Прецизионный двухконтурный термостат
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
Внешний кожух служит для уменьшения воздействия окружающей среды на термостатируемый объект.
Рис. 2.1. Структурная схема установки
2.2 Принципиальная электрическая схема
Принципиальная схема установки состоит из измерительно-регулировочного и силового блоков. Схема представлена на рис. 2.2.
Схема силовой части состоит из двух одинаковых мощных операционных усилителей LM765 фирмы National Semiconductors, включенных по схеме дифференциального усилителя. Они служат для усиления выходного напряжения цифроаналоговых преобразователей: ADuC845 и 16-разрядного DAC8550. Выходные сигналы с силовой части подключены к термоэлектрическим модулям Пельтье. Благодаря тому, на один из входов каждого усилителя подается напряжение 2,5 В, можно изменять направления тока лишь управляя уровнем выходного напряжения ЦАП. Это обеспечивает и нагрев и охлаждение камер термостата.
Авторегулирования термостата осуществляется микроконвертером ADuC845. Выбор обоснован тем, что в составе ADuC845 имеется 24-х разрядный и 16-ти разрядный сигма-дельта-АЦП, один 10-разрядный ЦАП. Частота работы позволяет использовать микроконвертер в качестве цифрового ПИД-регулятора.
В качестве источника опорного напряжения в 2,5 В используется специализированная микросхема ISL21007 фирмы Intersil, выход которой подключен к микроконвертеру, предусилителю, источникам тока, силовой части, внешнему 31-разрядному АЦП ADS1281 фирмы Texas Instruments. ИОН на 5 В, микросхема x60003 фирмы Intersil, подключена к ЦАП DAC8550. ИОН на 3,3 В, микросхема TLV1117 фирмы Texas Instruments , подключена к АЦП ADS1281. Через платиновые терморезисторы, используемые в качестве датчиков температуры, протекают токи от двух источниках тока, выполненных на основе микросхем AD8531 и LM375, представляющих собой операционные усилители. Токозадающий резистор подобран так, чтобы ток через него был равен 1мА. Микросхема AD620 служит предусилителем для усиления напряжения, падающего либо на эталонном 50-омном терморезисторе R2, либо на платиновом терморезисторе R1. Для переключения между R1 и R2, а также для переключения между R3 и выходом предусилителя используется система коммутации, выполненная на четырех сдвоенных аналоговых ключах ADG821 фирмы Analog Devices.. Аналоговый ключ ISL84780 используется для коммутации тока через терморезисторы для учета действия термо-ЭДС. Все ключи управляются ADuC845 и оптически развязаны с ним с помощью оптопар pc3h7 фирмы SHARP. Микроконвертер ADuC845 служит одновременно и блоком авторегулирования (цифровой ПИД-регулятор) и блоком управления. Тактирование ADS1281 происходит с помощью тактового генератора CGS3311M.
В зависимости от измеренного значения температуры происходит подстройка напряжения ЦА-преобразователей. Для питания всей измерительно-регулировочной части используются аккумуляторные батареи, а для питания силовой части - аккумуляторы.
Для связи с компьютером используется интерфейс UART. В настоящее время на материнских платах персональных настольных компьютеров все реже устанавливается разъем последовательного порта, на ноутбуках данные разъемы вообще практически не встречаются. Поэтому более предпочтительным вариантом является интерфейс USB. В некоторых моделях современных контроллеров встречается аппаратная реализация указанного интерфейса, но данные контроллеры либо очень дороги, либо сложны в смысле программирования. Поскольку обмен с компьютером информацией происходит достаточно медленно, то можно использовать микросхему мост USB-UART, который позволяет использовать современный интерфейс USB, но протоколом обмена информацией при этом является протокол UART. Для исключения наводок от цепей питания компьютера используется гальваническая развязка.
Рис. 2.2. Принципиальная электрическая схема
2.3 Описание термостатируемого блока
Рассмотрим блок термостата. На рис 2.3 представлен чертеж термостатируемого блока. Термостат изолирован от внешней окружающей среды кожухом 1 и теплоизоляцией 2, которая уменьшает энергопотребление и совместно с теплоёмкостью изотермической камеры 3 образует тепловой фильтр, который сводит к минимуму амплитуду колебаний температуры внешней среды при передаче их к статируемому объекту 6. Компенсация тепловых потерь камеры 4 осуществляется термоэлектрическим модулем Пельтье 11. Отвод тепла с другой стороны модуля происходит через дно камеры 3. Датчик температуры 12 располагается на стенке цилиндра 3 и имеет с ней хороший тепловой контакт с камерой 4. Датчик температуры 13 располагается на стенке цилиндра 5, рядом располагается плата измерительного моста, с которым соединён датчик 13.
Внутренняя камера является термостатируемым объектом, находящимся в камере 4. Изотермическая камера 5 представляет собой массивный алюминиевый блок в виде цилиндра с толщиной стенок 6 мм, что обеспечивает уменьшение влияния внешней среды на объект термостатирования. Для камеры 6 внешней средой уже является камера термостата 4, в которой поддерживается необходимая температура. Датчик 14 вмонтирован в стенку имеет маленькие размеры и хороший тепловой контакт с камерой 6. Термоэлектрический модуль Пельтье 10 компенсирует тепловые потери камеры 6 термостата, при взаимодействии с камерой 4. Все выводы от нагревателей и датчиков выведены через отверстия.
Блок термостата имеет разборную конструкцию, что позволяет внутрь камеры 6 поместить исследуемый объект, а также даёт возможность поместить теплоизоляцию между камерами (при необходимости) для сглаживания быстрых колебаний или отдельных в?/p>