РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ
TEMPERATURE REGULATOR

Изобретение относится к области автоматического регулирования температуры и может быть использовано в системе терморегулирования космических аппаратов.
Известен регулятор температуры, содержащий термочувствительный мост, фазочувствительный усилитель, генератор опорного напряжения, релейные элементы, контакты которых включены в цепях температурного моста и исполнительного устройства (авт. свид. СССР №771632).
Однако этот регулятор недостаточно надежен и точен из-за наличия в нем электромеханических элементов, которые, как известно, имеют ограниченный ресурс и плавающее переходное сопротивление контактов (в этом регуляторе контакты реле включены в цепях температурного моста последовательно с образцовыми резисторами).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому, при использовании его элементов сигнализации для двухпозиционного регулирования температуры, является регулятор температуры, содержащий задатчик, первый, второй и третий компараторы, элемент сигнализации, последовательно соединенные регулирующий и исполнительный элементы и последовательно соединенные датчик и усилитель, последовательно соединенные стабилизатор тока, первый и второй задающие резисторы, причем второй вывод второго задающего резистора соединен с первым входом второго компаратора и первым выводом задатчика, второй вывод соединен с общей шиной источника питания, выход стабилизатора тока связан с первым входом первого компаратора, а первый вывод второго задающего резистора подключен к первому входу третьего компаратора, выход которого соединен со входом регулирующего элемента, второй вход третьего компаратора связан с выходом усилителя и вторыми входами первого и второго компараторов, выходы которых подключены ко входам элемента сравнения (авт. свид. СССР № 898393), который выбран в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются недостаточно высокая точность из-за отсутствия компенсации длины кабеля к термодатчику, влияния напряжений смещения нуля усилителя и компараторов, а также низкая помехоустойчивость, т.к. усилитель помимо сигнала с термодатчика усиливает еще и помехи, которые поступают на входы компараторов и могут вызывать их сбои.
Цель изобретения - повышение точности и помехоустойчивости.
Поставленная цель достигается тем, что в регулятор температуры, содержащий датчик температуры (ДТ), генератор стабильного тока (ГСТ), задающий резистор нижней границы температурного диапазона (Rн), задающий резистор верхней границы температурного диапазона (Rв), исполнительное устройство, операционный усилитель (ОУ), введены четыре группы электронных ключей (ЭК) по три ключа в каждой группе, запоминающий конденсатор, интегратор, инвертор, дополнительный инвертор, первый D-триггер, второй D-триггер, первый и второй резисторы, формирователь одиночного импульса по подаче питания, управляющее устройство, все входы ЭК первой группы объединены и подключены к ГСТ, выход первого ЭК первой группы ЭК соединен со входом первого ЭК второй группы ЭК и с ДТ, выход второго ЭК первой группы ЭК соединен со входом второго ЭК второй группы ЭК и с Rн, выход третьего ЭК первой группы ЭК соединен со входом третьего ЭК второй группы ЭК и с Rв, выходы ЭК второй объединены и подключены к неинвертирующему входу ОУ, инвертирующий вход которого через запоминающий конденсатор подключен к общей шине и входу первого ЭК третьей группы ЭК, выходы ЭК третьей группы ЭК объединены и подключены к выходу ОУ, входы второго и третьего ЭК третьей группы ЭК объединены и подключены к интегратору и входу первого ЭК четвертой группы ЭК, выход интегратора подключен к первому инвертору, выход которого подключен к входу D первого D-триггера и через дополнительный инвертор к входу D второго D-триггера, входы S первого и второго D-триггеров объединены и подключены к формирователю импульса по подаче питания, выходы ЭК четвертой группы ЭК объединены и подключены к общей шине, вход второго ЭК четвертой группы ЭК через первый резистор подключен к плюсовой шине питания и к входу С второго D-триггера, а вход третьего ЭК четвертой группы ЭК через второй резистор подключен к плюсовой шине питания и входу С первого D-триггера, выход управляющего устройства подключен ко входам управления всех четырех групп ЭК, инверсные выходы D-триггеров подключены к исполнительному устройству.
На фиг.1 изображена функциональная схема регулятора температуры; на фиг.2 - диаграмма работы устройства.
Двухпозиционный терморегулятор содержит: формирователь одиночного импульса по подаче питания 1, выход которого подключен к установочным входам S двухступенчатых D-триггеров 2 и 3, инверсные выходы которых подключены к исполнительному устройству 4; управляющее устройство 5, которое последовательно выдает сигналы на замыкание ЭК А (первых), В (вторых), С (третьих) и т.д. в четырех группах микросхемы 6-9 (на фиг.1, для наглядности, ключи изображены как контакты реле); генератор стабильного тока 10, который через ключи 6 (первая группа ЭК) может подключаться либо к датчику температуры (ДТ) 11, либо к задающему резистору 12 нижней границы температурного диапазона Тн, либо к задающему резистору 13 верхней границы температурного диапазона Тв; операционный усилитель (ОУ) 14, неинвертирующий вход которого через ключи 7 (вторая группа ЭК) может подключаться либо к ДТ 11, либо к резисторам 12, 13; инвертирующий вход ОУ 14 через конденсатор 15 соединен с общей шиной и через ЭК ключ 8А - с выходом ОУ 14, который в свою очередь через ЭК ключи 8В, 8С (ЭК 8 - ключи третьей группы) соединен с входом интегратора 16 и через ЭК ключ 9А (ЭК 9 - ключи четвертой группы) - с общей шиной; выход интегратора 16 соединен с входом инвертора 17, выход которого непосредственно соединен с информационным входом D триггера 3 и через инвертор 18 - с входом D триггера 2, вход С триггера 3 через ключ 9С соединен с общей шиной и через резистор 19 - с плюсовой шиной питания 20 цифровых микросхем устройства; вход С триггера 2 через ключ 9 В соединен с общей шиной и через резистор 21 с шиной 20.
Перед описанием работы устройства напомним, как работает D-триггер (см. стр.49, табл.19 на стр.50 в ОСТ 11340.907-80). Установка триггера по входам R и S принудительная, поэтому сигналы входа синхронизации С и информационного входа D не изменяют состояние триггера во время действия сигналов R и S. Запись информации в триггер происходит при наличии на входе С напряжения "лог.0", а изменение состояния на выходе происходит по переднему фронту импульса на входе С, при этом на прямом выходе триггера будет такой логический уровень, какой был на D-входе при записи информации в триггер.
Устройство работает следующим образом.
При подаче питания на устройство формирователь 1 выдает импульс, который поступает на входы S триггеров 2 и 3 и устанавливает их в единичное состояние. Управляющее устройство 5 выдает сигнал на замыкание ключей А микросхем 6-9. Ток генератора 10, проходя через ключ 6А и ДТ 11, создает на нем падение напряжения, которое через ключ 7А поступает на неинвертирующий вход ОУ 14, а так как ключ 8А замкнут - ОУ 14 работает в режиме повторителя напряжения с высоким входным сопротивлением, падение напряжения на ключе 7А пренебрежимо мало и ОУ 14 заряжает "запоминающий" конденсатор 15 до напряжения на ДТ 11 с высокой точностью.
При замкнутых ключах А ключи В, С разомкнуты и на входах С триггеров 2, 3 - "лог.1", поэтому информация о логических уровнях на входах D триггеров 2, 3 не записывается в их первую ступень.
Далее ключи А размыкаются, а ключи В замыкаются, при этом ОУ 14 из режима повторителя переходит в режим компаратора и происходит сравнение двух напряжений - на конденсаторе 15 и резисторе 12. В начальный момент времени t=0 (см. фиг.2) температура Т меньше нижней границы Тн, сопротивление на ДТ 11 меньше резистора 12, и поэтому на неинвертирующем входе ОУ 14 напряжение будет больше, чем на инвертирующем входе ОУ 14, и на выходе ОУ 14 и входе интегратора 16 будет положительное напряжение, на выходе инвертора 17 - "лог.1", a на выходе инвертора 18 "лог.0", который поступает на вход D триггера 2 и запоминается в его первой ступени, т.к. на его входе С - "лог.0".
Далее ключи В размыкаются, а ключи С замыкаются. Триггер 2 переключается положительным перепадом, поступающим на его вход С от шины 20 через резистор 21, и на его инверсном выходе появляется "лог.1", которая поступает на исполнительное устройство 4, изменяющее контур регулирования температуры на ее повышение.
При замыкании ключей С происходит сравнение напряжений на ДТ 11 и резисторе 13. На вход D триггера 3 поступает "лог.1" и запоминается в нем. При размыкании ключей С и замыкании ключей А подтверждается исходное состояние триггера 3.
1
При повышении в момент времени t=t температуры Т≥Тн, "лог.1" на инверсном выходе триггера 2 меняется на "лог.0".
2
При дальнейшем повышении температуры Т выше Тв на мизерную величину ΔT создаются условия для переключения триггера 3, он переключится в момент времени t=t и выдаст сигнал в исполнительное устройство 4 на изменение контура регулирования температуры на ее понижение.
3
Температура Т начнет понижаться. При снижении ее ниже Тв в момент времени t=t "лог.1" на инверсном выходе триггера 3 сменится на "лог.0".
4
При дальнейшем понижении температуры Т<(Тн - ΔT) в момент времени t=t вновь переключится триггер 2, выдаст сигнал в исполнительное устройство на изменение контура регулирования температуры на ее повышение и т.д.
Величина ΔT при большом коэффициенте усиления ОУ 14 может быть очень небольшой, порядка 0,1°С.
Точность предлагаемого устройства выше за счет того, что использована трехпроводная схема запитки ДТ 11; исключено влияние напряжения смещения нуля ОУ 14, т.к. один и тот же ОУ 14 сравнивает напряжения на ДТ 11 и Rн 12, Rв 13; значительно ослаблено влияние помех за счет введения интегратора 16.
Было изготовлено 30 опытных устройств, все они отличались хорошей повторяемостью и точностью срабатывания в точках Тн, Тв не хуже 0,1°С. Опытные образцы устройства были собраны на микросхемах 1127КН3, 140УД20А, 544УД2А, 1526ТМ2, задающих резисторах - С2-29 В.
Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.