Устройство для формирования температурного профиля
DEVICE FOR FORMING A TEMPERATURE PROFILE

Изобретение относится к лабораторному оборудованию, и предназначено для формирования идентичных температурных воздействий заданного профиля при проведении лабораторных исследований по оценке стрессоустойчивости злаковых культур по изменению биопотенциалов проростков растений.
Целью изобретения является создание устройства позволяющего сформировать температурное воздействие заданного профиля на участок стебля и листьев проростка при измерении биопотенциала растения без его повреждения, которое может быть использовано в комплекте автоматизированной системы для проведения экспериментальных исследований (АвтоЭкспИ).
Известно большое число конструктивных решений устройств формирующих температурные воздействия различного профиля, использующих как жидкостные и газовые носители нагрева-охлаждения, так и термоэлектронные элементы (элементы Пельтье).
Известна система PE120-AFM фирмы Linkam Scientific Instruments Ltd, которая состоит из термостолика PE120-AFM, выполненного на основе элемента Пельтье, системного контроллера T95-PE-LinkPad и водяного циркуляционного насоса ЕСР. Данное устройство предназначено для проведения биологических исследований с применением микроскопа. Термостолик имеет металлическую рабочую поверхность, на которой размещается исследуемый образец. С рабочей поверхностью термостолика контактирует элемент Пельтье. Для отвода тепла от нерабочей стороны элемента Пельтье на ней установлен радиатор с жидкостным охлаждением. В качестве охлаждающей жидкости могут быть использованы вода или жидкий азот. Термостолик через разъем подключен к блоку управления, который посредством интерфейса RS232 подключен к ПК, а так же соединен с модулем LinkPad, с которого в автономном режиме задается температурный профиль. Температурный профиль задается в виде сегментов, которые состоят из линейного изменения температуры и стабилизации. Параметрами сегмента являются конечная температура, скорость изменения температуры и длительность стабилизации конечной температуры. Максимальная скорость линейного изменения температуры составляет 0,5°С/сек. Недостатками данной системы являются невозможность, из за конструктивных особенностей (размеров термостолика и проводящей электрический ток его рабочей поверхности), разместить на лабораторном термостолике объект исследований (проросток растения) и электроды для измерения биопотенциалов, невозможность использования в комплекте с автоматизированной системой для проведения экспериментальных исследований, недостаточная скорость изменения температуры (0,5°С/сек), а так же применение жидкостного теплообмена, что требует применение насоса для воды или азота.
В патенте US 8652189 (Опубл 28.02.2014) описан зонд термической стимуляции нервной системы, содержащий нагревательную фольгу, которая представляет собой резистивный нагревательный элемент, элемент Пельтье, элемент большой теплоемкости, расположенный между элементом Пельтье и нагревательной фольгой, датчики температуры нагревательной фольги, датчики температуры элемента большой теплоемкости. Поверх датчиков температуры нагревательной фольги имеется тонкий слой картона. Для отвода тепла от элемента Пельтье применяется водяной теплоотвод. Недостатками данного устройства является применение жидкостного охлаждения элемента Пельтье, наличие дополнительного нагревательного элемента, кроме элемента Пельтье, что усложняет техническую реализацию устройства, невозможность из за конструктивных особенностей зонда размещения объекта исследований (проростока растения) и электродов для измерения биопотенциалов, невозможность использования в комплекте с автоматизированной системой для проведения экспериментальных исследований.
В другом патенте US 5654546 (Опубл 05.08.1997) предложено устройство для нагрева и охлаждения небольшого образца в сканирующем зондовом микроскопе, у которого место для размещения образца, расположено на элементе Пельтье, который размещен на подставке, изготовленной из материала высокой теплопроводности. К нижней части подставки прикреплен теплообменник, содержащий медную пластину, которая контактирует с нижней частью подставки. К пластине теплообменника припаивается петля из медной трубы, через которую течет вода с температурой незначительно отличающейся от температуры окружающей среды. Данное устройство расположено в герметично закрытом пространстве сканирующего зондового микроскопа и прикрепляется к периферийному кольцу микроскопа, изготовленного из материала с низкой электропроводностью.
Недостатками данного устройства является: неподходящая конструкция термостолика, применение водяного отвода тепла от элемента Пельтье, отсутствие металлической пластины (экрана) между элементом Пельтье и образцом.
В патенте РФ 2479289 от 14.07.2010 описано устройство, для формирования температурного профиля, реверсивных тепловых воздействий на участке тела человека. Данное устройство состоит из группы последовательно или параллельно соединенных элементов Пельтье, исполнительное устройство на тепловоздействующей поверхности которого размещены датчики температуры, двух задатчиков температуры, переключателя задатчиков, переключателя полярности, блока сравнения, регулятора мощности и блока программного управления. Блока программного управления определяет полярность напряжения, длительность работы при заданной полярности, управляет переключателем задатчиков температуры из которых один задает температуру ниже начальной, другой выше начальной температуры. Начальной температурой является температура окружающей среды. Блок сравнения на вход которого подаются сигналы с задатчика и датчиков температуры формирует входной сигнал регулятора мощности, который регулирует ток через элемент Пельтье, который запитан через регулятор мощности от источника постоянного тока.
Недостатком данного устройства является наличие нескольких задатчиков температуры, невозможность управления температурным профилем при наростании и при падении температуры, отсутствие возможности задавать линейную форму температурного профиля, невозможность из за конструктивных особенностей исполнительного устройства размещения на нем объекта исследований (проростока растения) и измерительных электродов.
Наиболее близким аналогом изобретения является прибор для термостабилизации кюветы с живыми клетками («Прибор для термостабилизации кюветы с живыми клетками» В.В. Шугайло, С.А. Костенко, Ю.С. Медникова, НП, 2017, том 27, №3, с. 27-32), состоящий из контроллера и термостолика. Термостолик выполнен в виде медного теплообменника Н-образной формы, нагреваемого или охлаждаемого при помощи элементов Пельтье, закрепленных рабочими поверхностями на теплообменнике с двух сторон. К нерабочим поверхностям элементов Пельтье закреплены радиаторы охлаждаемые микровентиляторами, обеспечивающими необходимый градиент температур элементов Пельтье. В теплообменник вмонтирован датчик температуры, а на горизонтальной его части расположена рабочая зона (кювета). Термостолик кабелем соединен с контроллером, который управляет нагревом/охлаждением элементов Пельтье и включением микровентиляторов. Контроллер собран на микропроцессоре, который соединен с клавиатурой, с которой задаются команды установки температуры и, через плату управления, с датчиком температуры кюветы, которые отображаются на жидкокристаллическом индикаторе платы индикации. Полученные сигналы сравниваются микропроцессором который выдает сигналы "Нагрев" или "Охлаждение" и сигнал разницы текущей и установленной температуры "Ошибка" в виде ШИМ на плату управления и плату индикации. При равенстве сигнала "Ошибка" нулю микропроцессор переходит в режим стабилизации температуры, а на индикаторе появляется надпись "Работа". Сигналы "Нагрев" и "Охлаждение" управляют ключами, переключающими полярность напряжения для элементов Пельтье, а сигнал "Ошибка" преобразуется в аналоговый сигнал управления генератором тока для элементов Пельтье. Управление производится изменением тока по линейном закону. Питание контроллера и элементов Пельтье производится от импульсного блока питания.
Недостатками данного устройства являются: низкая скорость изменения температуры, невозможность формирования температурного профиля при нарастании и при падении температуры, отсутствие возможности задавать линейную форму температурного профиля, невозможность из за конструктивных особенностей термостолика размещения на нем объекта исследований (проростка растения) и измерительных электродов, невозможность использования в комплекте с автоматизированной системой для проведения экспериментальных исследований.
Поставленная цель достигается за счет создания конструкции лабораторного столика, позволяющей разместить на нем проросток злаковой культуры (объект исследования) без нарушения его целостности и жизнеспособности и обеспечения возможности воздействия на листья и стебель растения температуры, изменяющейся по заданному профилю относительно установившегося значения. Температура может повышаться или понижаться. А так же за счет создания устройства управления, обеспечивающего формирование задания температурного профиля и формирования с помощью элемента Пельтье изменения температуры, воздействующей на исследуемое растение, соответствующей заданному профилю. Кроме того устройство управления должно обеспечивать защиту элемента Пельтье от перегрева (в случае аварии) и защиту цепи питания элемента Пельтье от превышения тока, а так же может быть использовано в комплекте с автоматизированной системой для проведения экспериментальных исследований.
Предлагаемая конструкция лабораторного столика изображена на Фиг. 1. Лабораторный столик содержит корпус 1, в верхней части которого размещена столешница состоящая из участка для установки кюветы 2 с питательным раствором (водой), в которую помещаются корни проростков растения 3, участка 4 для размещения ростка и встроенного в него участка 5 для формирования теплового воздействия. Участок 5 представляет медную пластину в которую встроены рабочий 6 и аварийный 7 датчики температуры. С нижней стороны пластины 5 прикреплен, через слой термопасты 10, рабочей плоскостью элемент Пельтье 8, с другой (опорной) стороны которого, так же через слой термопасты 10 установлен воздушный радиатор 9, к которому крепится вентилятор 11, установленный на основании корпуса 1. Верхняя сторона пластины 5 покрыта слоем не электризующегося диэлектрика 15 и вместе с расположенным на ней растением 3 прикрывается теплозащитным экраном 16, выполненным из дерева. Для измерения биопотенциалов проростков используются электроды сравнения 13 и 14 закрепленные на держателе электродов 12, установленном на сталешнице. Для подключения датчиков температуры и вентилятора к блоку управления 20 установлены разъемы 17 и 18, а для подключения элемента Пельтье - колодка 19. Формирование температурного профиля на элементе Пельтье производится с помощью блока управления 20, который состоит из контроллера 21 соединенного шлейфами с дисплеем 22 и клавиатурой 23. Первый вход контроллера 20 соединен с преобразователем температуры 24, ко входу которого подключен рабочий датчик температуры 6. Второй вход контроллера 21 соединен с выходом датчика тока 25 который размещен в цепи питания элемент Пельтье 8. Элемент Пельтье 8 соединен с выходом ШИМ преобразователя 27 вход которого подключен к выходу контроллера 21. Для защиты элемента Пельтье 8 от перегрева и элементов ШИМ преобразователя 27 от аварийных токов, в блоке управления 20 предусмотрена схема защиты 28, первый сигнальный вход которой соединен с датчиком предельного тока 26, а второй вход с датчиком предельной температуры 7. Силовой - третий вход схемы защиты 28 соединен с выходом силового источника питания 30 блока управления 20, а ее выход - с силовым входом ШИМ преобразователя 27. Питание контроллера 21 блока управления 20 осуществляется от отдельного блока питания 31. Устройство формирования температурного профиля может работать как в автономном режиме, так и в составе автоматизированного измерительного комплекса. Для этого в блоке управления 20 предусмотрены: вход 29 для подключение через шину USB к ПЭВМ автоматизированного измерительного комплекса (для обмена данными и формирования заданного профиля) и вход 32 для дистанционного запуска устройства формирования температурного профиля и регистрации температурного возмущения (тепературного профиля).
Устройство работает следующим образом (см. Фиг 2). После последовательного включения блока питания контроллера 31 и силового источника питания 30 в оперативную память контроллера 21 блока управления 20 вводятся параметры желаемого температурного профиля с клавиатуры 23 блока управления 20 или с ПЭВМ автоматизированного измерительного комплекса через шину USB 29. В первую очередь, при необходимости, задается начальная температура профиля (обычно 20°С), затем задается температурный профиль в виде последовательности сегментов времени, для которых задается конечная температура и длительность. При установлении начальной температуры она стабилизируется перед запуском процесса формирования температурного профиля. После достижения начальной температуры профиля заданного значения на рабочую поверхность термостолика 4 размещается объект исследований (проросток) 3 и в зоне теплового воздействия накрывается теплозащитным экраном 16, который слегка прижимает растение 3 к пластине 5, обеспечивая, тем самым, для растения установившееся значение температуры. Затем на растение устанавливаются измерительные электроды 14 и 13, закрепленные на держателе 12. После этого, для перехода растения в установившееся состояние, производится выдержка времени 3-5 минут. Затем, по сигналу с клавиатуры 23 или по входу 32 для дистанционного пуска устройства, запускается формирование температурного профиля.
Исходя из последовательности заданных сегментов температурного профиля задатчик 42 (Фиг. 3) программно генерирует сигнал желаемого профиля температуры пластины 5, который поступает на вход ПИД-регулятора температуры, реализованного программно на входящем в контроллер 21 микроконтроллере 41, на второй вход микроконтроллера поступает сигнал с преобразователя температуры 24 рабочего датчика температуры 6. Выходной сигнал регулятора температуры, подается на один вход ПИ-регулятора тока, который программно реализован на втором, входящем в контроллер 21, микроконтроллере 43, на второй вход которого подается сигнал с датчика тока 25. Полученный на выходе ПИ-регулятора тока сигнал поступает на широтно-импульсный модулятор ШИМ преобразователя 27, где транзисторами, включенными по мостовой схеме, формируется последовательность двухполярных импульсов, которая затем сглаживающим фильтром преобразуется в аналоговый сигнал, поступающий на элемент Пельтье 8. В зависимости от полярности, поступающего на вход элемента Пельтье 8, аналогового сигнала его рабочая поверхность, а следовательно пластина 5, контактирующая с растением 3, может нагреваться или охлаждаться, формируя заданный температурный профиль. После окончания формирования температурного профиля устанавливается и стабилизируется начальная температура до начала запуска нового профиля или окончания эксперимента.
При превышении температуры рабочей поверхности столика более 110°С, по сигналу аварийного датчика температуры 7, срабатывает схема защиты 28, в результате чего размыкается цепь питания элемента Пельтье 8 и загорается индикатор «Авария». При превышении тока через мостовую схему коммутационных элементов ШИМ преобразователя 27 более допустимого значения, по сигналу датчика тока 26, так же срабатывает схема защита 28 от превышения тока, в результате чего размыкается цепь силового питания ШИМ преобразователя 27 и силового источника 30, и загорается индикатор «Авария». Сброс аварийного состояния производится с клавиатуры 23.
max
max
Испытания показали, что предлагаемое устройство формирования температурного профиля обеспечивает достижение поставленных требований. На Фиг. 4 приведена эпюра температурного профиля, полученная при работе устройства, в комплекте с системой АвтоЭкспИ, в соответствии с заданием: нарастание в течение 40 с. От 20°С до 40°С, стабилизация 40°С в течение 20 с, снижение температуры до 20°С в течение 40 с, далее стабилизация температуры 20°С (фоновой температуры). Формирование линейного изменения температурного профиля обеспечивается с погрешностью не более ±0,5°С. Погрешность стабилизации температуры составляет не более ±0,3°С. Максимальная скорость нарастания температуры (dT/dt) составляет 2,2°С/сек, а максимальная скорость снижения температуры (-dT/dt) = 2,3°С/сек.
Список литературы
1. PE-120-AFM_T95_Manual.pdf [Электронный ресурс], н.д.2018. Режим доступа: [https://static1.squarespace.com/static/556d800ae4b0e8f91507450c/t/56cf384c356fb0168fdl019 4/1456420944492/PE120-AFM_T95_manual.pdf]
2. Пат.8652189 Соединенные штаты Америки, МПК A61F, 7/00 Thermal Stimulation Probe and Method / Ehud Gafhi, Yelena Granovsky; Опубл 28.02.2014.
3. Пат. 5654546 Соединенные штаты Америки, МПК А61А 7/00, Variable Temperature Scanning Probe Microscope Based on a Peltier Device / Stuart M. Lindsay; Опубл 05.08.1997.
4. Пат. 2479289 Российская Федерация МПК A61F 7/00, А61В 18/02, А61В 18/04, F25B 21/02, H01L 35/28, Устройство для осуществления реверсивных тепловых воздействий на участке тела человека / Грядунов А.И., Грядунов Д.А., Скипидаров С.Я.; Патентообладатель: Грядунов Александр Иванович, Грядунов Дмитрий Александрович, Скипидаров Сергей Яковлевич - 2010128982/14, заявл 14.07.2010, опубл 20.04.2013. Бюл. №11.
5. Прибор для термостабилизации кюветы с живыми клетками/ В.В. Шугайло, С.А. Костенко, Ю.С. Медникова // Научное Приборостроение. - 2017. Том 27, №3, С. 27-32.