УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к системам теплового контроля и автоматики и может быть использовано для создания оборудования необходимого при исследовании влияния температуры на физические свойства диэлектриков и магнитоупорядоченных веществ, а также стабилизации и управления температурой различных исследуемых объектов.
Известны устройства с регулируемой температурой внутри заданного объема, включающее приборы с электрическими нагревательными элементами, или устройства, использующие в качестве активного элемента термоэлектрические модули (элемент Пельтье) с соответствующими устройствами управления и регулирования температуры. Главным преимуществом устройств первого типа является возможность получения и регулирования температуры в очень широких пределах - от комнатной до (в зависимости от конструкции нагревательного элемента) 1500°С и выше. Преимуществом устройств, использующих термоэлектрические модули, является возможность получения температур как выше, так и ниже температуры окружающей среды, однако пределы изменения температуры существенно меньше - обычно от -10°С до +80°С [Chang H., Guan J., Yang M. New design of temperature -controlled chamber for OLED panels // Int. J. Eng. and Appl. Sci. - 2008. - V.4. -pp.119-123.] а верхняя граница температурного диапазона определяется максимально допустимой разницей температур (AT) активной и пассивной поверхностей термоэлектрического модуля (AT ~ 70°С).
Недостатком устройства является ограниченный диапазон регулируемой температуры.
В качестве прототипа выбрано термостабилизирующее устройство с регулируемой температурой [Евдокимов СВ., Яценко А.А., Яценко А.В. Простой усилитель для пироэлектрических измерений // Ученые записки Таврического национального университета имени В.И. Вернадского. Сер. физ-мат. Науки. - 2010. - Т.23(62), №1. - с.125-130.], которое содержит термоэлектрический модуль, первый вывод которого соединен с заземленным резистором, датчик температуры, задатчик температуры, блок управления, усилитель мощности с биполярным выходным напряжением, активный теплообменник, пассивный теплообменник и теплоизолирующий кожух. Активный теплообменник расположен внутри теплоизолирующего кожуха и находится в тепловом контакте с активной поверхностью термоэлектрического модуля. Пассивная поверхность термоэлектрического модуля находится в тепловом контакте с пассивным теплообменником, который находится в воздухе. Внутри активного теплообменника расположен датчик температуры, который соединен с первым входом блока управления, второй вход которого соединен с выходом
2
задатчика температуры. Выход блока управления соединен со входом усилителя мощности с биполярным выходным напряжением, соединенный со вторым выводом термоэлектрического модуля. Исследуемый объект помещается внутрь активного теплообменника.
Недостатком прототипа является ограниченный диапазон регулируемой температуры.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствовать устройство управления температурой объекта для расширения диапазона температур устройства путем осуществления регулируемого подогрева пассивного теплообменника при получении температур выше температуры окружающей среды.
Поставленная задача решается тем, что устройство для управления температурой объекта, включающее последовательно соединенные термоэлектрический модуль и заземленный резистор, активный теплообменник и пассивный теплообменник, которые находятся в тепловом контакте с активной и пассивной поверхностью термоэлектрического модуля, теплоизолирующий кожух, в который помещен активный теплообменник, датчик температуры, который находится внутри активного теплообменника, задатчик температуры и блок управления, первый и второй входы которого соединены с выходом датчика температуры и задатчика температуры соответственно, усилитель мощности с биполярным выходным напряжением, согласно полезной модели, дополнительно содержит второй заземленный резистор, второй блок управления и электрически регулируемый источник тепла, находящийся в тепловом контакте с пассивным теплообменником, первый вывод термоэлектрического модуля соединен с усилителем мощности с биполярным выходным напряжением, второй вывод термоэлектрического модуля, соединенный с заземленным резистором, соединен также с первым входом второго блока управления, второй вход которого соединен с первым выводом второго резистора, а второй вывод второго резистора заземлен, причем выход второго блока управления соединен с управляющим входом электрически регулируемого источника тепла, один вывод питания которого соединен с незаземленным выводом второго резистора, а второй вывод питания электрически управляемого источника тепла соединен с шиной питания.
Устройства содержит термоэлектрический модуль (1), резистор (2), датчик температуры (3), задатчик температуры (4), блок управления (5), усилитель мощности с биполярным выходным напряжением (6), активный теплообменник (7), пассивный теплообменник (8), теплоизолирующий кожух (9), второй блок управления (11), второй резистор (10) и электрически регулируемый источник тепла (12). Активный теплообменник (7) расположен внутри теплоизолирующего кожуха (9) и находится в тепловом контакте с активной поверхностью термоэлектрического модуля (1) первый вывод которого соединен с
3
резистором (2). Пассивная поверхность термоэлектрического модуля (1) находится в тепловом контакте с пассивным теплообменником (8), который находится в воздухе. Внутри активного теплообменника (7) расположен датчик температуры (3), который соединен с первым входом блока управления (5), второй вход которого соединен с выходом задатчика температуры (4). Выход блока управления (5) соединен со входом усилителя мощности с биполярным выходным напряжением (6), который соединен со вторым выводом термоэлектрического модуля (1). Электрически регулируемый источник тепла (12), в качестве которого может быть использован мощный полевой транзистор, находится в тепловом контакте с пассивным теплообменником (8), при этом второй вывод термоэлектрического модуля (1) соединен с выходом усилителя мощности с биполярным выходным напряжением (6), первый выход термоэлектрического модуля (1) соединен с первым входом второго блока управления (11) , второй вход которого соединен с первым выводом резистора (10), а второй вывод второго резистора (10) заземлен, причем выход второго блока управления (11) соединен с управляющим входом электрически регулируемого источника тепла (12), один вывод питания которого соединен с незаземленным выводом второго резистора (10), а второй вывод питания электрически управляемого источника тепла (12) соединен с шиной питания. Исследуемый объект помещается внутрь активного теплообменника (7). Устройство обеспечивает верхнюю границу рабочей температуры выше 120°С, в то время как у аналогов - не более 80°С.
Устройство работает следующим образом. Напряжения, которые поступают с задатчика температуры (4) и датчика температуры (3), расположенного внутри активного теплообменника (7), поступают на входы блока управления (5) который сравнивает эти сигналы и усиливает разностный сигнал. Усиленный разностный сигнал поступает на вход усилителя мощности с биполярным выходным напряжением (6), выход которого соединен со вторым выводом термоэлектрического модуля (1), первый вывод которого соединен с заземленным резистором (2). Ток, протекающий через термоэлектрический модуль пропорционален разности напряжений на входах блока управления (5). В зависимости от знака разности напряжений на входах блока управления (5) знак тока через термоэлектрический модуль будет либо положительным, либо отрицательным, что соответствует либо нагреву, либо охлаждению активной поверхности термоэлектрического модуля и, соответственно, повышению или понижению температуры активного теплообменника (7). Пассивный теплообменник (8) при этом наоборот - либо охлаждается, либо нагревается. Изменение температуры активного теплообменника (7) продолжается до тех пор, пока разность напряжений на входах блока управления (5) не станет близка к нулю, что соответствует достижению внутри активного теплообменника (7) заданной температуры.
4
Если через термоэлектрический модуль (1) протекает положительный ток, что соответствует нагреву активного теплообменника (7), на незаземленном выводе резистора (2) будет присутствовать положительное напряжение. Это напряжение подается на первый вход второго блока управления (10), выход которого соединен со входом управления электрически регулируемого источника тепла (12), первый вывод которого через второй заземленный резистор (11) подключен к общей шине питания, а второй вывод - к положительному выводу источника питания. Падение напряжения на втором заземленном резисторе пропорционально току через электрически регулируемый источник тепла (12) и это напряжение подается на второй вход второго блока управления (10). Второй блок управления (11) усиливает разностный сигнал и усиленный сигнал поступает на управляющий вход электрически регулируемого источника тепла (12), меняя его ток. В результате этого разность напряжений на входах второго блока управления (11) будет стремиться к нулю, а ток через электрически регулируемый источник тепла (12) будет пропорционален току через термоэлектрический модуль (1). При этом пассивный теплообменник (8) будет дополнительно подогреваться и его температура увеличится.
Если через термоэлектрический модуль (1) протекает отрицательный ток, что соответствует охлаждению активного теплообменника (7), на незаземленном выводе резистора (2) будет присутствовать отрицательное напряжение. При этом второй блок управления (10) прекращает прохождение тока через электрически регулируемый источник тепла (12).
Если задаваемая задатчиком температуры температура активной поверхности термоэлектрического модуля (1) больше температуры окружающей среды, то разность температур между активной и пассивной поверхностью термоэлектрического модуля (1) уменьшается по сравнению с прототипом и аналогами. Это уменьшает ток, проходящий через термоэлектрический модуль, что увеличивает его срок службы и позволяет расширить диапазон температур, получаемых внутри активной зоны устройства.
Проверка эффективности данного технического решения показала, что верхняя граница рабочей температуры может превышать 120°С, в то время как у аналогов - не более 80°С.
Устройство обеспечивает расширение диапазона температур внутри рабочей зоны.