживается баланс измерительного моста, установка температуры д. н. может производиться путем подбора сопротивления одного из его резисторов. При использовании R3 для расчета сопротивления по заданной температуре Т может использоваться формула:
R3 = (Rt0 + YT)R2/R1 (3)
Конструктивно д.н. выполнен в виде однослойной цилиндрической катушки, намотанной бифилярно проводом ПЭТр-155 диаметром 0.08 мм на тонкостенном цилиндрическом каркасе диаметром 30 и длиной 65 мм, изготовленном из алюминиевого сплава. Катушка д.н. имеет сопротивление Rto = 50 Ом и снаружи теплоизолирована пенопластом с толщиной стенки 10 мм. Постоянство температуры катушки обеспечивает постоянство температуры каркаса и его внутреннего объема, который используется как рабочий объем термостата. Испытания микротермостата проводились при комнатной температуре в диапазоне от 15 до 25°С. При номиналах элементов, указанных на рисунке, температура в рабочей зоне термостата составляла +59.8°С при погрешности термостатирования 0.1 К. Установлено, что эффективнее подогревать термостат короткими импульсами, следующими с периодом, существенно меньшим постоянной времени тепловых процессов в д.н. В этом случае снижаются пульсации температуры д.н., обусловленные дискретностью подогрева, и регулирование температуры осуществляется также за счет снижения частоты срабатывания компаратора (пропуска импульсов подогрева), которая устанавливается автоматически в зависимости от инерционности тепловых процессов в системе д.н.-каркас.
Для увеличения максимальной температуры в термостате необходимо увеличивать мощность, выделяемую д.н., за счет повышения напряжения источника питания ключа на транзисторе Т1 и применять теплоизолирующие материалы с более  высокой температурой эксплуатации.
Преимуществом рассмотренного варианта микротермостата в сравнении со схемами с отрицательной обратной связью является гарантированная устойчивость схемы к самовозбуждению благодаря разнесению во времени процессов подогрева и измерения температуры датчика-нагревателя.