Главная Промышленная автоматика.

повышенной температуре. Эти факторы приводят к. дополнительному отклонению чатоты ТСКГ.

Допустимая мощность рассеяння в ТСКГ примерно в 2 раза меньше, чем у резонаторов, работающих в широких интервалах температур. Максимально допустимые и рекомендуемые значения мощностей рассеяния приведены в табл. 4.4 и 6.4 для различных частотных диапазонов резонаторов.

Наиболее широко применяются резонаторы AT в диапазоне частот от 4,5 до 100 МГц. Основные Т1араметры двух типов вакуумных резонаторов в корпусах тнПа Э (РВ-П) и КА (РВ-5Э) приведены в табл. 8.2. [99]. В более узких диапазонах частот резонаторы имеют параметры в 2-5 раз лучша.

Зависимости допустимого отклонения частоты резонаторов при температуре настройки от диапазона частот по ГОСТ П5Э9-67, нз-мененно частоты «о времени даны в табл. 8.3.

Таблица 8.3. Допустимые отклонения

Диапазон частот. кГц. не менее

Допустимое отклонение частоты. I0-

±50

±20; ±25; ±30; ±50

±5; ±10; ±15; ±20; ±25; ±30; ±50

Допустимое отклонение частоты во времени, Ю"

За 1-Я год

За 2Л год

За 11 лет

4-800

±15

±7,5

±30

Более 800

±10

±5

±20

8.2. Общие характермстмкм м составные части термостатирующих устройств

Для повышения стабильности частоты кварцевых генераторов, работающих в широком диапазоне температур окружающей среды, используют термостатирующие устройства. Они предназначены для автоматического поддержания температуры термостатируемого объекта с допустимой погрешностью прн изменении температуры окружающей среды и условий зксплуатацнн.

По принципу использования теплового потока термостатирующие устройства подразделяют иа устройства, построенные на основе регулирования с притоком только тепла (или только холода) - нереверсивные и устройства с притоком и тепла и холода - реверсивные. Для первых устройств темпера[тура термостатируемого объекта должна быть выше (нли ниже) диапазона температур окружающей среды, для вторых она лежит внутри этого диапазона.

Наибольшее применение в технике кварцевой стабилизации частоты получили термостатирующие устройства с притоком только

тевла (рис. 8.4), обладающие по сравнению с другими меньшим эцер-гопотреблением и габаритными размерами, более высокой надежностью и точностью работы. Они представляют собой замкнутую систему автоматического регулирования температуры термостатируемого объекта, размещаемого в камере термостата - устройства, объединяющего в единой конструкции составные части, приведенные иа рис. 8.4: теплоизоляционный кожух 7,камеру 3, нагреватель 7, датчик температуры 2, термостатируемый объект 4,регулятор 5.

Окружающая

среда

ТермостаггГ\


Рис. 8.4. Структурная схема термо-статирующего устройства с притоком тепла

Рис. 8.S. Тепловая модель термостата;->. I - корпус; 2 - теплоизоляционный кожух; 3 - нагреватель; 4 - камера термостата; 5 - датчик температуры; 6. - термостатируемый объект. 7 - прослойка; 8 - вывод объекта; 9 - вывод датчика

Обобщенная тепловая модель термостата изображена иа рис. 8.5-Датчик температуры 5 контролирует текущее значение температуры камеры 4 термостата. Регулятор преобразует отклонения температуры от заданного значения в электрический сигнал и усиливает его по мощности, создавая управляющий сигнал. С помощью нагревателя 3 получают управляющий тепловой поток, компенсирующий изменение теплопотерь камеры и термостатируемого объекта 6 при из-мененцн температуры окружающей среды и поддерживающий температуру объекта с заданной точностью. Теплоизолирующий кожух 2 позволяет обеспечить уменьшение теплопотерь и повышение точности термбстатирования объекта.

Прн проектировании термостатирующего устройства проводят расчет его параметров, обеспечивающих следующие заданные технические характеристики:

температура термостатировакия .j-;

точность термостатировакия объекта Д/а;

время установления температуры с за.51анной точностью т;

потребляемые мощности: максимальная Рщах в момент разогрева, мощность регулирующего воздействия Рр и мощность в стационарном режиме Р;

габаритные размеры или объем.

Для расчета основных параметров термостатирующего устройства используют принцип электротепловон аналогии i[66], согласно которому обобщенную тепловую модель термостата с распределенными параметрами представляют в виде электрической цепн с сосредоточенными параметрами. При этом разность потенциалов ана-



логична разности температур, электрическая емкость - теплоемкости, электрическое сопротивление (проводимость) - тепловому сопротивлению (проводимости), сила тока - тепловому потоку.

Простейшая тепловая модель термостата в виде электрической Цепн приведена на рис. 8.6. Индексами обозначены; камера - к, датчик - д, объект термостатировання - о и окружающая среда - с.

Составные части термостатнрующего устройства; тепловые проводимости между этими частями обозначены через ац, теплоемкости - через С,, где индексы i, j принимают вышеуказанные значения в зависимости от того, между какими частями устройства оии находятся.

Анализ ошибки термостатировання Aig проводят в стационарном и динамическом режимах работы термостатнрующего устройства. Эта ошибка определяется значением изменения температуры fa объекта термостатировання при изменении температуры /с окружающей среды и состоит из двух частей: ошибки Д/д", обусловленной статическими свойствами конструкции, и

DJL , 1 ошибки Д/д, обусловленной пара-

аклу" ТТ ° метрами регулятора и динамически-

ми свойствами конструкции.

При идеальном регуляторе, имеющем бесконечно большой передаточный коэффициент, температура /д датчика равна заданной температуре tj термостатировання. Однако температура ta объекта термостатировання всегда будет отличаться от температуры датчика из-за конечных значений тепловых проводимостей и их разброса. Анализ схемы рис. 8.6 показывает, что

(/о-с)/(д-с) = (1 + ад.с/0к.д)/(1 +Оо.с/с»ко). (8.1)

Правую часть (8.1) называют коэффициентом увода температу-

е = (1 + Од. <;/а„.д)/(1 + Оо.с/о.,.о) • (8-2)

При измеиеини температуры окружающей среды из (8.1) полу-

РиС. 8.(. Модель термостата виде электрической цепи

чают

(8-3)

Из (8.1), (8,3) видно, что только при е = 1 справедливо равенство Д/"* = /о - д = О- Таким образом, ошибка термостатировання, обусловленная статическими свойствами конструкции термостатнрующего устройства, отсутствует только при е = 1, т. е., как это следует из (8.2), при

д.с/<к.с = о.с<к.о- (8.4)

Выполнение (8.4) требует равенства теплообмена датчика и объекта или совмещения датчика с объектом. Достижение этих условий в процессе конструирования термбстатирующего устройства практически невыполнимо

Задача минимизации величины А/", т. е. приближения е к единице, решается методом тепловой компенсации, когда используется два нагревателя, одни из которых устанавливается иа датчике и поддерживает его температуру постоянной, а другой служит для восполнения тепловых потерь термостата в окружающую среду. Подбором соответствующего соотношения мощностей удается добиться минимизации величины Д/о"*.

Достижение заданных характеристик зависит от правильного выбора лараметров составных частей термостатнрующего устройства: Рассмотрим требования, которым они должны удовлетворять.

В качестве объекта термостатировання в генераторе может ис-пользрваться либо только резонатор, либо резонатор с частью илн всеми элементами схемы. Особое внимание должно быть обращено иа уменьшение влияния электрических выводов из камеры термостата, которое достигается уменьшением их количества, применением для них материалов с низким коэффициентом теплопроводности и использованием минимального сечения выводов. Одновременно необходимо стремиться к максимальному тепловому контакту между резонатором и камерой.

Камера должна по возможности выполняться как замкнутая изотермическая поверхность, выравнивающая перепады температур из-за неравномерной плотности теплового потока от нагревателя и тепловых потерь в окружающую среду. При этом следует стремиться к цилиндрической форме камеры, что обеспечивает удобство размещения проволочного нагревателя и улучшение теплового контакта как нагревателя с камерой, так и камеры с объектом термостатировання. В общем случае конфигурация камеры должна соответствовать конфигурации объекта.

В табл. 8.4 приведены характеристики рекомендуемых для изготовления камеры материалов, а также дополнительных материалов, применяемых в термостатах.

Таблица 8.4. Характеристики материалов термостатов

Материал

Теплопроводность. Вт/м °С

Удельная теплоемкости. Дж/кг°С

Плотность, кг/м

Медь МЗ

385.2

376,8

8950

Алюминиевые сплавы;

192,6

921,1

2780

180,0

1088,6

2730

АМг2

154,9

2670

Латунь Л63

108,9

376,8

8430

Манганин

21,3

8500

Коиста)1тан

22,6

418.7

8880

Стеклотекстолит

0,372

1800

Кристаллический кварц

0,720* (1,940)**

2650

Перпендикулярно оси г. »* Параллельио оси г.



Толщина стенок камеры при использовании проволочных нагревателей должна лежат* в пределах 0,5-2 мм, причем дно и крышка камеры, не содержащие нагревателен, должны по возможности иметь толщину, и 2-3 раза большую.

Наибольшее практическое применение нашли пронолочные нагреватели из проводов круглого cetieHHfl следующих марок: ПЭК - провод эмалированный константановый; ПЭШОК - провод эмалированный константановый в однослойной шелковой нзоляцнн; ПЭЛ\М (ПЭМТ) - поовод эмалированный манганиновый мягкий (твердый); ПЭШОЛШ (ПЭШОМТ) - провод эмалированный, манганиновый в однослойной шелковой изоляции Мягкий (твердый).

Для уменьшения теплового сопротивления между нагревателем и камерой провод )1аматывают непосредственно на поверхность камеры в одни слой, причем поверхность камеры для улучшения электрической нзоляцнн покрывают топким слоем лака ЭЧ 100 нлн клея БФ-2. В табл. 8.5 Приведены данные для расчета прополочного нагревателя. Следует выбирать провод такого диаметра, чтобы нагреватель заннмат возможно большую часть поверхности камеры, па которой его предполагалось разместить.

Таблица 8.5. Характеристики проводов для проволочных )агревателей

Диаметр прооода, мм

Без изоляции

0,05 0,10 0.15 0,20 0,25 0,30 0.40 0.50 0.60 0.80 1,00

,065

пэмм.

ПЭМТ

ПЭШОК, ПЭШОММ. ПЭШОМТ

0,065

0,13

0,18

0,23

О 28

0.34

0.44

0.55

0,65

0,86

1,07

0,13 0,19 0,24 0,30 0,35 0,41 0.51 0,62 0.72 0.93 1.14

Площадь ссчеиия провода, нм

Сопротип.тспис I м провода. Ом

mm СС

S3 mm

mm cc

0,001962

0,00787

62,3

56,0

59.0

0,01767

27,7

24,9

26,3

0,0314

14,8

14,0

14.8

0,0491

9,45

8.95

9.45

0,0707

6.56

6.22

6.56

0.1256

3,70

3.50

3,70

0,1962

2.37

2,24

2,37

0,283

1,64

1,55

1,64

0,503

0,925

0,875

0,925

0,787

0,590

0,560

0,590

При этом тепловая нагрузка проволочного нагревателя q = = Pmax-IP, где Ртах - максимальная МОЩНОСТЬ, выделяемая в нагревателе; F - площадь поверхности, которую занимает нагреватель на камере, не должна превышать 2,5 Вт/см-.

Прн расчете проволочного нагревателя неходят нз трех заданных величин: площади F, полагая ее равной 0,9 f,,, где - площадь поверхности камеры, отводимая под данный нагреватель; пре-

нз условия тепловогорасчета прн крайней отрицательной температуре. Это позволяет определить необходимое сопротивление провода нагревателя R - Emin/Pmiw рассчитать максимальную мощность нагревателя Р,пах = EmaxiR и оценить удельную тепловую нагрузку q. По результатам этой оценки уточняют вел1!Ч!1ну обеспечивающую выполне1!ие условия 2,5 Вт/см. Далее, пользуясь табл. 8.5, выбирают прозод, для которого выполняется соотьошснне

rfn<0,9iK?i/?,

(8.5)

где rfi, - диаметр провода с изоляцией; Ri - сопротивление 1 м провода.

Для улучшения теплового контакта с камерой рекомендуется при.менять )1агреватель 113 ft лараллельио соединенных более тоНкнх проводов. В этом случае вместо R п (8.5) нужно подставлять nR.

Особое внимание при проектировании термостата уделяют теплоизоляционному кожуху. Ои выполняется из материала с низким значением коэффициента теплопроводности и плотности вещества, Мини.чальную теплопроводность имеют пористьГе илн порошковые материалы, например полиуретановый пенопласт или перлит (табл. 8.6).

Таблица 8.6. Характеристики теплонзоляцио)1ных материалов

Материал

Теплопроводность, Вт/(.м.°С)

Удельная

теплоемкость. Дж/(кг.С)

Плотность, кг/м

Войлок

0,040-0,050

Пенополпуретан

0,035

1340

30-60

Пенопласты:

ПС-4

0,036

1340

60-80

ПС-1

0,038

1340

80-100

ППУ-3

0,041

1340

50-60

ПЭ-2Т

0,047

1340

80-120

ФК-20

0,060

170-210

Стеклянная вата

0.027-0,047

60-130

Перлит

0.025-0,034

80-100

делов напряжения питания нагревателя Е„

- Е„

микима.чь-

ной мощности нагреваиля Pmin, которую необходимо обеспечить

Более совершенной является вакуумная теплоизоляция. В простейшем случае это стеклянный сосуд Дьюара с посеребренными внутренними стенками. Тепловая проводимость малогабаритных сосудов Дьюара .энпчитслыю меньше пористой тенлонзоляцнн прн равной толщине теплоизолнрующен оболочки.

В [83] приводятся сведения о мощности потребления термоста-тнрующе:о устройства с сосудом Дьюара с давлсипе:,! внутри сосуда Ь 10- мм рт. ст.. длиной 85 мм, внутренним диаметром 28 мм и пробкой длиной 10 мм. Из термостатируемого объема сделано четыре вывода из 1И1.хрома диаметром 0,12 мм. По1рсбл;!емая мощность при перепаде температур 50°С составила 300 мВт, а ирн попспаде ШХ - 650 мВт.





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [17] 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

0.0037