5.2 Усилительно-преобразующие и регулирующие устройства.

Усилительно-преобразующие и регулирующие устройства (УПУ и РУ) служат для усиления и преобразования регули­рующего сигнала и для управления силой тока, протекающей через исполнительный элемент регулируемого объекта, а так­же для реверсирования тока в СЭТ с температурой статиро вания внутри заданного температурного диапазона.

Рис. 3: а) схема пропорционального регулятора; Ь) схема с ре­лейным регулятором (1 - датчик температуры, 2 - усилитель, 3 - релейный элемент, 4 - нагреватель).

УПУ и РУ могут быть выполнены на полупроводниковых приборах, транзисторных и интегральных усилителях, на ре­лейных и других устройствах.

Система с пропорциональным регулятором. В про­стейшем случае изменение мощности обогрева пропорцио­нальна изменению температуры датчика. Для того, чтобы по­лучить такую зависимость, датчик включается в цепь дели­теля как показано на рис. За . В качестве исполнительного элемента здесь используется транзистор.

Схема позволяет поддерживать уровень номинальной тем­пературы объёма +30°С - +50°С с точностью ±0.5ºС в зави­симости от температуры окружающей среды. Уровень номи­нальной температуры устанавливается с помощью перемен­ного резистора R₃

Система с релейным регулятором. Применение релей­ного элемента для управления мощностью подогрева позво­ляет повысить коэффициент полезного действия регулятора. В схеме релейного регулятора (рис. ЗЬ) между усилителем и нагревательным элементом включён элемент с гистерезисной релейной характеристикой.

Процесс изменения температуры датчика во времени при релейном регулировании носит колебательный характер.

5.3 Исполнительные элементы.

Спиральный нагреватель (СН).

Статической характеристикой спирального нагревателя называется зависимость изменения выходной величины (из­менение теплового потока) от входной величины (изменение тока).

Теплопроизводительность СН в соответствии с законом Джоуля-Ленца равна Q_T = 0.24 I²₀ Rн , где Rн - сопроти­вление нагревателя.

Дадим приращение току и разложим в ряд квадратичную зависимость. Ограничиваясь первым приближением, получим окончательно Δ Q_T = 0.48 I₀ RнΔI .

Статическая характеристика спирального нагревателя есть прямая, проходящая через начало координат при зна­чениях Q_T0 (I₀) (рис. 4) под углом, тангенс которого равен 0.48 U₀ , т.к. tg а = 0.48 I₀ R_H = 0.48 U₀ .

Транзисторный нагреватель. Удельная поверхностная мощность транзисторного нагревателя должна быть меньше или, в крайнем случае, равна максимальной удельной поверх­ностной мощности Wth ≤ Wh.max

Рис. 4: Статическая характеристика спирального и транзи­сторного нагревателей

Статической характеристикой транзисторного нагревате­ля является зависимость изменения выходной величины (из­менение теплового потока) от входной величины (изменение тока базы).

Воспользуемся законом Джоуля-Ленца и будем рассма­тривать изменение теплового потока за 1сек., тогда

Подставим в 4 значение I_к =(I₆ β)/(10^3), где β - статический коэффициент передачи тока транзистора, являющегося на­гревателем; I₆ - ток базы транзистора [mА].

Получим Q_T = О.24U_k I₆₀ β

Затем дадим приращение току базы и окончательно полу­чим Δ Q_T = О.24U_k β ΔI₆

Статическая характеристика транзисторного нагревателя также есть прямая линия, проходящая через начало координат (рис. 4) под углом, тангенс которого равен tg a = 0.24U_Kβ.

Полупроводниковая термобатарея. Важнейшим для применения термоэлектричества фактом является существо­вание полупроводников с противоположными зарядами носи­телей тока, т.е. n-полупроводников и р-полупроводников.

При нагреве одного конца полупроводникового стержня и охлаждении второго конца в р-полупроводниках возникает электрическое поле, направленное от горячего конца к холод­ному, а в n-полупроводниках, наоборот - поле направлено от холодного конца к горячему. Таким образом, становится ясно, что если замкнутая электрическая цепь термоэлемента соста­влена из полупроводников с одинаковым (электронным или дырочным) механизмом проводимости, то создаваемая разно­стью температур ЭДС в обеих ветвях термоэлемента напра­влены одинаково, а в сумме действуют противоположно и, следовательно, термо-ЭДС равна их разности:

з десь α₁ и α₂ - коэффициенты термо-ЭДО ветвей по отноше­нию к эталонному материалу, у которого коэффициент а при­нят за ноль. Если же термоэлектрическая цепь составлена из электронного и дырочного полупроводников, то термо-ЭДС их складывается:

Рассмотрим термоэлемент (рис. 5) составленный из дыроч­ного (р) и электронного (n) полупроводниковых стержней со­единённых металлическим мостиком М.

Через термоэлемент течёт ток от постороннего источника. Согласно явлению Пельтье спаи, соединённые мостиком, бу­дут нагреваться, а противоположные концы - охлаждаться.

Рис. 5: Полупроводниковый термоэлемент

Т_г - температура горячих спаев, T_х - температура холодных спаев. Термо-ЭДС обеих ветвей α = α₁ + α₂ ■ Термоэлемент поглощает мощность

где It - ток через термобатарею, и выделяет на горячем спае

Мощность, выделяемая в элементе джоулевой теплоты

где гэ - активное сопротивление термоэлемента. Половина джоулевой теплоты переходит к горячему спаю, остальное - к холодному. Мощность, переходящая от горячего спая к холодному путём теплопроводности:

где К_о - общая теплопроводность.

Кроме того, необходимо учесть затраты мощности для ком­пенсации разности потенциалов между горячим и холодным спаями:

Коэффициент энергетической эффективности или холо­дильный коэффициент выражается отношением мощности, поглощаемой холодным спаем, к мощности, подводимой элек­трическим током:

Термоэлектрическая батарея, охлаждая одни спаи, повы­шает температуру других и, следовательно, может служить нагревательным устройством. В отличии от прямого подогре­ва джоулевой теплотой, в термоэлементе электроэнергия слу­жит средством для переноса части тепловой энергии от холод­ных спаев к горячим.

Отличие расчета подогревающего устройства от охлажда­ющего сводится к тому, что в то время как половина джоулевой теплоты, переходя к холодным спаям, снижает его холо­дильный коэффициент, здесь эта теплота добавляется к те­плоте, переносимой от холодных спаев.

Коэффициент энергетической эффективности, называе­мый в данном случае отопительным коэффициентом, запи­шется:

Рис 6: Статистическая характеристика термобатареи

Работа термобатареи может быть охарактеризована с по­мощью, так называемой, статической характеристики, которая отражает зависимость изменения теплового потока от из­менения тока через батарею. Полупроводниковая термобата­рея имеет две статические характеристики для двух различ­ных режимов. Одна для режима холодопроизводительности, а другая для режима теплопроизводительности. Холодопро-изводительность термобатареи:

Дадим приращение току и разложим в ряд нелинейные за­висимости. Ограничиваясь первым приближением, получим:

Аналогично можно получить для режима теплопроизводи­тельности

Статическая характеристика термобатареи как в режиме теплопроизводителыюсти, так и в режиме холодопроизводи-тельности есть прямая линия, проходящая через начало ко­ординат при значениях Q_ХП0 , Q_rП) , I_Tδ0 (рис. 6) под соответ­ствующими углами:

Рис. 7: Блок-схема установки.