Спосіб та пристрій для регулювання температури

1. Спосіб регулювання і стабілізації температури в парах кріогенної рідини шляхом досягнення в робочій камері кріостата баланса "холод-тепло" за рахунок дозованої подачі кріоагента в робочу камеру і керованого нагрівання самої камери, який відрізняється тим, що подачу кріоагента і нагрів камери здійснюють по нелінійному закону, який відповідає температурній залежності теплоємності матеріалу робочої камери. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що температурна залежність потужності, яку підводять до C2 2 UA 1 3 ва А.И. та ін. "Проточные криостаты для лабораторных исследований", Київ, Наукова думка, 1987р., стор.232]. Недоліки цього способу полягають у великій витраті кріоагента і невисокій точності стабілізації температури, а також необхідності роботи з зовнішнім устаткуванням: відкачний насос, транспортна посудина, переливні сифони. Відомий також спосіб регулювання температури в кріостатах рідинного типу, в якому регулювання температури досліджуваного зразка здійснюється шляхом досягнення в робочій камері балансу холод-тепло за рахунок дозованої подачі кріоагента в робочу камеру і керованого нагрівання самої камери [див. авт. св. СРСР №436334, G05D 23/30]. Цей спосіб більш економічний у витраті кріоагента і має більш високі точністні характеристики, однак у ньому не враховуються теплофізичні властивості матеріала, з якого виготовлена робоча камера кріостата. Регулювання і стабілізація температури повинні бути ефективними, тобто кількість тепла чи холоду, що підводиться до матеріала робочої камери повинно лежати в рамках його сприйнятливості (теплоємності) у даному температурному діапазоні, а це не враховується а зазначеному способі. Таким чином, кількість подаваного тепла чи холоду може бути надлишковою або недостатньою, що приводить до зайвої витрати кріоагента, електроенергії і часу виходу на необхідний рівень стабілізації температури. Задача, розв'язувана винаходом, полягає в створенні більш точного способу регулювання і стабілізації температури, який має економічніші характеристики. Поставлена задача вирішена тим, що в способі регулювання і стабілізації температури в парах кріогенної рідини шляхом досягнення в робочій камері кріостата балансу холод-тепло, за рахунок дозованої подачі кріоагента в робочу камеру і керованого нагрівання самої камери, подачу кріоагента і нагрів камери здійснюють по нелінійному закону, який відповідає температурній залежності теплоємності матеріалу робочої камери, при цьому потужність, що підводиться до нагрівача, є квадратичною в діапазоні температур 4,2 - 200К і лінійною в діапазоні 200 - 300К. Подача кріоагента в камеру і нагрів камери по нелінійному закону, який відповідає температурній залежності теплоємності матеріалу робочої камери, дозволить наблизити пропоновану апроксимовану функцію регулювання до функції Дебая, що підвищить точність регулювання і стабілізації температури, а також зменшить витрати кріоагента й електроенергії. Винахід ілюструється кресленням (Фіг.1), на якому приведена залежність теплоємності міді матеріалу, широко використовуваного при виготовленні теплообмінних камер кріостатів, від температури. При низьких температурах (20 - 70К) теплоємність пропорційна квадрату температури, а при високих температурах (вище 200К) слабко залежить від температури. Пропонований спосіб реалізується пристроєм спеціальної конструкції. Відомий пристрій для регулювання температури: див. авт. св. СРСР № 1315960, МКИ4 G05D 87503 4 23/19. Пристрій містить два виконавчих елементи (нагрівач і електродинамічний клапан), елемент порівняння, аналого-цифровий перетворювач, три регістри, два комутатори, два модулятори, два перемикачі, суматор, три кодоімпульсних перетворювачі і реверсивний лічильник. Однак даний пристрій не дозволяє враховувати теплофізичні характеристики матеріалу, використовуваного для виготовлення теплообмінної камери кріостата і тому не є енергозберігаючим. Найбільш близьким рішенням до того, що пропонується є пристрій для регулювання і стабілізації температури за авт. св. СРСР № 1594504, МКИ5 G05D 23/19. Пристрій містить два виконавчих елементи (нагрівач і електродинамічний клапан), елемент порівняння, аналого-цифровий перетворювач, три регістри, два комутатори, два модулятори, два перемикачі, суматор, три кодо-імпульсних перетворювачі, реверсивний лічильник, блок синхронізації, джерело опорних сигналів, блок компараторів і клапанний регулятор витрати газу. Пристрій працює в такий спосіб. Задатчиком температури встановлюється напруга, що відповідає необхідній температурі і надходить на один із входів елемента порівняння, на другий вхід якого з датчика температури надходить напруга, що відповідає фактичній температурі об'єкта. Вихідна напруга елемента порівняння через підсилювач надходить на вхід аналого-цифрового перетворювача, що перетворить напругу помилки в знакозмінний код. Формування керуючого впливу на нагрівач і електродинамічний клапан відбувається за період, розділений на два цикли - помилки і похідної. У циклі помилки блок синхронізації включає в роботу ланцюжок з послідовно включених комутатора, перетворювача, модулятора, комутатора, реверсивного лічильника. З аналого-цифрового перетворювача код помилки через комутатор надходить на вхід перетворювача який формує часовий інтервал тривалістю, пропорційною значенню коду. Код помилки надходить також у регістр. У модуляторі часовий інтервал заповнюється імпульсами з частотою, що задається перемикачем. Регулювання цієї частоти дозволяє змінювати коефіцієнт передачі по каналу помилки. Одночасно знаковий розряд коду помилки надходить з аналого-цифрового перетворювача на керуючий вхід комутатора. У залежності від значення цього розряду (0 чи 1) комутатор пропускає імпульси з модулятора на підсумовуючий вхід або на вхід реверсивного лічильника, що віднімає. Стан лічильника змінюється на величину, пропорційну коду помилки. У циклі похідної блок синхронізації включає в роботу ланцюжок послідовно включених регістрів суматора, комутатора, перетворювача, модулятора, комутатора, реверсивного лічильника. На входи суматора надходить з одного регістра код поточного значення помилки, а з іншого регістра код попереднього значення помилки. Суматор обчислює різницю (похідну) між поточним значенням коду помилки і попереднім значенням цього коду. Код похідної через комутатор надходить у перетворювач, де перетворюється в часовий інтервал, 5 тривалість якого пропорційна значенню коду похідної. В модуляторі часовий інтервал заповнюється імпульсами з частотою, що задається перемикачем, змінюючи цю частоту, змінюють коефіцієнт передачі по каналу похідної. Знаковий розряд коду похідної із суматора надходить на керуючий вхід комутатора. В залежності від значення цього розряду комутатор пропускає імпульси з модулятора на підсумовуючий вхід або вхід реверсивного лічильника, що віднімає. Стан лічильника змінюється на величину, пропорційну коду похідної. Таким чином, у лічильнику формується код керуючого впливу, що переписується в регістр. Реверсивний лічильник, що працює без обнуління, виконує функцію цифрового інтегратора. В залежності від знака коду керуючого впливу перетворювач виробляє імпульси керування нагріванням чи охолодженням, тривалість яких пропорційна величині коду керуючого впливу. Ці імпульси включають один з виконавчих органів: електронагрівач чи електродинамічний клапан. Одночасно напруга, що відповідає заданій температурі, із задатчика надходить на блок компаратора, на другий вхід якого надходить опорна напруга від джерела опорних сигналів. Величина різницевої напруги керує зміною прохідного перетину клапанного регулятора потоку газу шляхом включення визначеного набору клапанів, тобто регулює газовий потік по амплітуді. Регулятор потока газу послідовно з'єднаний з електродинамічним клапаном, що здійснює широтну модуляцію. Однак пристрій не враховує теплофізичні характеристики матеріала, використовуваного для виготовлення теплообмінної камери кріостата і тому не є енергозберігаючим. Задача, розв'язувана винаходом полягає в створенні пристрою для регулювання температури в якому врахована теплоємність матеріала, з якого виготовлена теплообмінна камера кріостата. Поставлена задача вирішена тим, що пристрій для регулювання температури, що містить датчик і задатчик температури, аналогово-цифровий перетворювач, елемент порівняння, перший, другий і третій регістри, перший і другий комутатори, перший і другий модулятори, суматор, перший і другий кодо-імпульсний перетворювач, блок синхронізації, електронагрівач і клапан, - задатчик температури, елемент порівняння, суматор, перший комутатор, перший і другий регістри, блок синхронізації, перший і другий кодо-імпульсний перетворювачі, виконані у виді мікропроцесора, а пристрій додатково містить підсилювачперемножувач, з'єднаний із широтно-імпульсним модулятором, включені в послідовний ланцюг з датчика температури, аналого-цифрового перетворювача, комутатора і клапана між комутатором іклапаном, і підсилювач потужності, включений між комутатором і нагрівачем. Виконання задатчика температури, елемента порівняння, суматора, першого комутатора, першого і другого регістра, блоку синхронізації, першого і другого кодоімпульсного перетворювача у вигляді мікропроцесора і додаткове включення підсилювача-перемножувача із широтно 87503 6 імпульсним модулятором у послідовний ланцюг з датчика температури, аналого-цифрового перетворювача, комутатора і клапана, між комутатором і нагрівачем, а також підсилювача потужності між комутатором і нагрівачем, дозволить керування охолодженням здійснювати імпульсами з квадратичною залежністю їхньої тривалості від керуючої напруги, а нагріванням - квадратичною з температурою величиною, що підводиться до нагрівача потужності (максимально можливий струм через нагрівам лінійний з температурою, яка задається,), що оптимізує процес нагрівання й охолодження камери термостатування кріостата і зменшує витрати основного кріоагента (гелія). Винахід ілюструється кресленнями, на яких на Фіг.2 представлена узагальнена характеристика регулювання температури в камері термостатування кріостата, а на Фіг.3 - структурна схема пристрою. Пристрій див. Фіг.3 містить мікропроцесор 1, цифро-аналоговий і аналого- цифровий перетворювач 2, датчик температури 3, комутатор 4, підсилювач-перемножувач 5, магнітоелектричний клапан 6, широтно-імпульсний модулятор 7, підсилювач потужності 8, нагрівач 9, датчик тиску 10, підсилювачі 1, випарник 12. Пристрій працює в такий спосіб. Мікропроцесор 1 забезпечує синхронну роботу всіх складених вузлів пристрою. Тактова частота роботи мікропроцесора обрана, виходячи з необхідної продуктивності і точної відповідності стандартній сітці частот асинхронного послідовного зв'язку. Цикл програмного алгоритму -10Гц. З датчика температури 3 надходить напруга, що відповідає фактичній температурі TR і подається па вхід АЦП 2, де перетворюється в код U(TR). Завдання необхідної температури виробляється набором значення клавіатури або від мікропроцесора або від зовнішньої ЕОМ. По програмі і табличним даним датчика температури, що зберігаються в ЕППЗП, мікропроцесор робить у кожному циклі операції: - перерахування коду U(TR) у код фактичної температури TR - обчислення різниці між кодами заданої TS і фактичної TR температур, DT= TS-TR - обчислення швидкості зміни фактичної температури, dT/dt=DT/Dt; - зміна кода суматора мікропроцесора відповідно до кодів DT и dT; - видача кодів для керування виконавчими пристроями. Цифро-аналоговий перетворювач 2 виробляє сигнали, які через комутатор 4 надходять на вхід підсилювача - перемножувача 5 і підсилювача потужності 6. Підсилювач-перемножувач 5 містить перемножник каналової вхідної напруги Uвих=(Uвх)2 з наступним його перетворенням у широтно-імпульсному модуляторі 7 в імпульси регульованої тривалості, що керують роботою клапана 8. Підсилювач потужності 6 виробляє сигнал керування нагрівачами 9. Мікропроцесор 1 відповідно до програмного алгоритма у визначений час записує в регістри цифро-аналового перетворювача 2 коди суматора. Для формування сиг 7 налу керуючого роботою нагрівача записувався код К×ni, при цьому вихідна напруга ЦАПа буде U1=UREF×К×ni/ n0 де UREF - опорна напруга ЦАП/АЦП; коефіцієнт К залежить від заданої температури, так що 0