ТЕРМОСТАТ С ДИСКРЕТНЫМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
THERMOSTAT WITH DISCRETE SEMICONDUCTOR THERMOELECTRICAL CONVERTERS

Изобретение относится к устройствам статирования температуры. Изучение теплофизических характеристик биологических и электронных объектов подразумевает формирование необходимых тепловых режимов. При этом для уменьшения дестабилизирующего влияния окружающей среды и тепловых источников внутри самих исследуемых объектов требуется принудительная термокомпенсация внутри исследуемого объема. В настоящее время существует множество различных способов формирования заданного теплового воздействия как в сторону повышения (понижения), так и его регулирования [1, 2].
При исследовании объектов возникает проблема контроля точности теплового воздействия. Изучение динамических систем, а также объектов, содержащих источники выделения тепловой энергии (или поглощения), показывает, что традиционно применяемые схемы регулирования не позволяют с достаточной степенью точности дозировать величину теплового воздействия, так как внутренние источники в исследуемом объекте вносят погрешность в интегральную оценку тепловой энергии системы в целом [1, 2]. Также в системах регулирования с обратной связью с получением информации от термодатчиков величина тепловой энергии будет оцениваться с погрешностью, так как размещение датчиков вблизи исследуемого объекта оценивает суммарное количество теплоты от исследуемого объекта и источника теплового регулирования термостатирующего устройства, а при аналоговом методе регулирования требуется отрицательная обратная связь от датчика до регулирующего устройства, что приводит к суммированию погрешности термодатчика, линии связи, устройства регулирования, активного источника (поглотителя) тепла. Кроме того, дополнительные искажения вносят нелинейные характеристики всех этих устройств.
Целью изобретения является создание устройства термостатирования повышенной точности, в котором использованы дискретные полупроводниковые термоэлектрические преобразователи.
Цель достигается за счет применения полупроводниковых термоэлектрических устройств, позволяющих реализовать функцию регулирования температуры в широком диапазоне, причем устройства выступают как источниками выделения или поглощения тепла, так и в качестве датчиков теплового потока. Для повышения точности термостатирования можно использовать источники выделения (поглощения) тепла с дискретными значениями. При таком подходе требуется выбрать n весовых разрядов термомодулей, причем общее количество термомодулей ограничивается максимальным диапазоном формируемых температур, а погрешность дискретизации определяется величиной весового разряда термомодуля минимальной мощности.
На чертеже изображена конструкция устройства.
Конструкция устройства содержит блок управления 1, полупроводниковые термомодули 2, 3, 4, корпус 5, в рабочем объеме 6 которого находится объект исследования 7.
Устройство работает следующим образом.
х
Блок управления 1 подает в прямом или обратном направлении ток на полупроводниковые термомодули 2, 3, 4, меняя температуру Т внутри корпуса 5 в рабочем объеме 6 для оказания теплового воздействия на объект исследования 7.
Разработанный термостат позволяет осуществить дозированное тепловое воздействие с точно заданным переносом тепловой энергии, причем система регулирования при этом представляет собой простое коммутирующее устройство, которое целенаправленно подает прямой или обратный ток на конкретные полупроводниковые термомодули или отключает его. Количество используемых термомодулей определяется по формуле:
max
min
min
min
min
min
n
n-1
2
1
0
P=2(3P+3P+…+3P+3P+3P),
max
где P - максимальный диапазон формируемых мощностей от минимальной охлаждения до максимальной нагревания;
min
P - минимальная мощность, определяющая погрешность теплового воздействия и равная мощности минимального весового разряда полупроводникового термомодуля;
n - количество полупроводниковых термомодулей в термостатирующем устройстве.
Система регулирования работает в соответствии с функцией подачи весовых разрядов по формуле:
x
n
min
n-1
min
i
min
1
min
0
min
n
n-1
i
1
0
P=X3P+X3P+…+X3P+…+X3P+X3P,
x
где P является задаваемой мощностью теплового воздействия на объект исследования;
i
X - разряды троичной логики, принимающие значения +1, 0, -1.
n
n
Полупроводниковые термомодули позволяют как подводить тепло, так и отводить путем реверсирования источника подаваемой энергии, поэтому используется троичная логика, при которой значения в разрядах принимают как положительные, так и отрицательные величины. Полупроводниковые термомодули, реализующие троичную логику, позволяют получить при том же количестве дискретных устройств диапазон значений, больший, чем при использовании двоичной логики в 3/2 раза. Преимуществом также является получение как отрицательных, так и положительных температур. При этом температура окружающей среды совместно с температурой объекта исследований расположена в середине диапазона регулирования.
Применение дискретных устройств позволяет упростить систему регулирования.
Литература
1. А.с. 1628049 СССР. Термостатирующее устройство. // Б.И. 15.02.91, №6.
2. А.с. 1793432 СССР. Термоэлектрический термостат. // Б.И. 07.02.93, №5.