ТЕРМОСТАТ
THERMOSTAT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к термостатам, предназначенным для одновременного термостатирования в широком диапазоне температур большого количества образцов жидких, твердых или сыпучих материалов, разница температур между которыми должна быть минимальной и должен отсутствовать градиент температур в объеме термостатируемого образца.
Уровень техники
Известен термостат (AC SU № 1023294 А, G05D 23/30), содержащий теплоизоляционный кожух с расположенным в нем металлическим полым цилиндром с глухими камерами, равномерно расположенными по его окружности, два нагревателя, расположенные соответственно на внутренней и внешней поверхностях, металлического полого цилиндра, датчик температуры, подключенный к терморегулятору, соединенному с одним из нагревателей, а второй нагреватель соединен с источником стабилизированного напряжения.
Недостатками данного термостата являются невозможность поддержания температур в области, близкой к комнатной температуре, т.к. на нагревателе, подключенном к стабилизированному источнику питания, постоянно выделяется энергия, количество которой и определяет минимальный перегрев полого цилиндра по отношению к комнатной температуре, и этот перегрев тем больше, чем выше максимальное значение температуры, поддерживаемой в термостате.
За прототип выбран термостат по авторскому свидетельству SU № 1403026 А1, G05D 23/30. Термостат включает теплоизоляционный кожух с расположенными в нем металлическим цилиндром с глухими камерами, равномерно расположенными по его окружности на средней линии металлического полого цилиндра, включенные параллельно первый и второй нагреватели, расположенные соответственно на внутренней и внешней поверхностях полого металлического цилиндра, датчик температуры, подключенный к входу терморегулятора, выход которого связан с нагревателями, в том числе и с дополнительным, расположенным между теплоизоляционным кожухом и вторым нагревателем.
Недостатком данного термостата является большое время выхода на режим, обусловленное большим временем наступления теплового баланса между включенными параллельно несколькими нагревателями, имеющими как разные мощности, так и разные массы, и разное качество теплового контакта с полым металлическим цилиндрическим корпусом. При параллельном включении нагревателей напряжение подается одновременно на все нагреватели, что приводит к тому, что на каждом нагревателе в единицу времени выделяется количество тепла, пропорциональное мощности нагревателя, которое накапливается в нагревателе пропорционально его массе и отдается корпусу термостата в соответствии с качеством теплового контакта нагревателя с корпусом. Следствием этого является то, что различные участки площади наружной поверхности корпуса и соответственно его объема нагреваются по-разному. Выравнивание теплового поля внутри корпуса происходит за счет его теплопроводности, следствием чего и является большое время наступления теплового баланса во всем объеме корпуса термостата и нагревателями.
Другим недостатком данного термостата является наличие градиента температуры в объеме глухих камер, предназначенных для размещения испытываемых образцов. Дело в том, что нагретый полый металлический цилиндр излучает тепло через теплоизоляционный кожух в атмосферу не только с цилиндрической поверхности, на которой размещен второй нагреватель, но и с торцов, на которых нагревателей нет. Таким образом, в верхней и нижней части полого металлического цилиндра температура отличается от температуры в центре цилиндра, т.е. имеется градиент температур по длине полого металлического цилиндра.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является снижение времени выхода термостата на рабочий режим и снижение градиента температур внутри глухих камер, в которые помещается исследуемое вещество.
Указанная цель достигается тем, что в термостате, содержащем теплоизоляционный кожух с расположенными в нем полым металлическим цилиндром с равномерно расположенными по средней линии его окружности глухими камерами, первым и вторым нагревателями, расположенными соответственно на внешней и внутренней поверхностях полого металлического цилиндра, датчик температуры, расположенный в теле цилиндра и подключенный ко входу терморегулятора, выход которого связан с нагревателями. Второй нагреватель равномерно распределен по наружной цилиндрической поверхности коаксиально помещенного внутри полого металлического цилиндра второго полого металлического цилиндра, снабженного расположенным на его торце и являющимся его продолжением диском, помещенным между верхним торцом первого полого цилиндра и кожухом термостата, при этом в теле или на внутренней поверхности второго полого металлического цилиндра расположен второй датчик температуры, соединенный со входом второго терморегулятора, выход которого соединен со вторым нагревателем.
Описание чертежей
На фиг.1 изображена конструкция термостата.
Осуществление изобретения
Термостат 1 состоит из равномерно заполненного теплоизоляционным материалом 2 цилиндрического кожуха 3, в котором коаксиально размещен выполненный в виде полого металлического цилиндра корпус 4 термостата 1. В теле корпуса 4 выполнены в виде несквозных цилиндрических отверстий глухие камеры 5 для размещения подвергающихся испытаниям образцов. Глухие камеры 5 равноудалены от наружной и внутренней цилиндрических поверхностей корпуса 4 и равномерно распределены по окружности корпуса 4. Исследуемые образцы помещаются в глухие камеры 5 через шлюзы в кожухе 3, закрываемые выполненными из теплоизоляционного материала заглушками 6. На наружной цилиндрической поверхности корпуса 4 размещен равномерно распределенный по ней нагреватель 7, а в теле корпуса 4 расположен датчик температуры 8, приближенный к поверхности, на которой закреплен нагревательный элемент 7.
Датчик температуры 8 соединен со входом первого терморегулятора 9, выход которого соединен с нагревателем 7. Во внутренней цилиндрической полости корпуса 4 коаксиально размещен второй полый цилиндр 10, снабженный расположенным на его торце и являющимся его продолжением диском 11, помещенным между верхним торцом корпуса 4 и кожухом 3. На наружной цилиндрической поверхности второго полого цилиндра 10 размещен равномерно распределенный по его поверхности нагреватель 12, а в его теле или на внутренней поверхности полого цилиндра 10 размещен датчик температуры 13, соединенный со входом второго терморегулятора 14, выход которого соединен с нагревателем 12.
Термостат 1 работает следующим образом. На терморегуляторы 9 и 13 подается задающее воздействие, соответствующее рабочей температуре термостата 1. Температура корпуса 4 и второго полого цилиндра 10 при работе поддерживаются одинаковыми.
Терморегуляторы 9 и 13 подают питающее напряжение на нагреватели 7 и 12 корпуса 4 и второго полого цилиндра 10. В связи с тем, что масса второго полого цилиндра 10 намного меньше, чем масса корпуса 4, цилиндр 10 нагревается до рабочей температуры за несколько минут и система регулирования температуры, использующая информацию о температуре цилиндра с датчика температуры 13, реализующая ПИД (пропорционально, интегрально-дифференциальный) закон регулирования, начинает поддерживать заданное значение температуры цилиндра 10 с высокой точностью. Нагревшийся первым цилиндр 10 начинает отдавать тепло корпусу 4 и за счет теплопроводности диску 11, при этом за счет циркуляции воздуха внутри цилиндра 10 температура диска 11 поддерживается равной температуре цилиндра 10, что в дальнейшем при работе термостата 1 исключает излучение тепла с торца корпуса 4.
Нагреватель 7, равномерно распределенный по наружной цилиндрической поверхности корпуса 4, продолжает нагревать корпус 4 с наружной стороны. При достижении температуры корпуса 4 заданного значения система поддержания температуры, используя информацию с датчика температуры 8, расположенного в корпусе 4 рядом с нагревателем 7, начинает поддерживать постоянной температуру наружной поверхности корпуса 4. Одновременным равномерным нагревом внутренней и внешней цилиндрических поверхностей корпуса 4 нагревательными элементами 7 и 12 достигается значительное сокращение времени выхода термостата 1 на рабочий режим и времени наступления теплового баланса между элементами конструкции термостата 1.
Наружная и внутренняя поверхность корпуса 4 в установившемся режиме имеют одинаковую равномерно распределенную по поверхностям температуру, благодаря чему градиент температуры в радиальном направлении сведен к минимуму. Влияние незначительного градиента температур в направлении от нижнего торца корпуса 4 к центру корпуса, обусловленное излучением тепла с нижнего торца цилиндрического корпуса 4, устраняется тем, что цилиндрические полости 5 не доходят до нижнего торца корпуса 4 и исследуемое вещество не может попасть в зону с температурой, немного отличающейся от температуры корпуса 4.