Термоелектричний термостат

Реферат: UA 102669 U UA 102669 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області термостатуючої техніки для температурних випробувань і досліджень у фізиці, хімії, біології, медицині, для випробувань електронних та електромеханічних виробів в діапазоні температур від мінус 60 до плюс 200 °C. Для випробувань в зазначеному діапазоні температур широко застосовуються відкриті і закриті термостати на термоелектричних модулях (ТЕМ), заснованих на ефекті Пельтьє. Це обумовлено тим, що ТЕМ малогабаритні; дозволяють проводити нагрівання та охолодження досліджуваного об'єкта простим реверсом струму; ступінь нагрівання або охолодження визначається величиною струму через ТЕМ; автоматичне електронне регулювання дозволяє створювати дуже високі градієнти температур або підтримувати стаціонарні задані температури з високою точністю і стабільністю у всьому робочому діапазоні. Звідси виникають вимоги до термоелектричних термостатів, які повинні бути простими і надійними, автоматично забезпечувати однакову похибку стабілізації заданої температури у всьому робочому діапазоні. Відомі термоелектричні установки для виробництва тепла або холоду, які знайшли широке застосування для промислових і побутових цілей (наприклад, патенти РФ: № 2140365, В60Н3/00, F25B29/00, 1999 р.; № 2174475, B61D27/00, В60Н3/00, H01L35/28, 2001 р.; № 2176191 В60Н3/00, 2001 р.; № 2407954, F24F5/00, F25B21/02, В60Н3/00, 2010 і т.д.). Перераховані пристрої містять батареї з термоелектричних модулів, гарячі пластини яких знаходяться в тепловому контакті із зовнішніми тепловідведення, а холодні пластини через теплопровідник контактують з охолоджуваним середовищем. Перехід від охолодження до нагрівання здійснюється зміною полярності напруги, що живить модуль, а ступінь охолодження або нагрівання може регулюватися зміною величини цієї напруги. Основний недолік цих пристроїв полягає в тому, що вони не можуть бути використані для температурних випробувань з наступних причин: - відсутність датчиків і вимірювачів температури термостата; - відсутність системи управління потужністю термоелектричних модулів для підтримки заданої стабільної температури. Відомо пристрій для управління температурою об'єкта, взятий за прототип, (Корисна модель "Пристрій для управління температурою об'єкта" UA № 87108, G05D23/00, бюл. № 2 від 27.01.2014 г.), що містить батарею термоелектричних модулів Пельтьє, поверхні яких знаходяться в тепловому контакті з активним і пасивним теплообмінниками, блок живлення, датчик температури, підключений до вимірювача-регулятора температури, блок управління термоелектричними модулями за допомогою підсилювача потужності з біполярною вихідною напругою. Крім цього, пристрій містить другий блок управління з електронно керованим джерелом тепла. Недоліки цього пристрою полягають в наступному: - лінійний режим управління струмом термоелектричних модулів, що веде до великого виділення тепла в підсилювачах потужності з біполярною вихідною напругою; - конструктивна складність системи управління для досягнення збільшення робочого діапазону температур; - не однакова у всьому робочому діапазоні похибка підтримки заданої температури термостата при температурах навколишнього середовища через початок роботи другого контуру управління. В основу корисної моделі поставлена задача спрощення конструкції термоелектричного термостата, усунення перерахованих недоліків властивих аналогам і прототипу. Поставлена задача досягається тим, що термоелектричний термостат, який містить термоелектричний модуль, поверхні якого знаходяться в тепловому контакті з активним і пасивним теплообмінниками, блок живлення, датчик температури, розташований в тепловому контакті з активним теплообмінником і підключений до входу вимірювача-регулятора температури, відрізняється тим, що додатково містить Н-міст, в діагональ якого включений термоелектричний модуль, драйвер, виходи якого підключені до Н-мосту, а як вимірювачрегулятор температури використовується цифровий терморегулятор, широтно-імпульсномодульований (ШІМ) вихід якого підключений до керуючого входу драйвера. У запропонованій корисній моделі спрощена конструкція термоелектричого термостата за рахунок використання серійного цифрового терморегулятора, який дозволяє підключати на вхід датчики зі стандартизованими характеристиками, дозволяє відображати на цифровому табло задану і вимірювану температуру, задавати потрібні ПІД-закони регулювання температури, керуючий ШІМ-вихід терморегулятора через драйвер безпосередньо управляє Н-мостом, до якого підключений ТЕМ. Низькочастотне ключове управління Н-мостом дозволяє поліпшити його тепловий режим роботи, дозволяє працювати з ТЕМ у широкому, до 1кВт, діапазоні їх потужностей. 1 UA 102669 U 5 10 15 20 25 30 На Фіг. 1 зображена блок-схема термоелектричного термостата. На Фіг. 2 зображені діаграми, що пояснюють принцип роботи термоелектричного термостата. Термоелектричний термостат, блок-схема якого зображена на Фіг. 1, складається з серійного цифрового терморегулятора (1), ШІМ-вихід якого підключений до драйвера (2), а виходи драйвера (2) підключені до Н-моста (3), однополярного блоку живлення (4), підключеного до Н-мосту (3), термоелектричного модуля (5), який включений в діагональ Нмоста (3), активний теплообмінник (6), встановлений на активній поверхні модуля (5), датчик температури (7), що знаходиться в тепловому контакті з активним теплообмінником (6) і підключений до входу терморегулятора (1), пасивний теплообмінник (8), встановлений на пасивній поверхні модуля (5). На Фіг. 2 зображені діаграма керуючого ШІМ-виходу (а) терморегулятора (1), діаграма напруги (в) на термоелектричні модулі (5), діаграма температури (с) активного теплообмінника (6). Термостат працює таким чином. Досліджуваний об'єкт встановлюють в хорошому тепловому контакті з активним теплообмінником (6) поряд з датчиком температури (7). На цифровому регуляторі температури (1) задають необхідну температуру в межах робочих значень. Терморегулятор (1) порівнює задану і фактичну температуру від датчика (7) і формує керуючий ШІМ-сигнал (Фіг. 2а), який через драйвер (2) управляє Н-мостом (3). Н-міст імпульсно змінює знак напруги на модулі (5) відповідно до ШІМ-сигналу. При позитивній напрузі на модулі (5) активний теплообмінник (6) нагрівається, а при негативному - охолоджується (Фіг. 2в). Активним теплообмінником (6) температура інтегрується за період ШІМа і встановлюється її середнє значення, наприклад, нижче нуля (Фіг. 2с). Пасивний теплообмінник (8) скидає зайве тепло в навколишнє середовище. Експериментальні дослідження термоелектричного термостата, що являє собою термостіл в установці для визначення коефіцієнта теплопровідності, зібраного на базі серійно вироблюваного НВП "Термоприлад-3", м. Львів, терморегулятора РЕ-202 з дискретністю відліку температури 0,01 °C, для датчика температури Pt100 показали стабільність підтримки температури ±0,02 °C в діапазоні температур від мінус 20 °C до плюс 99 °C, включаючи температури навколишнього середовища. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Термоелектричний термостат, що містить термоелектричний модуль, поверхні якого знаходяться в тепловому контакті з активним і пасивним теплообмінниками, блок живлення, датчик температури, розташований в тепловому контакті з активним теплообмінником і підключений до входу вимірювача-регулятора температури, який відрізняється тим, що додатково містить Н-міст, в діагональ якого включений термоелектричний модуль, драйвер, виходи якого підключені до Н-мосту, а як вимірювач-регулятор температури використовується цифровий терморегулятор, широтно-імпульсно-модульований вихід якого підключений до керуючого входу драйвера. 2 UA 102669 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3