ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАКТ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОНТРОЛЛЕРА ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ

Область техники
Полезная модель относится к электронике, в частности, к конструкциям температурных контроллеров (терморегуляторов) для управления работой термоэлектрических модулей, и может быть использована для тестирования состояния и работоспособности термоэлектрических модулей.
Предлагаемая полезная модель может быть использована в конструкциях, содержащих термоэлектрические модули (ТЭМ) в качестве элементов охлаждения или нагрева, предназначенные для охлаждения, нагрева и термостабилизации разнообразных устройств.
Предшествующий уровень техники
Термоэлектрический модуль является высоконадежным устройством со значительным сроком службы (десятки лет). Благодаря своей высокой надежности и длительного срока службы используется во многих ответственных и дорогих применениях, где исключается частое обслуживание. Диагностирование работоспособности ТЭМ важно для выявления деградационных процессов и оценки возможности отказов его работы на ранних стадиях. Причем во многих применениях изменение параметров термоэлектрического модуля уже на несколько процентов в процессе эксплуатации, является серьезным сигналом об ухудшении его работоспособности, например, в применениях для оптоэлектроники [Generic Reliability Assurance Requirements for Optoelectronic Devices Used in Telecommunications Equipment. Telcordia Technologies Generic Requirements GR-468-CORE. Issue 2, September 2004. 186 P].
Известно, что сравнение начальных и последующих значений измеренных параметров, которые запоминаются в памяти температурного контроллера, позволяют отслеживать работоспособность ТЭМ и диагностировать неблагоприятные причины, нарушающие работоспособность [RU, C2, №2285980].
Известны устройства однокристальных интегрированных контроллеров термоэлектрического модуля МАХ1978 и МАХ1979 [http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/3527].
Известные конструкции температурных контроллеров термоэлектрических модулей обеспечивают двуполярное управление (обеспечивают два направления управляющего тока, для режимов охлаждения и нагрева) термоэлектрическим модулем. Реализуют алгоритмы регулирования типа П (пропорциональный), ПИ (пропорционально интегральный), ПД (пропорционально дифференциальный), ПИД (пропорционально интегральный дифференциальный) и другие управляющие алгоритмы. Контроллеры снабжены алгоритмами автоматической настройки параметров выбранного закона регулирования. Имеют ряд функций слежения за работоспособностью цепи (контроль тока или напряжения), функции ограничения предельных значений (температуры, параметров электрического питания) и другие управляющие функции.
Наиболее близким функционально к предлагаемому устройству термоэлектрического контроллера являются устройство температурного контроллера термоэлектрического модуля Series 800 Thermoelectric Cooler Controller [http://www.zionscientific.com/series800.html].
Недостатком вышеперечисленных известных температурных контроллеров термоэлектрического модуля является то, что они не имеют функции диагностики работоспособности самого объекта регулирования - термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единственным диагностическим способом является мониторинг тока и напряжения в цепи питания термоэлектрического модуля только в процессе его работы, что может быть использовано для оценки исключительно текущей работоспособности ТЭМ: обрывы в цепи питания - повреждение термоэлектрического модуля, резкие изменения тока или напряжения питания - процесс выхода из строя. Известные конструкции температурных контроллеров не позволяют проводить раннюю диагностику ТЭМ.
В процессе проведения патентного поиска не были выявлены существенные признаки заявленного измерительного тракта температурного контроллера для термоэлектрического модуля, поэтому предложенное устройство удовлетворяет критерию «новизна». Заявленное устройство может быть использовано как уже в известных конструкциях температурных контроллеров путем их дополнения описанным ниже измерительным трактом, так и в новых разработках.
Раскрытие полезной модели
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание конструкции температурного контроллера, позволяющей повысить качество тестирования, а также проводить диагностику работоспособности управляемого термоэлектрического модуля с возможностью выявления на ранних стадиях характера возможных отказов и их причин.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности подачи тестовых сигналов на ТЭМ за счет использования управляемых ключей. Кроме этого, использование полезной модели направлено на увеличение количества критериев тестирования, характеризующих работоспособность ТЭМ, а также - обеспечение обнаружения отказов и их причин на ранних стадиях вне процесса эксплуатации самого ТЭМ, а также между эксплуатационных промежутков.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата измерительный тракт температурного контроллера для термоэлектрического модуля, содержащий источник постоянного тока, измерительную цепь, выполненную двухпроводной, первый, второй, третий, четвертый управляемые ключи, коммутируемые на включение-выключение температурным контроллером, при этом первый и второй управляемый ключ служат для подсоединения к источнику постоянного тока, предназначенного для подачи тестового сигнала, а третий и четвертый ключ выполнены заземленными, служащими для подачи тестового сигнала с возможностью коммутации третьего управляемого ключа к первому управляемому ключу, а четвертого управляемого ключа - ко второму управляемому ключу, один из проводов измерительной цепи подсоединен между первым и третьим управляемым ключом, а второй из проводов - между вторым и четвертым управляемым ключом, при этом провода измерительной цепи предназначены для подсоединения к термоэлектрическому модулю и передачи данных измерений на температурный контроллер.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- для измерения температуры термоэлектрического модуля первый, второй, третий, четвертый управляемые ключи были выключены;
- для измерения сопротивления термоэлектрического модуля первый и четвертый управляемые ключи были включены, а второй и третий управляемые ключи были выключены, а затем второй и третий управляемые ключи были включены, а первый и четвертый управляемые ключи были выключены с обеспечением возможности задания частоты попарной коммутации упомянутых управляемых ключей;
- для измерения термоэлектрической добротности и постоянной времени термоэлектрического модуля сначала первый и четвертый управляемые ключи включены, а второй и третий управляемые ключи выключены, затем для измерения термоэлектрической добротности и постоянной времени термоэлектрического модуля второй и третий управляемые ключи включены, а первый и четвертый управляемые ключи выключены для усреднения данных температурным контроллером.
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигается путем введения в контроллер аппаратного измерительного тракта и обеспечения возможности измерения ключевых параметров ТЭМ - сопротивления на переменном токе, термоэлектрической добротности и константы времени.
Измерения могут проводиться до и после цикла работы ТЭМ, а также в течение специально заданной паузы во время эксплуатации.
Указанные преимущества полезной модели, а так же ее особенности поясняются с помощью лучшего варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Краткий перечень чертежей
Фиг.1 изображает функциональную схему заявленного измерительного тракта;
Фиг.2 - то же, что фиг.1, при формировании напряжения положительной полярности(условно);
Фиг.3 - то же, что фиг.1, при формировании напряжения отрицательной полярности(условно);
Фиг.4 - изменение стационарного напряжения на термоэлектрическом модуле при прохождении постоянного тока;
Фиг.5 - изменение константы времени.
Лучший вариант выполнения полезной модели
Измерительный тракт температурного контроллера для термоэлектрического модуля (фиг.1) содержит источник 1 постоянного тока, измерительную цепь 2, выполненную двухпроводной из проводов 3 и 4. Первый, второй, третий, четвертый управляемые ключи 5, 6, 7, 8, служащие для подачи тестового сигнала, выполнены коммутируемыми на включение-выключение температурным контроллером. Первый и второй управляемый ключ 5, 6 служат для подсоединения к источнику 1, соответственно, и предназначены для подачи тестового сигнала, а третий и четвертый ключ 7, 8 выполнены заземленными с возможностью коммутации третьего управляемого ключа 7 к первому управляемому ключу 5, а четвертого управляемого ключа 8 - ко второму управляемому ключу 6. Один из проводов 3 измерительной цепи 2 подсоединен между первым управляемым ключом 5 и третьим управляемым ключом 7, а второй из проводов 4 - между вторым управляемым ключом 6 и четвертым управляемым ключом 8. Провода 3 и 4 измерительной цепи 2 предназначены для подсоединения к термоэлектрическому модулю (ТЭМ) и передачи данных измерений на температурный контроллер.
На фиг.1-3 также обозначены: К1…К4 - управляемые ключи 5…8; У1, У2 - сигналы управления управляемыми ключами 5, 6, 7, 8; I - источник 1 постоянного тока; ТЭМ - термоэлектрический модуль; U - падение напряжения на термоэлектрическом модуле для передачи на температурный контроллер.
Для измерения температуры термоэлектрического модуля первый, второй, третий, четвертый управляемые ключи 5, 6, 7, 8 выключены (фиг.1).
Для измерения сопротивления термоэлектрического модуля первый и четвертый управляемые ключи 5 и 8 включены, а второй и третий управляемые ключи 6 и 7 выключены (фиг.2). Затем второй и третий управляемые ключи 6 и 7 включены, а первый и четвертый управляемые ключи 5 и 8 выключены (фиг.3). Сигналами управления У1 и У2 осуществляется попарная коммутация упомянутых управляемых ключей 5, 8 и 6, 7 с заданной частотой.
Для измерения термоэлектрической добротности и постоянной времени термоэлектрического модуля сначала первый и четвертый управляемые ключи 5 и 8 включены, а второй и третий управляемые ключи 6, 7 выключены (фиг.2). Затем для измерения термоэлектрической добротности и постоянной времени термоэлектрического модуля второй и третий управляемые ключи 6 и 7 включены, а первый и четвертый управляемые ключи 5 и 8 выключены для усреднения данных термоэлектрической добротности и постоянной времени температурным контроллером.
Работает устройство следующим образом (фиг.1-3).
Заявленный измерительный тракт позволяет управлять посредством управляющих сигналов У1 и У 2 от микропроцессора контроллера управляемыми ключами 5-8 (электронными, К1-К4), которые обеспечивают формирование заданной полярности измерительного тока (от источника 1 постоянного тока I) подаваемого на ТЭМ. Напряжение на ТЭМ, преобразованное АЦП, измеряет микропроцессор контроллера.
На схеме (фиг.1) управляющие сигналы У1, У2 на управляемые ключи 5, 6, 7, 8 (К1…К4) отсутствуют и термоэлектрический модуль отключен от источника 1 постоянного тока I.
На фиг.2, 3 показано, как при попарной (К1К4 и К2К3) коммутации 4-х ключей данной схемы осуществляется формирование напряжения положительной и отрицательной полярности на ТЭМ.
В одном (фиг.2) случае включены первый и четвертый управляемые ключи 5, 8 (К1 и К4) и выключены второй и третий управляемые ключи 6, 7 (К2 и К3) и полярность напряжения на ТЭМ как показана на фиг.2 - "плюс" справа. В другом (фиг.3) меняется состояние управляющих сигналов - выключены первый и четвертый управляющие ключи 5, 8 (К1 и К4) и включены второй и третий управляемые ключи 6, 7 (К2 и К3) - "плюс" слева.
При попарной коммутации указанных ключей с заданной частотой во времени подается переменный ток на термоэлектрический модуль, что необходимо для измерения сопротивления при диагностике ТЭМ.
Диагностика термоэлектрического модуля с помощью данного измерительного тракта осуществляют следующим образом.
До начала эксплуатации термоэлектрического модуля, в специальном промежутке между его включениями, или в конце рабочего цикла температурный контроллер осуществляет алгоритм диагностики параметров термоэлектрического модуля, измеряя по нижеописанной методике ключевые параметры работоспособности термоэлектрического модуля.
Измерение температуры
Управляющие сигналы на ключи К1…К4 от микропроцессора контроллера отсутствуют и термоэлектрический модуль отключен от источника тока I (фиг.1).
а
С помощью датчика температуры, входящего в состав температурного контроллера (ТК), измеряется температура холодной стороны термоэлектрического модуля или объекта прикрепленного к холодной стороне термоэлектрического модуля в зависимости от конструкции управляемого термоэлектрического модуля с объектом охлаждения/термостабилизации. Так как данные измерения производятся в состоянии выключенного термоэлектрического модуля, то это температура окружающей среды Т.
Измерение сопротивления R термоэлектрического модуля
Истинным сопротивлением термоэлектрического модуля является сопротивление, измеренное на переменном токе. Для его создания периодически с заданной частотой коммутации осуществляют попарное включение-отключение первого и четвертого управляемых ключей 5 и 8 (К1К4) и второго и третьего управляемого ключа 6 и 7 (К2К3) в соответствии с фиг.2 и 3.
R
Сопротивление R определяют посредством измерения омического напряжения U на термоэлектрическом модуле в отсутствие термо-ЭДС и сколько-нибудь существенного перегрева термоэлектрического модуля. Для этого посредством попарной коммутации указанными управляемыми ключами 5-8 с заданной частотой на термоэлектрический модуль подается переменный по направлению ток I' малой амплитуды (~30 мА) заданной источником 1 постоянного тока (I). Типичная частота полученного переменного тока - 1 кГц.
Микропроцессором контроллера сопротивление рассчитывается как
Полученное таким образом сопротивление (сопротивление на переменном токе) запоминается в памяти температурного контроллера.
На этапе измерения R можно диагностировать разрыв в электрической цепи ТЭМ - разрушение модуля. Помимо этого отклонение величины сопротивления R от начальных значений в процессе эксплуатации может свидетельствовать о деградации термоэлектрического модуля. Если не обнаружено разрыва в электрической цепи, то осуществляют переход к следующему этапу измерений.
Измерение термоэлектрической добротности Z
z
max
z
max
На термоэлектрический модуль подают измерительный постоянный электрический ток I малой величины одной из возможных полярностей (фиг.2), такой, чтобы установившаяся разность температур на модуле была незначительна (~2-4 градусов Цельсия). Для этого ток устанавливается источником 1 постоянного тока измерительного тракта (фиг.2) значительно меньшим паспортного значения максимального тока I термоэлектрического модуля. Например, величина тока задается на уровне I=0,1-5% I.
Контроллер измеряет величину напряжения на термоэлектрическом модуле, когда оно достигнет постоянного уровня (фиг.5).
Данное стационарное напряжение U является суммой двух величин.
Σ
R
z
где U - величина измеренного стационарное значения напряжения; Uα - термо-ЭДС термоэлектрического модуля, возникающее вследствие эффекта Зеебека; U - омическое падение напряжение, которое определяется величиной проходящего тока I и сопротивлением термоэлектрического модуля R ранее измеренным.
α
На данном этапе рассчитывается значение термо-ЭДС U
И искомая термоэлектрическая добротность Z рассчитывается микропроцессором температурного контроллера по формуле
Для увеличения точности измерения термоэлектрическая добротность измеряется при подаче на термоэлектрический модуль обоих полярностей измерительного тока (фиг.2, 3).
-
+
Если обозначить результаты измерений соответственно как Z и Z, то более точное значение микропроцессор контроллера рассчитывает как среднюю величину обоих измеренных значений:
Измерение константы времени τ
α
После достижения постоянного уровня падения напряжения (фиг.4) при прохождении через ТЭМ измерительного тока одной из заданной полярностей (фиг.2) и измерения добротности Z, измерительный ток автоматически отключается, при этом измерительный тракт соответствует положению фиг.1, и контроллер измеряет время, за которое падение напряжения на ТЭМ уменьшится до величины 0.37 от измеренного ранее значения U (фиг.5).
Это время является константой времени т термоэлектрического модуля. Для увеличения точности, так же как в случае определения термоэлектрической добротности (4), величина константы времени измеряется при прохождении измерительного тока обоих полярностей.
-
+
Если обозначить результаты измерений соответственно как τ и τ, то более точное значение микропроцессор контроллера рассчитывает как среднюю величину данных измеренных значений
Диагностика работоспособности термоэлектрического модуля
Измеренные с помощью заявленного измерительного тракта три параметра R, Z, τ в комбинации характеризуют работоспособность ТЭМ в сравнении с ранее измеренными значениями, или с измеренными перед первоначальной эксплуатацией ТЭМ. Диагностическая матрица дефектов ТЭМ приведена в таблице 1.
Таблица 1.
Дефект
R
Z
τ
1) Разрушение ТЭМ
∞
-
-
2) Деградация ТЭМ в процессе эксплуатации
Т
↓
↑ или ↓
3) Наличие дефекта монтажа ТЭМ в корпусе прибора
~const
↑
↓*
4) Наличие дефекта монтажа объекта охлаждения на ТЭМ
~const
~const
↓
5) Нарушение вакуумной среды (если вакуумная среда) охлаждения
~const
↓
↓
* - при полном отрыве от корпуса ~ становится в два раза меньше начального значения
Примечание: Стрелка вверх или вниз в таблице 1 означает увеличение или уменьшение параметра, соответственно.
Реализация в термоэлектрическом контроллере алгоритма диагностики по трем критериям (R, Z, τ) позволяет, как фиксировать работоспособность термоэлектрического модуля, так и определять причины, вызывающие ухудшение работоспособности и надежности термоэлектрических охлаждающих конструкций.
Таким образом, в отличие от мониторинга тока и напряжения в цепи питания термоэлектрического модуля, как это обычно осуществляют известные контроллеры, за счет создания заявленной, достаточно простой конструкции измерительного тракта температурного контроллера, содержащего источник постоянного тока (может входить в состав действующих конструкций температурных контроллеров) и измерительной цепи с четырьмя управляемыми ключами удается увеличить критерии (параметры) тестирования, а также обеспечить обнаружение отказов и их причин ТЭМ на ранних стадиях вне процесса эксплуатации самого ТЭМ, а также в межэксплуатационных промежутках. Кроме того, заявленный измерительный тракт позволяет выявить негодные изделия на стадии их изготовления и сдачи в эксплуатацию.
Промышленная применимость
Наиболее успешно заявленный измерительный тракт температурного контроллера для термоэлектрического модуля может быть использован в конструкциях, содержащих термоэлектрические модули (ТЭМ) в качестве элементов охлаждения или нагрева, предназначенные для охлаждения, нагрева и термостабилизации разнообразных устройств.