АВТОМАТИЧЕСКИЙ ТЕРМОРЕГУЛЯТОР ПОВЫШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

Б. Коренное, В. Савинов, Радио №11/1965, ст.26

В настоящее время нашей про­мышленностью выпускаются по­лупроводниковые терморегуля­торы типа ПТР-2. Эти регуляторы предназначены для автоматического поддержания температуры в холо­дильных установках, устройствах кондиционированного воздуха, в хи­мической промышленности для под­держания определенной температу­ры в газах, жидкостях и т. п.

Диапазон регулируемых темпера­тур от —30° до 4-50° С, но точность срабатывания этого терморегулято­ра составляет 0,5° С.

В то же время для соблюдения технологического процесса часто тре­буется поддерживать температуру с точностью до 0,1° С и выше. Выпу­скаемые для этой цели электронные потенциометры и мосты являются сложными и дорогими устройствами, и поэтому их применение не всегда экономически целесообразно.

В самом простейшем случае авто­матическая регулировка темпера­турного режима производится путем периодического включения нагрева­тельного (или охлаждающего) уст­ройства. Точность такого способа регулирования зависит прежде всего от чувствительности термодатчика и всего устройства. Кроме того, на точность регулирования темпе­ратуры воздействует тепловая инер­ция нагревательного или охлаждаю­щего элементов, а также всей сис­темы.

В большинстве случаев при регу­лировании температуры указанным выше способом чувствительность ре­гулятора должна быть в 2—5 раз выше, чем необходимая точность поддержания температуры для всего устройства в целом. Если, например, требуется поддерживать температу­ру с точностью ±0,1° С, то чувстви­тельность срабатывания самого регу­лятора должна быть 0,05° и выше.

Описанные в статье Ю. Пухлика автоматические регуляторы темпе­ратуры («Радио», 1963, № 11) тер­морегуляторы имеют уже большую чувствительность срабатывания по температуре (0,1—0,2° С для одного терморегулятора, 0,05—0,07° С для другого терморегулятора), но всё ещё недостаточную для поддержания тем­пературы с необходимой точностью в некоторых процессах.

Разработанный и изготовленный нами терморегулятор имеет повы­шенную чувствительность срабатыва­ния по температуре, которая при использовании термистора типа КМТ-10 составляет 0,003° С.

Мостовой терморегулятор повы­шенной чувствительности, схема ко­торого приведена на рисунке, отли­чается простотой, экономичностью и большой чувствительностью.

Схема терморегулятора состоит из неуравновешенного моста, в диаго­наль которого включён микроампер­метр типа М91А, фотосопротивления ФС-К1, усилителя постоянного тока на лампе 6Н8С и исполнительного реле типа РКМ, включенного на выходе усилителя постоянного тока.

Повышенная чувствительность тер­морегулятора получена благодаря применению в качестве нулевого ин­дикатора микроамперметра типа М91А после незначительной пере­делки. Можно использовать и дру­гие микроампёрметры со световым отсчётом, например М95, М194, М198, М1200 и т. д., имеющиеся на многих предприятиях.

Переделка микроамперметра за­ключается в следующем. Снимается шкала прибора и на её место уста­навливается фотосопротивление типа ФС-К1, как одно из наиболее чув­ствительных, причем центр фотосоп­ротивления совмещается с нулевой отметкой шкалы, находящейся в центре ее. Фотосопротивление уста­навливается таким образом, чтобы вдоль движения луча света находи­лась узкая полоса его для получе­ния большей чувствительности уст­ройства.

Подвижная система микроампер­метра ограничивается в движении для того, чтобы луч света не прохо­дил мимо фотосэп ротивления, а ос­тавался на нем при наступлении баланса моста.

Для того чтобы дневной свет не по­падал на фотосопротивление, стекло прибора заменяется непрозрачным материалом (эбонит,текстолит и т. п.).

Датчиком температуры служит термосопротивление R_T, включенное в плечо неуравновешенного моста, состоящего из сопротивлений R₁, R₂, Rз и R₄. Мост питается от элемента постоянного тока типа ЗС-Л-ЗО.

При изменении температуры внут­ри регулируемого устройства сопро­тивление термистора изменяется, ба­ланс моста нарушается и напряже­ние разбаланса поступает на микро­амперметр М91А, имеющий свето­вой отсчет посредством луча света, отражённого от зеркальца, укреп­лённого на подвижной части изме­рительного механизма, и обладающий чувствительностью 1,5-10^-8 на одно деление шкалы при сопротив­лении рамки R_p=3,6 ком.

Термосопротивление R_T выбрано типа КМТ-10, имеющее наиболее вы­сокий температурный коэффициент, равный 4,8% на 1° С. Холодное соп­ротивление термистора, то есть его сопротивление при температуре 4-20° С, желательно выбирать воз­можно большего номинала. Все эле­менты моста рассчитываются, исхо­дя из сопротивления термистора в за­данном диапазоне температур при условии выполнения оптимального режима симметричной мостовой цепи. При правильно рассчитанных элементах моста схема не требует дополнительной регулировки.

Наиболее важным моментом в на­лаживании терморегулятора яв­ляется его градуировка, которая сводится к разметке в долях граду­сов Цельсия шкалы переменного сопротивления R₄. Для наибольшей точности градуировки, а также для большего удобства пользования шка­лой при установке температуры же­лательно весь рабочий диапазон тем­ператур разбить на две или несколько частей, подключая к переменному соп­ротивлению одно или несколько до­полнительных постоянных сопро­тивлений, что может обеспечить лю­бую заданную точность градуировки и провести градуировку отдельно для каждой части диапазона темпе­ратур. Градуировка терморегулятора про­изводится при помощи термостата, в который помещается термосопро­тивление. Контроль градуировки производится спиртовым термомет­ром, имеющим малую постоянную времени по сравнению с ртутными термометрами. Точность градуиров­ки терморегулятора зависит от точ­ности градуировки контрольного термометра.

Установка заданной температуры производится сопротивлением моста R₄ в рассчитанном диапазоне тем­ператур. При достижении заданной температуры в измерительном уст­ройстве наступает баланс моста, фо­тосопротивление освещается свето­вым лучом, который вызывает фото­ток в фотосопротивлении. Этот фо­тоток усиливается усилителем по­стоянного тока, собранном на лампе 6Н8С. В нашем случае взят лампо­вый усилитель постоянного тока, как имеющий наибольшее практиче­ское применение и обладающий ста­бильными характеристиками, кото­рые обеспечивают чёткую работу реле в самых жёстких эксплуатацион­ных условиях.

Фототок создаёт на сопротивлении падение напряжения, которое уменьшает отрицательное смещение на сетке лампы и отпирает лампу. Сопротивление выбирается та­ким, чтобы при заданной величине фототока через лампу протекал анод­ный ток, обеспечивающий надежное срабатывание реле типа РКМ, на­ходящегося в анодной цепи лампы. Отрицательное напряжение на сет­ке лампы, необходимое для запира­ния лампы во время отсутствия фо­тотока, создаётся за счёт катодного смещения. Для обеспечения стабиль­ного срабатывания реле РКМ во время отсутствия фототока смеще­ние на сетке лампы рассчитывается из условия:

Это напряжение подбирается пере­менным катодным сопротивлением R6 величиной 10 ком.

При наступлении разбаланса мо­ста световой луч отклоняется, фото­сопротивление затемняется, умень­шается фототок и лампа запирается. Контакты реле РКМ замыкаются и подают команду на включение ис­полнительного двигателя. Силовой трансформатор Тр соб­ран на сердечнике из пластин тран­сформаторной стали УШ-15, тол­щина набора 20 мм. Первичная об­мотка содержит 4400 витков провода ПЭЛ 0,12, с отводом от 3400 витка для питания анода лампы 6Н8С; вторичная обмотка имеет 120 витков провода ПЭЛ 0,41 и служит для пи­тания накала лампы.

В выпрямителе используются дио­ды типа Д7Ж. Фильтр выпрямителя состоит из сопротивления R₈ (2 ком на 2 вт) и двух электролитических конденсаторов C1 и С₂. Выпрями­тель имеет стабилизатор напряже­ния типа СГ4С, позволяющий нормально работать терморегулято­ру при колебании сетевого напряже­ния в пределах 160—240 в. Сопро­тивление R7—4,3 ком на 2 вт.

Реле — телефонное, типа РКМ с сопротивлением обмотки 5 ком, ток срабатывания 11,5 ма.

Описанный терморегулятор дли­тельное время применялся в Алданс­кой научно-исследовательской мерз­лотной станции Института мерзло­товедения Сибирского отделения АН СССР для поддержания посто­янной температуры с большой точ­ностью при проведении опытов по измерению электрических свойств образцов горных пород в диапазоне температур от —10 до -± 10°С. Вели­чины сопротивлений, рассчитанных для данного диапазона температур при использовании термистора КМТ-10 с холодным сопротивлением 6,8 ком, приведены на схеме. Все постоянные сопротивления типа МЛТ-1 имели ТКС= ±0,0007%, а переменные сопротивления R₄ и R₆ типа СП имели ТКС= ±0,002% . Ме­тодика измерений требовала длитель­ного поддержания температуры в из­мерительной камере. За время че­тырехчасового сеанса работы термо­регулятора отклонения температуры в камере не превышали±0,05 с, соот­ветствующие минимальному делению измерительного термометра.

Определение чувствительности тер­морегулятора проводилось путем за­мены термосопротивления КМТ-10 магазином сопротивления типа КМС-6 и подбора его сопротивления, соответствующего балансу моста.

Затем, медленно изменяя сопротив­ление магазина, фиксировали момент разбаланса моста, соответствующий срабатыванию реле. Проведенные неоднократно измерения .показали, что среднее значение разбаланса моста равно 1 ому, при сопротивлении магазина в пределах от 8 до12 ком, что соответствует изменению сопро­тивления термистора в заданном ин­тервале температур. Такая чувстви­тельность моста соответствует чув­ствительности терморегулятора по­рядка 0,003°С. Терморегулятор может быть ши­роко применен на многих предприя­тиях, связанных с термообработкой различных материалов или с холо­дильными установками. Он может быть также использован в термоста­тах, при нагреве пресспорошка, при изготовлении пластмасс, окра­ске и т. п., когда необходима повы­шенная точность поддержания тем­пературы