книги из ГПНТБ / Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет

4.5.2.Термостатирование

Основным способом температурной стабилизации часто­ ты кварцевых генераторов является термостатирование. Термостат — это устройство, позволяющее сохранить по­ стоянство температуры в замкнутом объеме с определенной степенью точности ее поддержания. Известны две основные системы термостатирования.

1.Термостатирование с использованием естественного терморегулятора (Земля, тепловой демпфер).

2.Термостатирование с использованием технических способов управления температурой.

Точность поддержания температуры в термостате, его габариты и экономичность определяются следующими фак­ торами:

1) чувствительностью системы управления	темпера­
турой;

2)качеством материала теплоизолятора и мощностью нагревателя и охлаждающего элемента;

3)условиями внешней среды;

4)величиной термостатируемого объема;

5)заданным перепадом температур в термостатирован­ ном объеме (точностью стабилизации температуры).

Несмотря на постоянное улучшение качества кварцевых резонаторов, трудности при проектировании термостатов растут, так как расширяется диапазон изменения темпе­ ратуры, повышаются требования к стабильности частоты генераторов, к габаритам и экономичности термостатов.

Термостат в самом общем виде представляет собой уст­ ройство, в которое входят: камера, заключающая термостатируемый объем; система регулирования с датчиком темпе­ ратуры; исполнительный орган; теплоизолирующая оболоч­ ка; защитный корпус; источник питания. В различных тер­ мостатах те или иные элементы могут отсутствовать или со­ вмещаться.

В зависимости		от точности	стабилизации		температуры
термостаты	можно	разделить	на грубые	(А7ю — единицы
градусов),	точные	(АТ° = 0,1+0,01° С)		и	прецизионные

( А Г = 0,01+0,001° С и меньше)..

Естественное термостатирование основано на балансе тепловой энергии Земли и демпфирующих свойствах ее поверхностного слоя.

Изменение температуры поверхности Земли при углуб­ лении в нее (/) уменьшается по экспоненциальному закону:

ДТЛ-л = АТПов е ^ ,

где АТпов] — амплитуда колебаний температуры на поверх­ ности Земли; В — коэффициент затухания тепловой волньь определяемый теплопроводностью почвы.

Для условий средней европейской территории СССР 6

имеет величину порядка	0,5—0,8. При 6 =		0,6	амплитуда
колебаний температуры	уменьшается	в 10 раз на каждые
4 метра углубления. Если скважина		имеет	глубину 24 м,
то при годовых колебаниях температуры 60° С				изменение
температуры составит 6 • 10~8° С. Практически				темпера­

тура поддерживается с меньшей точностью. В правильно выполненной скважине точность поддержания температуры за месяц достигает величины 1 • 10 _ 4 °C .

Пассивный термостат — это хорошо теплоизолированная от окружающей среды камера, обладающая большой тепло­ емкостью и теплопроводностью стенок. Термостатирование происходит за счет теплоемкости камеры. Время термостатирования т с заданной точностью ДГ° при хорошем качестве теплоизолятора может быть определено из выражения

	С У Д Г У Г
	т о*	—,
	Р
где С — удельная теплоемкость		материала	камеры;		V —
объем, занимаемый материалом камеры; к — удельная					теп­
лопроводность материала камеры;		Р — мощность,		выделя­
емая термостатируемой схемой.
Например, медная камера объемом 1 дцм8			при мощности,
рассеиваемой схемой, Р — 50 мВт обеспечивает				точность
стабилизации ДТ° =	0,0 Г С в течение 7 мин.
Исключительная	простота, высокая надежность			и отсут­
ствие источника питания в некоторых случаях			делают такой

термостат незаменимым. К недостаткам его относятся: малое время точного удержания температуры и неопределенность ее абсолютного значения в момент включения автогенера­ тора.

Нагревательный термостат. Температура в термоста­

тируемой объеме	нагревательного термостата (радиатора)
Гр ° всегда выше	температуры окружающей среды 7 с м а к с :

Г; = (5 - Ы0)°С + ГсмакО,

В качестве нагревательного элемента используется высокоомная проволока или нагревательные пленки из двухлористого олова.

Цикличность нагрева внутренней камеры термостата, обусловленная работой системы управления температурой, оказывает вредное влияние на термостатируемый объект и обычно тепловые волны демпфируют теплоизолятором. Для снижения перепада температуры в рабочем объеме и осу­ ществления электрической экранировки кварцевого авто­ генератора стенки внутренней камеры изготавливают из хорошо теплопроводящего металла (алюминий, медь).

Внешний кожух также выпол­ няют из металла, часто из магнитопроводящего. В ка­ честве теплоизолятора при­ меняют стекловолокно, пено­ пласт, сосуды Дьюара.

Нагревательные термоста­ ты могут быть как двухсту­ пенчатыми, так и одноступен­ чатыми.

Холодильно-нагреватель- ные термостаты позволяют устанавливать температуру в рабочем объеме, равную сред­ ней температуре внешней среды. Теплоносители такого термостата могут работать как на нагревание, так и на охлаждение.

Рис 4.35. Схема термоэле­ мента батареи:

/—медь с изолятором; 2— припой; 3— полупроводник (стержень тер­ моэлемента); 4—изолятор.

В качестве теплоносителя применяют полупроводнико­ вые холодильно-нагревательные термобатареи, основанные на эффекте Пельтье. Полупроводниковые элементы батареи (рис. 4.35), имеющие дырочную и электронную проводи­ мость, связаны в батарею медными шинами. При прохож­ дении тока / через батарею одна из противоположных ее плоскостей будет нагреваться (Т), а другая охлаждаться (Г0 ). Эффект нагревания и охлаждения плоскостей батареи меняется на противоположный, если изменить направление тока.

Термобатарея эффективно работает тогда, когда с внеш­ ней стороны осуществляется хороший отвод тепла. С эт*й целью к внешней плоскости батареи присоединяется теплоотвод — радиатор. Холодильно-нагревательные термо­ статы могут быть как двухступенчатые, так и одноступен­ чатые.

пряжение питания на нагревательную спираль через реле. По мере нагревания вещества в сосуде 3 сильфон опускает­ ся и, когда температура рабочего вещества достигает точки его плавления, с помощью реле отключается напряжение питания нагревательной спирали (5 на рис. 4.37). На­ грев прекращается и вещество начинает затвердевать. После нескольких циклов работы этой системы во внутрен­ ней камере термостата устанавливается темпера­ тура, близкая к темпера­ туре плавления дифенила.

В этом термостате веще-

Рис.	4.37.	Схема	устройства
дисренильного термостата:
/ — датчик		температуры,		2 — кор
пус;	3—сильфон;		4 — л еплоноси
гель;	5—проволочный			нагрева­
тель;	6 — рабочая		камера; 7 —
внутренний		корпус,	8 — теплоизо
		лятор

ство одновременно выполняет функции термочувствитель­ ного датчика и теплоносителя. Нагревательный элемент обеспечивает во внешней камере температуру выше темпе­ ратуры окружающей среды. Термостаты такого типа мало­ габаритны, сравнительно просты в эксплуатации и эконо­ мичны. Точность поддержания температуры зависит от «чистоты» рабочего вещества и лежит в пределах 0,01— 0,005° С.

4.5.3. Рекомендации для инженерного расчета термостатов

Проектирование термостатов с использованием техни­ ческих способов управления температурой состоит из че­ тырех этапов.

1. Теплотехнический расчет термостата в стационарном режиме.

2.Расчет оптимальных параметров термостатов.

3.Расчет регулятора.

4. Снятие экспериментальных временных характеристик термостата.

Основной задачей расчета термостатов является опреде­ ление точности поддержания температуры статирования и времени готовности термостата. Стоимость и сложность конструкции термостата резко возрастают с повышением этих требований.

Теплотехнический расчет камер и теплоизоляции термо­ статов изложен в [33—35].

Определение

параметров

основывается

на

теплотехни­

ческом

расчете

термостата,

определяющем

энергетиче­

ские

соотношения.

Система

регулирования в

термостате может быть выпол­

нена

(независимо

от

испол­

нительного

органа) работаю­

щей

в позиционном

режиме

(включено — выключено) или

Рис. 4.38.

Мостовая

схема

в режиме

плавного

регули­

рования. Из-за наличия инер­

датчика

с исключением

стати­

ционных

звеньев

в

системе

ческой

ошибки

регулиро­

вания.

регулирования для

повыше­

ния

устойчивости

следует

вводить корректирующие звенья. Для

исключения

стати­

ческой

ошибки

термостатирования

удобно

ввести

регули­

рование

по сигналам

ошибки

и возмущения.

Если в статической системе в качестве датчика темпера­ туры предусмотрен мост (рис. 4.38), то перейти к регулиро­ ванию по двум сигналам (ошибки и возмущения) можно, добавив в одно термочувствительное плечо сопротивление /?!, реагирующее на изменение температуры окружающей среды (конструктивно оно размещается в объеме верхнего кожуха термостата). Температурная чувствительность Яг должна быть примерно в я = АТЬ/АТ°Т раз меньше, чем чув­ ствительность каждого сопротивления R, где АТ°с — пере­ пад температуры окружающей среды; АТ°Т — точность под­ держания температуры в термостате.

Рассчитать систему регулирования и ее каскады можно, воспользовавшись работами [21, 37, 38].

В заключение приведем уточненную методику расчета термобатарей, используемых в качестве исполнительного органа в холодильно-нагревательных термостатах [39J.

254

Наиболее тяжелый режим работы термобатарей и радиа­ тора—режим охлаждения при максимальной заданной тем­ пературе среды ГсмаксЕсли термобатареи обеспечивают этот режим работы, то остальные режимы почти всегда обес­ печиваются автоматически. Поэтому расчет ведут, исходя из условия обеспечения режима охлаждения.

1. Зная максимальную температуру среды 7с М акс и тем­ пературу в рабочем объеме термостата Тк ° и задаваясь пере­ падом температур между средой и радиатором Д Т С , опре­ деляют перепад температур, который должны обеспечить термобатареи, т. е.

Д7, 0 = Г с М а к с + АТс + А 7 , : - Г ^

(4.18)

где АТИ° — перепад температур на электроизоляционных прокладках, изолирующих спаи от радиатора и камеры; обычно берут АТШ = 1,4°; величину АТЬ рекомендуем вы­ бирать в пределах 3—10°.

Малым значением ATQ задаются в случае необходимости ОбеСПеЧИТЬ бОЛЬШОЙ Перепад Температур Между 7с макс и Гк ° (при этом размеры радиатора получаются большими). Большое значение АТс выбирают в случае жестких требо­ ваний к габаритным размерам и сравнительно малом пере­

паде Температур М е Ж Д у	Т°С макс и	Тк°.	термоба­
2. Определяют температуру		холодного спая
тареи
П	=Т°к—Т°и/2.		(4.19)

Отметим, что (4.19) справедливо при равенстве температур внутренней стенки камеры и среды, заполняющей камеру, что получается, если стенки камеры выполнены из материа­ ла с хорошей теплопроводностью и высокой степенью чер­ ноты.

3. Определяют тепловую нагрузку термобатарей Qu т. е. необходимую холодопроизводительность по известным формулам из теплотехники [33—35]. Она зависит от качества теплоизолятора и размеров камеры термостата. При расчете Qi разность температур определяют из выражения (4.18), полагая, что Т°и = 0.

При определении Qt можно считать, что вся камера, в том числе и места контактов термобатарей, закрыта теплоизолятором. Это возможно, поскольку площадь каркаса термобатареи примерно во столько же раз меньше площади самой термобатареи, во сколько раз теплопроводность кар-

каса больше теплопроводности теплоизолятора. Поэтому замена теплоизолятора термобатарей в месте ее приложе­ ния практически не изменит тепловой нагрузки термобата­ реи.

4. Для определения высоты стержней термоэлементов / при заданном к. п. д. (и, > 0,2) термобатареи, задавшись несколькими значениями ее /, необходимо найти для них параметры а, уа и Y:

с = 8Х

(4.20)

Т ° :

2 < 1 - а )

где X — средняя теплопроводность термоэлемента; е — термо-э. д. с. термоэлемента; р — среднее удельное сопро­ тивление термоэлемента; k — коэффициент, учитывающий сопротивление спаев перемычек;

2S

W--

— энергия, потребляемая от источника питания; Q0 — холодопроизводительность термоэлемента; 5 — средняя площадь стержней термоэлемента; п — число термоэле­ ментов в батарее. Затем нужно построить график у0 = = /(/). По графику выбирают значение /, удовлетворяющее заданному п..

5.Если величина ц не задана, то / выбирают в пределах

2—4 см. Из уравнений (4.20) определяют у0 и х\ термоба­ тарей.

6.Задаются максимальным рабочим током /. Пр^этом верхнее значение тока ограничивается током источника питания, а нижнее определяется механической прочностью

термобатарей, так как с уменьшением величины тока не­ обходимо уменьшать сечение стержней термоэлементов.

256

Сечение стержней не следует выбирать меньше 3 x 3 ммг. Компромиссным оказывается значение тока 1—3 А.

7. Задавшись током, определяют число термоэлементов

	п = Qx у0/еТ°01.
8. Определяют	сечение стержней
2/ ( р / +	" М
	у„—\ — У (уо—\)"—ауо

9.Определяют сопротивление термобатареи:

10.Рассчитывают площадь термобатареи

S0 « 2,5nS.

При необходимости получения максимальной холодопроизводительности от термобатареи необходимо величину тока определить согласно выражению

! = еТЦ2(р	— +	—
0	\ S	Sk

Если величина тока задана, то максимальную холодопроизводительность термобатареи можно получить при сечении стержней, определяемом выражением

S = 2/(p/ + l/£)/er0 \

Отметим, что в последних случаях к. п. д. термобатарей срав­ нительно мал.

Если температура камеры Тк соответствует середине за­ данного диапазона температур окружающей среды, то оп­ тимальный ток в режиме нагревания оказывается примерно равным току охлаждения. При необходимости в режиме нагревания обеспечить перепад температур больший, чем в режиме охлаждения, величину тока термобатареи для нагревания рассчитывают как

/

/

і

2 Т

Р * -

где Q = Qj/n — тепловая	нагрузка на термоэлемент		при
работе на нагревание; АТ\	— Тк + Ти—АТСр—ТсР	М и п	~*

разность температур между холодным и горячим спаями; АГср — имеет значение 3—5° (при замкнутой конструкции радиатора его температура в режиме нагревания выше тем­ пературы среды).

Для расчета радиатора необходимо знать мощность тер­ мобатареи, которая рассеивается на радиаторе. Определяет­ ся она по формуле

( i , - n ( < r i + l - L ( , + ± ) - 2 x i T - .

где Т — температура горячего спая.

В режиме охлаждения величина Т° определяется урав­ нением

Т° — Тс макс + ДТ'ср + Ти/2.

Экспериментальные характеристики термобатареи близ­ ки к рассчитанным по изложенной методике.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Л е в и н В. А. Стабилизация дискретного множества частот.

	Изд-во «Энергия»,			1970.
2.	Б л а г о в	В.	А. и др. Аппаратура для частотных							и временнь'їх
	измерений.	Изд-во		«Советское	радио»,		1971.
3.	X а р к е в и ч		А.	А. Спектры и анализ. Физматгиз,							1962.
4.	К л ю м е л ь		И.	3., Т и т о в		В.	И.	К	вопросу		об оп­
	ределении частот гармонического процесса в связи с изменени­
	ем частот высокостабильных генераторов.							Труды		институтов
	Госкомитета	стандартов, вып.			59	(1),	1962.
5.	Е в с т а ф ь е в		Ф.	Ф. О нестабильности частоты кварцевых
	генераторов,	«Измерительная			техника»,			1960,	№	12.

6.В а л и т о в Р. А. и др. К вопросу о нестабильности частоты кварцевых генераторов. Труды ХВКИУ, вып. 288, Харьков, 1967.

7.

Ж а б о т и н с к и й

М. Е.,

З и л ь б е р м а н

П. Е.

О

флуктуациях

в

кварцевых

генераторах. ДАН

СССР,

1958,

т.

119,

№ 5,

стр.

918.

8.

Ш е м б е л ь

Б".

К.

Метод расчета генератора с пьезоэлек­

трической стабилизацией. «Радиотехника»,

1955,

т. 10,

№

7.

9.

Г л ю к м а н

Л.

Н.

Производство

пьезоэлектрических

квар­

цевых

резонаторов.

Изд-во «Энергия»,

1964.

10.

С м а г и н

А.

Г.,

Я р о с л а в с к и й

М.

И.

Пьезоэлект­

ричество кварца и кварцевые резонаторы. Изд-во «Энергия»,

1970.

11.

С м а г и н

А.

Г.

Прецизионные

кварцевые

резонаторы.

Изд-во Госкомитета стандартов, мер и измерительных

прибо­

ров СССР,

1964,