DE2720781A1

DE2720781A1 - Temperaturregelvorrichtung

Info

Publication number: DE2720781A1
Application number: DE19772720781
Authority: DE
Inventors: John J J Staunton
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1976-05-28
Filing date: 1977-05-09
Publication date: 1977-12-08
Also published as: JPS6199212U; DE2720781C2; GB1565444A; US4066365A; CA1071714A; JPS6347927Y2; JPS531782A

Description

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A GRUNECKER H. KINKELDEY

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K. SCHUMANN

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P. H. JAKOB

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G. BEZOLD

8 MÜNCHEN 22

MAXIMIUANSTRASSE 43

9. Mai 1977 P 11 542

THE PERKIN-ELMER CORPORATION Main Avenue Norwalk, Connecticut 06856, USA

Temperaturregelvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Temperaturregelvorrichtung, die hintereinandergeschaltete Peltier-Einheiten enthält. Sie findet bevorzugte Anwendung in einer solchen Vorrichtung, bei der die Peltier-Einheiten mit dem Ziel einer verbesserten thermischen Ansprechzeit gesteuert werden, um über einen breiten Temperaturbereich hin die Temperatur von Proben an Sollpunkten zu stabilisieren. Eine Temperaturregelvorrichtung muß in analytischen Instrumenten eingebaut sein, wenn der untersuchte Parameter sich mit der Temperatur der Testprobe ändert. Der Bereich, über den die Probentemperatur mit Hilfe eines derartigen Reglers verändert werden muß, hängt zwar von der speziellen Art

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der Analyse ab, doch wird die Analysefähigkeit von Instrumenten durch die Temperaturregelvorrichtung eingeschränkt» wenn eine rasche Analyse über einen weiten Temperaturbereich erforderlich ist oder wenn in kürzester Zeit eine große Anzahl von Proben individuell analysiert werden muß.

Die Verwendung von thermoelektrisehen Moduls oder der Pertier-Einheit sowohl zum Zuführen als auch zum Entfernen von Wärme hat die Technik der Temperaturregelvorrichtungen in analytischen Instrumenten revolutioniert, weil sie mit dem bisher erforderlichen zirkulierenden Wasserbad aufgeräumt hat. Thermische Verzögerungen, die zwischen der Probe und den Peltier-Einheiten der Temperaturregel vorrichtung nach dem derzeitigen Stand der Technik existieren, schränken jedoch die Brauchbarkeit analytisoher Instrumente wesentlich ein, weil die thermische Ansprechzeit bis zum Erreichen eines Temperatursollpunktes nur dadurch verbessert werden kann, daß der Temperaturgradient erhöht wird, um die thermischen Verzögerungen zu reduzieren; sobald aber der Temperatursollpunkt erreicht ist, kommt es zu einem Hinausschießen über den Sollpunkt, das proportional zu dem für das Erreichen des Sollpunktes angelegten Temperaturgradienten ist. Es sind zwar bereits hintereinandergeschaltete Peltier-Anordnungen bekannt, bei denen die thermische Gesamtdifferenz In Abschnitte unterteilt ist, der Temperaturgradient über jedem solchen Abschnitt wird jedoch in allen diesen Anordnungen oft von Konstruktionseigenschaften oder von festen Temperatursollpunkten hergeleitet. Saher muß ein Kompromiß geschlossen werden hinsichtlich des Temperaturgradienten, der gegen die thermische Verzögerung jedes Segments wirkt, und die kürzeste Ansprechzeit zur Temperaturstabilisierung wird durch diesen Kompromiß begrenzt*

Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Temperaturregelvorrichtung mit hintereinandergeschalteten Peltier-Einheiten zu schaffen, die gesteuert werden, um die thermische Ansprechzeit zum Erreichen stabilisierter Temperaturen an Sollpunkten über einen brei-

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ten Temperaturbereich zu verbessern.

Die Erfindung will ferner die Peltier-Einheiten in mindestens einem thermischen Kaskadenabschnitt der Einheiten proportional zur Temperaturdifferenz über einem anderen thermischen Kaskadenabschnitt regeln, um auf diese Weise die Auswirkung einer thermischen Verzögerung in dem letztgenannten Abschnitt auf die Temperaturstabilisierungazeit zu reduzieren.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Peltier-Einheiten in wenigstens einem thermischen Kaskadenabschnitt derselben proportional zur Temperaturabweichung der Probe von einem Sollpunkt zu regeln, der proportional zur Temperaturdifferenz in dem gleichen thermischen Kaskadenabschnitt verschoben wird, um dadurch Wärmeverluste an die Umgebung zu kompensieren.

Die Erfindung bezweckt ferner, die Peltier-Einheiten so zu steuern, daß einem thermischen Ausreißen vorgebeugt wird, wenn der die Probentemperatur überwachende Fühler während der Einrichtzeiten Umweltbedingungen ausgesetzt wird.

Weiter will die Erfindung eine Vorwegnahmeregelung für den Wärmeübergang zwischen der Probe und einer thermischen Kaskadenstufe schaffen, indem sie die Temperaturdifferenz zwischen beiden benützt, um die überwachte Probentemperatur zum Sollpunkt hin zu verschieben.

Diese Ziele werden in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß zwei Peltier-Einheiten thermisch in Reihe geschaltet werden, wobei der Strom zur ersten Peltier-Einheit in Relation zur Temperaturabweichung der Probe von dem gewünschten Sollpunkt und der Strom zur zweiten Peltier-Einheit proportional zur Temperaturdifferenz an der ersten Peltier-Einheit gesteuert wird. Wärmeverluste an die Umgebung werden dadurch kompensiert, daß ein Teil des Stromsteuersignals für die zweite Peltier-Einheit zum Verschieben des Temperatur-

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sollpunktes verwendet wird. Thermistoren werden in einer Brückenschaltung mit konstanter Empfindlichkeit dazu benutzt, die Temperaturdifferenz an der ersten Peltier-Einheit abzunehmen, und die an die Brücke angelegte Gesamtspannung liefert eine passende Spannungsschwelle, bei welcher die Pertier-Einheiten abgeschaltet werden, um ein thermisches Ausreißen zu verhindern, wenn der Fühler für die Probentemperatur Umweltbedingungen ausgesetzt wird. Außerdem wird ein zusätzlicher Thermistor in dieser BrUckenschaltung verwendet, um das Vorwegsteuersignal abzunehmen, durch das die überwachte Probentemperatur proportional zum Temperaturgradienten zwischen der Probe und der ersten Peltier-Einheit zum Sollpunkt hin verschoben wird.

Gemäß einem bevorzugten Erfindungsgedanken wird eine Regelung von Testkammern oder Proben auf stabilisierte Temperaturen an Sollpunkten innerhalb eines breiten Temperaturbereiches mit verbesserter Ansprechzeit durch eine Anordnung von hintereinandergeschalteten, nach dem Peltier-Effekt arbeitenden Wärmepumpen erzielt. Generell wird der Strom für eine erste Peltier-Einheit in der Anordnung relativ zur Temperaturabweichung der Probe von dem Sollpunkt gesteuert, während der Strom zu einer zweiten Peltier-Einheit in der Anordnung proportional zur Temperaturdifferenz über der ersten Peltier-Einheit gesteuert wird. In Anwendungsfällen, bei denen große Wärmeverluste zur Umgebung auftreten, wird ein Teil des Stromsteuersignale für die zweite Peltier-Einheit dazu benützt, den Temperatursollpunkt zum Zweck einer Kompensation dieser Wärmeverluste zu verschieben. Ferner wird die Annäherung an die stabilisierte Temperatur noch dadurch verbessert, daß ein Vorwegsignal angelegt wird, das proportional zum Temperaturgradienten zwischen der Probe und der ersten Peltier-Einheit ist, um die überwachte Abweichung der Probentemperatur vom Sollpunkt zu verringern. Zum Schutz des Systems werden die Strom Steuersignale für die Peltier-Einheit en abgeschaltet, um ein thermisches Ausreißen in den Fällen zu verhindern, wo die Probentemperatur von einem Fühler überwacht wird, der während der Einrichtzeiten Umwelt-

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bedingungen ausgesetzt werden muß.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:

Pig.1 ein Blockschaltbild, das die erfindungsgemäße Temperaturregelvorrichtung betrifft;

Pig.2 ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Temperatur einer Durchlaufzelle in einem Spek— tralphotometer geregelt wird;

Pig. 3 ein Schaltschema für die Brückenschaltung mit konstanter Empfindlichkeit, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbar ist;

Pig.4 eine zweite spezielle Ausführungsform der Erfindung, bei der die Temperatur einer Küvette in einem Spektral— photometer geregelt wird;

Pig· 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Temperatur einer Küvette in einem Spektralphotometer geregelt wird;

Pig.6 Modifikationen, die in dem Wärmekontaktkörper der Pig.4 möglich sind, um Temperaturfühler permanent aufzunehmen, gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung;

Pig.7 noch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem eine Modifikation enthalten ist, um das Hinausschiessen über den Sollpunkt auf ein Mindestmaß herabzudrücken*

Das Blockschaltbild der Pig.1 bezieht sich auf eine erfindungsgemäße Temperaturregelvorrichtung 10, bei der die Stabilisation auf Solltemperaturen innerhalb eines breiten Temperaturbereiches äußerst rasch erzielt wird. In der Vorrichtung 10 sind Peltier-Einheiten 12 und 14 in einer Kaskadenanordnung vorgesehen, um den Wärmeübergang zwischen einer Probe 16 und einer Wärmesenke 18 der Umgebung zu regeln. Peltier-Einheiten sind

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elektrische Wärmepumpen» durch die ein Wärmeübergang in jeder Richtung möglich ist, abhängig von der Polarität des angelegten Steuersignals. Die Wärmeübertragung durch die Peltier-Einheit 12 wird mit Hilfe einer Einrichtung 20 reguliert, die den Strom zu dieser Peltier-Einheit entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen der Probe und einem Sollpunkt steuert, während die Wärmeübertragung durch die Peltier-Einheit 14 mit Hilfe einer Einrichtung 22 reguliert wird, die den Strom zu dieser Peltier-Einheit proportional zur Temperaturdifferenz an der Peltier-Einheit 12 steuert.

Die Peltier-Einheit 12 nähert sich dem Abschalten, wenn die Probentemperatur sich dem Sollpunkt nähert, wogegen die Peltier-Einheit 14 an den Abschaltpunkt herankommt, wenn das Temperaturgefälle an der Peltier-Einheit 12 zu Null wird. Wenn der Sollpunkt erreicht wird, verursacht ein Hinausschießen über den Sollpunkt, das aufgrund der thermischen Nacheilung zwischen der Peltier-Einheit 12 und der Probe 16 eintritt,eine Umkehrung der Peltier-Einheit 12 mit Hilfe der Steuereinrichtung 20· Diese Umkehrung verursacht rasch eine Umkehrung der Peltier-Einheit 14 durch die Einrichtung 22, so daß das auftretende Hinausschießen wesentlich reduziert wird im Vergleich zu bisherigen Kaskaden-Peltier-Anordnungen. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 sowohl das Hinausschießen über den Sollpunkt als auch die thermischen Schwingungen um den Sollpunkt beim Beruhigen des Hinausschießens reduziert, wird innerhalb kurzer Ansprechzeiten in einem breiten Temperaturbereich eine Stabilisierung der Probentemperatur an Sollpunkten erreicht. Für den Paohmann ist klar, daß in der erfindungsgemäßen Temperaturregelvorriohtung 10 eine beliebige Anzahl von Peltier-Einheiten über eins hintereinandergeschaltet werden können oder daß jede Anzahl ▼on Peltier-Einheiten in jedem Kaskadenabschnitt der Vorrichtung verwendet werden kann. Wie für den Fachmann leicht einzusehen ist, hängt der Strombedarf der Peltier-Einheiten in jedem Kaskadenabschnitt von der speziellen Anwendung der Erfindung ab.

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Wenngleich viele Verwendungsmöglichkeiten in analytischen Instrumenten für die erfindungsgemäße Temperaturregelvorrichtung 10 gegeben sind, werden nachstehend der Kürze halber nur Beispiele beschrieben, die die Temperaturregelung von Probenzellen in Spektralphotometern betreffen. Das erste solche Beispiel ist in Pig.2 veranschaulicht, wo die Blockelemente der Pig.1 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. In diesem Beispiel ist die Probe 16 eine Durchlauf zelle, in die die Probensubstanz für die Spektralanalyse eingesaugt wird, und die Umgebungswärmesenke 18 ist der Rahmen des Spektralphotometers oder irgendeine andere Wärmesenke von praktisch konstanter Temperatur. Die erfindungsgemäße Temperaturregelvorrichtung 10 ist in diesem Beispiel natürlich eingebaut, um die Wärmeübertragung zwischen der Probensub3tanz in der Durchlaufzelle 16 und der Wärmesenke 18 der Umgebung zu regulieren. Die Durchlauf zelle 16 ist ein Block 24 aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, der einen Durchgang 26 und Fenster 28 hat, die auf einer Achse quer zum Durchgang 26 gefluchtet sind, um zum Zweck der Analyse einen Lichtstrahl durch die Probe fallen zu lassen. In dieser Ausfüh— rungsform ist eine Übergangawärmesenke 30 zwischen jeweils eine Lötstelle an der Peltiereinheit 12 und 14- eingefügt, während die andere Lötstelle der Peltier-Einheit 12 unmittelbar an dem Block 24 und die andere Lötstelle der Peltier-Einheit 14 direkt an der Umgebungswärme3enke 18 angelegt ist· Die Stromsteuereinrichtung 20 für die Peltier-Einheit 12 weist einen Temperaturfühler 32 auf, der thermisch in dem Block 24 angeordnet ist und elektrisch in einer passenden BrUckenschaltung 34 liegt, deren Ausgang an einen Eingang eines Komparators 36 angelegt ist. Am anderen Eingang des Komparators 36 liegt eine Einrichtung 38 zum Einstellen eines veränderbaren Sollpunktes und der Ausgang des Komparators ist zur Peltier-Einheit 12 geführt, um den Wärmeübergang durch diese Einheit zu steuern.

Die Stromsteuereinrichtung 22 für die Peltier-Einheit 14 weist Temperaturfühler 40 und 42 auf, die thermisch gesondert in dem Block 24 bzw. in der Übergangswärmesenke 30 angeordnet sind

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und elektrisch in entsprechenden geeigneten Brückenschaltungen 44 bzw. 46 liegen, deren Ausgänge getrennt mit den Eingängen eines !Comparators 48 verbunden sind. Der Ausgang des !Comparators 48 ist zu der Peltier-Einheit 14 geführt, um deren Wärmeübertragung zu steuern. Der Temperaturfühler 32 ist nächst dem Durchgang 26 für den Probendurchlauf angebracht, wogegen die Temperaturfühler 40 und 42 in der Nähe der Lötstellen der Peltier-Einheit 12 liegen, so daß thermische Verzögerungen nach Möglichkeit vermieden werden.

Die Wärmeübertragung zum Anheben oder Senken der Probe in der Durchlaufζeile 16 auf die gewünschte Temperatur geschieht durch den Block 24, für den Konstruktionsparameter, wie spezifische Wärme, Wärmeleitfähigkeit und Gestalt, mit Überlegung so zu wählen sind, daß die Vorzüge der Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Demzufolge wird die Probe im wesentlichen auf dem Temperatursollpunkt der Stromsteuereinrichtung 20 gehalten, die den Wärmeübergang zwischen der Peltier-Einheit 12 und dem Block 24 reguliert. Die für die Probe in der Durchlaufzelle 16 erforderliche thermische Ansprechzeit, um ihre Temperatur innerhalb eines breiten Temperaturbereiches auf jeden beliebigen Einstellpunkt zu stabilisieren, ist im Vergleich zu bisherigen hintereinandergeschalteten Peltier-Anordnungen kurz aus den gleichen Gründen, wie vorstehend in Bezug auf Fig«1 erläutert wurde.

Selbst wenn eine Isolation verwendet wird, um Wärmeverluste an die Umgebung zu verhindern, sind derartige Verluste doch stets in gewissem Maß vorhanden, solange eine Temperaturdifferenz zur Umgebung existiert. Die Temperaturregelvorrichtung der Pig.2 hält die Probe in der Durchlaufzelle 16 auf dem Temperatursollpunkt, solange Wärmeverluste an die Umgebung in mäßiger Höhe auftreten. Wenn jedoch die Temperaturdifferenz zur Umgebung sehr groß ist und/oder keine Isolation verwendet werden kann, kann ein Teil des Ausgangs des !Comparators 48 dazu hergenommen werden, den Temperatureinstellpunkt am Eingang

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des !Comparators 36 zu verschieben, um Wärmeverluste an die Umgebung zu kompensieren. Um die richtige Korrektur zu erhalten, muß der Ausgang des Komparatorβ 48 praktisch proportional zu der Temperaturdifferenz über der Peltier-Einheit 12 und unabhängig von der Durchsohnittstemperatur dieser Einheit sein· Die Kompensation wird nur in dem Maß angelegt, daß die Wärmeverluste an die Umgebung genügen, um diese Temperaturdifferenz zu beeinflussen. Der Ausgang des !Comparators 48 ist über ein Potentiometer 50 geerdet, dessen Schleifarm so geschaltet ist, daß der Temperatureinstellpunkt am Eingang des Komparators 36 verschoben wird, weshalb das Ausmaß der Kompensation veränderbar ist.

In der Praxis kann jeder Typ von Temperaturfühlern, der die passende Empfindlichkeit hat, in der erfindungsgemäßen Temperatur regelvorrichtung 10 verwendet werden und die Brückenschaltungen der Vorrichtung müssen geeignet sein, um Spannungssignale zu liefern, die proportional zu den von diesen Fühlern überwachten Temperaturen sind. Wenn Thermistoren verwendet werden, um das Temperaturgefälle an der Peltier-Einheit 12 zu überwachen, können die Brückenschaltungen 44 und 46 zu einer einzigen Brückenschaltung vereinigt werden, wie in Pig.3 gezeigt. Da der Temperaturgang von Thermistoren charakteristischerweise nicht linear ist, wird diese Brückenschaltung linear!siert, d.h. so gestaltet, daß sie eine praktisch konstante Empfindlichkeit hat| dies geschieht durch Einbau eines Operationsverstärkers 52, der direkt gekoppelt ist und dessen Ausgang zurückgeführt ist, um die Brückenschaltung am Schaltungspunkt 60 zu beaufschlagen. Ein Widerstand 54 und der Thermistor 40 errichten eine Spannung am Punkt 62 in einem Zweig der Brücke, der mit einem Eingang des Verstärkers 52 verbunden ist; der andere Eingang des Verstärkers liegt am Abgriffpunkt eines Spannungsteilers 56. Ein zweiter Widerstand 58 ist am Brückenschaltungspunkt 60 mit dem Widerstand 54 am Ausgang des Operationsverstärkers 52 verbunden. Der Thermistor 42 ist an die andere Seite des Widerstandes 58 angeschlossen, um auf diese Weise

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einen Brückenschaltungspunkt 64 zu bilden, und die Thermistoren 40 und 42 sind zur Vervollständigung der Brückenschaltung über Erde miteinander verbunden.

Aufgrund des geschlossenen Kreises um den Operationsverstärker 52 liegen dessen Eingänge praktisch auf der gleichen Spannungshöhe und in keinem dieser Eingänge fließt Strom. Daher bleibt die Spannung am Brückenschaltungspunkt 62 praktisch konstant, wenn der Widerstand des Thermistors 40 sich mit der Temperatur ändert, so daß der durch diesen Thermistor fließende Strom gering ist, wenn der Widerstand des Thermistors hoch ist. Da der durch den Thermistor 40 fließende Strom auch noch durch den Widerstand 54 fließen muß, muß die Spannung am Brückenschaltungspunkt 60 direkt proportional zum Widerstand des Thermistors 40 variieren, und daher sich als eine Punktion der Temperatur ändern. Demzufolge ist auch der durch den Thermistor 42 fliessende Strom niedrig, wenn der Widerstand des Thermistors 40 hoch ist, und die Brückenschaltung liefert eine praktisch konstante Empfindlichkeit, da die Spannung pro 1° Temperaturdifferenz zwischen den Thermistoren 40 und 42 der Differenz zweier IR-Abfälle entspricht, die beide geregelt sind, um innerhalb des gleichen schmalen Größenbereiches zu bleiben. Der Komparator 43 kann dann mit seinem einen Eingang an den Brückenpunkt 64 angeschlossen sein, während der andere Eingang mit dem Brückenpunkt 62 oder einer äquivalenten konstanten Spannung verbunden ist, so daß der Ausgang des Komparators 48 bei jeder Temperatur des Thermistors 40 innerhalb des eingeplanten Bereiches eine praktisch konstante lineare Funktion der Temperaturdifferenz zwischen den Thermistoren 40 und 42 ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf die Technik der Spektralphotometer ist in Pig.4 dargestellt, wo wegen der Ähnlichkeiten mit der Vorrichtung der Figo2 einander entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern unter Zufügung eines Striches (^f) bezeichnet sind, wie in Pig.2. In dieser Ausführungsform ist die Probe 16· eine Küvette mit

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Wänden aus Glas oder Quarzglas, die Probensubstanzen für die Spektralanalyse enthält. Die Umgebungswärmeaenke 18' ist wieder der Rahmen des Spektralphotometers oder eine andere Wärmesenke mit praktisch konstanter Temperatur. Die Wärmeübertragung auf die Küvette 16· geschieht durch einen Wärmekontaktkörper 24*, der ein Analog zum Block 24 in Pig.2 ist. Die Peltier-Einheit 12' ist zwischengefügt zwischen den Wärmekontakt kör per 24* und einen Küvettenkorb 30', der ein Analog zu der Übergangswärmesenke 30 in Pig.2 ist. Eine Feder 66 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit ist an dem Küvettenkorb 30^f befestigt, um die Küvette 16' gegen den Wärmekontaktkörper 24' anzudrücken, und eine Peltier-Einheit 14* ist zwischen den Küvettenkorb 30· und die ümgebungawärmesenke 18' eingefügt. In der Küvette 16* kann ein Rührwerk 68 angeordnet sein, um die Probensubstanz kontinuierlich zu rühren. Ein Temperaturfühler 32· ist in einer Ummantelung angebracht, die in die Probensubstanz eingetaucht ist. Temperaturfühler 40' und 42* liegen in dem Wärmekontaktkörper 24» bzw. im Küvettenkorb 30« über der Peltier-Einheit 12·. Die Peltier-Einheit en 12' und 14' werden, wie beschrieben und vorstehend für die Temperaturregelvorrichtung 10 der Pig.2 erläutert, gesteuert und die Thermistoren 40' und 42^f können in der Brückenschaltung der Pig.3 mit konstanter Empfindlichkeit angeordnet sein.

Pur den Pachmann dürfte ohne weiteres klar sein, daß der Küvettenkorb 30· und der Wärmekontaktkörper 24' in einer zur Zeichenebene der Fig.4 senkrechten Achse verlängert werden können, um Platz für mehrere Küvetten 16· vorzusehen. Selbstverständlich würde in diesem Pail der Wärmekontaktkörper 24' an jeder solchen Küvette 16* anliegen und der Temperaturfühler 32' würde in der thermisch zentrierten Küvette 16· angebracht werden. Da ein Wärmeverzug in dem Kontaktkörper die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbare Geschwindigkeit und Genauigkeit der Einstellung des Gleichgewichtes begrenzt, ist in diesem Körper eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe WärmeSpeicherfähigkeit außerordentlich wichtig. An jeder Stelle, wo ein Wärmeübergang durch Leitung durch ein Material erfolgt, wird

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die WärmeSpeicherfähigkeit bestimmt durch die spezifische Wärme des Materials. Daher ist eine Verbesserung gegenüber einer Metallstange mit Hilfe eines Wärmerohres möglich, bei dem der Wärmeübergang durch Dampfkonvektion erfolgt. Wärmerohre haben von sich aus eine niedrige Wärmespeicherkapazität. Üblicherweise erfolgt in Wärmerohren der Wärmeübergang zwischen zwei Wänden durch Dampf einer Flüssigkeit ohne Temperaturänderung der Flüssigkeit. Der Dampf kondensiert an der erhitzten Wand und ein Dochtsystem leitet das Kondensat zur anderen Wand zurück, wo die Verdampfung stattfindet. Bei Anwendung in einem Spektralphotometer ist ein Arbeitstemperaturbereich von O - 100⁰C für den Wärmekontaktkörper 24* im Beispiel der Pig.4 üblich und in diesem Pail wäre Methanol eine geeignete Flüssigkeit für ein Wärmerohr. Im Vergleich mit der Verwendung von massivem Kupfer für den Wärmekontaktkörper 24* in diesem Beispiel kann durch die Verwendung eines Wärmerohres eine Verminderung der Wärmespeicherkapazität von über 80 ?S erreicht werden.

Wenn die Probe in der Küvette 16' der Pig.4 ausgewechselt werden soll, muß der Temperaturfühler 32' für eine gewisse Zeitspanne herausgenommen werden. Da während dieser Zeitspanne der Temperaturfühler 32' nicht mehr der Probentemperatur sondern den Umweltverhältnissen ausgesetzt ist, geht wahrscheinlich die Regelung der Peltier-Einheiten 12' und 14' verloren und es kommt zu einem Zustand des thermischen Ausreiß ens. Um eine Beschädigung einer Peltier-Einheit 12* oder 14' zu verhindern, die durch ein solches thermisches Ausreißen verursacht werden könnte, ist in der Schaltanordnung der Pig.3 eine Einweg-Sicherheitsabschaltmöglichkeit für die Peltier-Einheit 12» eingebaut. Das Gate eines FET Schalters 70 ist mit dem Ausgang eines Komparators 72 verbunden, wobei der PET Schalter 70 so angeschlossen ist, daß er den Ausgang des Komparators 48 erdet. Die Eingänge zum Komparator 72 sind mit dem Brückenschaltungapunkt 60 bzw. einer Bezugsgleichspannung verbunden. Wie oben erläutert, ändert eich die Spannung am Brückenschaltungspunkt 60 als eine Punktion der Temperatur des Thermistors 40 und die-

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se Spannung kann daher verwendet werden, um die Temperatur der Peltier-Einheit 12' zu messen. Die Bezugsspannung am Eingang des !Comparators 72 kann so eingestellt werden, daß der Ausgang des !Comparators 72 den FET Schalter 70 leitend macht, um das Steuersignal der Peltier-Einheit 12' zur Erde abzuleiten, bevor eine zerstörerische Temperatur erreicht wird. Wenn die Peltier-Einheit 12' abgeschaltet wird, wird auch der Eingang zur Peltier-Einheit 14' abgeschaltet, da die Peltier-Einheit 14-* durch die Wärmepumprate der Peltier-Einheit 12' gesteuert wird.

Da die Wand der Küvette 16· in Fig.4 eine unerwünschte Wärmeverzögerung darstellt, ist in Fig.5 eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Da viele Ähnlichkeiten zwischen der Vorrichtung der Fig.4 und derjenigen der Fig.5 vorhanden sind, sind einander entsprechende Bestandteile in Fig.5 mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig.4, aber zweigestrichen, bezeichnet. In diesem Ausführungsbeiepiel ist an dem Wärmekontaktkörper 24" ein Anaatz angebracht, der von oberhalb des Küvettenkorbes 30" in die Probe in der Küvette 16" eingetaucht wird. Der Temperaturfühler 32" befindet sich nahe der Probe in dem Ansatz des Wärmekontaktkörpers 24" und das Rührwerk 68" ist wieder in der Küvette 16" vorgesehen, um die Probe kontinuierlich zu rühren. Wie beim vorherigen Beispiel ist die Peltier-Einheit 12" zwischen dem Wärmekontakt körper 24" und dem Küvettenkorb 30^M eingefügt, während die Peltier-Einheit 14" zwischen dem Küvettenkorb 30" und der Umgebungswärmesenke 18" liegt. Temperaturfühler 40" und 42" sind wieder in dem Wärmekontaktkörper 24" bzw. im Küvettenkorb 30" über der Peltier-Einheit 12" angeordnet. Sonst werden die Peltier-Einheiten 12" und 14" wie beschrieben und vorstehend für die Temperaturregelvorrichtung der Fig.2 erläutert geregelt und Thermistoren 40" und 42" können in der Brückenschaltung der Fig.3 mit konstanter Empfindlichkeit angeordnet sein.

Bei Inkaufnahme eines gewissen Verlustes in der Temperaturge-

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--trat)

nauigkeit kann die Unbequemlichkeit eines eingetauchten Fühlers vermieden werden. Stattdessen kann ein Schacht für den Temperaturfühler 32' (Pig.4) in dem Wärmekontaktkörper 24* vorgesehen sein, wie in Fig.6 dargestellt, um das thermische Ausreißen der Peltier-Einheiten 12' und 14* zu verhindern. Wenn ein eingetauchter Fühler erwünscht ist, hält die Temperaturregelvorrichtung der Fig.4 den Wärmekontaktkörper 24* auf der Solltemperatur dadurch, daß der Temperaturfühler 32' in diesen Schacht gesteckt wird, wenn die Küvette 16⁴ herausgenommen wird; dadurch wird das thermische Ausreißen vermieden· Außerdem kann eine Auskleidung 74, die die gleiche Wärmeverzögerung bietet wie die Wand der Küvette 16', in diesem Schacht vorgesehen sein, so daß der Temperaturfühler 32* ständig in dem Schacht verbleiben kann, um die Temperatur der Probe zu verfolgen, wie in Fig.6 gezeigt. Der Wärmekontaktkörper 24* *' kann verlängert sein, um die Küvette 16"' vollständig zu umgeben, wenn ein Zugeständnis an die Ansprechzeit für die Stabilisierung auf dem Temperatursollpunkt gemacht werden kann. Eine solche Ausführungsform ist in Fig.7 gezeigt. Wie in dieser Ausführungsform dargestellt, kann der Temperaturfühler 32'" permanent außen an der Wand des verlängerten Wärme kontaktkörper s 24' " an einer Stelle angebracht sein, die am besten die Küvettentemperatur repräsentiert, gewöhnlich nahe dem Oberende, ohne daß eine Auskleidung erforderlich ist.

Das Ausmaß des Darüberhinausschießens, zu dem es bei der langsamen Annäherung an den Temperatursollpunkt von beiden thermischen Richtungen aus kommt, hängt vom Wärmegradienten ab, der zwischen dem Wärmekontaktkörper 24* (Fig.4) und der Küvette 16* ssu dem Zeitpunkt vorhanden ist, wenn der Temperaturfühler 32' feststellt, daß der Temperatursollpunkt erreicht ist. In der Konfiguration der Fig.7 vergrößert die größere Hasse des Kontaktkörpers 24'" das Darüberhinausschießen. Um diese Übersteuerung zu reduzieren, ohne die thermische Anarechzeit zu verlängern, kann eine Vorwegnahme des Sollpunktes durchgeführt werden, indem ein weiterer Thermistor 76 in dem Wärmekontakt-

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körper 24" · der Pig.7 thermisch angeordnet wird, um die Temperatur der Probe zu verfolgen, und dieser Thermistor mit einem weiteren Thermistor 78 in der Brückenschaltung der Pig.3 in Reihe gelegt wird. Als Teil dieser Vorwegnahmeanordnung ist in der Schaltung der Pig.3 ein Komparator 80 eingebaut, dessen Eingänge an den Brückenschaltungspunkt 62 oder eine äquivalente Spannung bzw. an den Brückenschaltungspunkt zwischen dem Widerstand 78 und dem Thermistor 76 gelegt sind. Wenngleich in Pig.3 nicht dargestellt, ist der Ausgang des !Comparators 80 additiv mit demjenigen Eingang des Komparators 36* verbunden, an den der Ausgang der Brückenachaltung 34* mit dem darin enthaltenen Temperaturfühler 32' angeschlossen ist. Da der Ausgang des Komparators 80 proportional zum Wärmegradienten über der Küvette 16· " ist, der durch die Temperaturdifferenz zwischen den Thermistoren 40¹¹¹ und 76 repräsentiert ist, enthält der Ausgang des Komparators 36·, der die Peltier-Einheit 12"· steuert, Komponenten, die proportional zum Wärmegradienten über der Küvette 16 *·· bzw. zur Abweichung vom Sollpunkt der Proben-Temperatur sind. Da diese Komponenten additiv sind, schaltet die Peltier-Einheit 12· " ab, bevor der Sollpunkt erreicht ist, um die thermische Übersteuerung zu reduzieren. Da der Gradient dann abfällt, wenn die Temperatur des Wärmekontaktkörpers sich der Solltemperatur nähert, funktioniert die Sollpunktvorwegnahme in der Weise, daß sie die Probentemperatur ohne eine Übersteuerung oder doch mit einer nur geringen Übersteuerung auf den Sollpunkt bringt. Es hat sich herausgestellt, daß diese Vorwegnähme schaltung derart wirksam ist, daß das Rührwerk weggelassen werden kann, ohne daß sich aus der erhöhten Wärmeverzögerung ein Darüberhinausschießen ergibt.

Gegenüber den beschriebenen Ausführungebeispielen sind im Rahmen der Erfindung verschiedene Änderungen in den Konstruktionsdetails un der Kombination oder Anordnung der Teile möglich·

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Claims

PATENTANWÄLTE A. GPÜNECKER

an.-int.

H. KINKELDEY

I _Wt STOCKMAlR

OR-INa Λ*Ε (CALTECt*

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P. H. JAKOB

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G. BEZOLD

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MAXIUILIANSTRASSE 43

Patentansprüche

/ 1 J Vorrichtung zum Regeln der Temperatur einer Probe, gekennzeichnet durch

eine erste Peltier-Einheit (12) mit einer ersten und einer zweiten Lötstelle, von denen die erste Lötstelle an der Probe (16) angelegt ist,

eine zweite Peltier-Einheit (14) mit einer ersten und einer zweiten Lötstelle, von denen die erste Lötstelle an der zweiten Lötstelle der ersten Peltier-Einheit anliegt und die zweite Lötstelle an eine Umgebungswärmesenke (18) angelegt ist,

eine Einrichtung (20) zum Steuern der Stromzufuhr zur ersten Peltier-Einheit (12) proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der Probe (16) und einem Sollpunkt, und eine Einrichtung (22) zum Steuern der Stromzufuhr zur zweiten Peltier-Einheit (14) proportional zur Temperaturdifferenz über der ersten Peltier-Einheit (12)·

2· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Steuereinrichtung (22) für die zweite Peltier-Einheit so geführt ist, daß der Sollpunkt der Steuereinrichtung (20) für die erste Peltier-Einheit zum Zweck der Kompensation von Wärmeverlusten an die Umgebung verschoben wird,

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ORIGINAL INSPECTED

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (22) der zweiten Peltier-Einheit einen ersten und zweiten Thermistor (40, 42) aufweist, die mit zwei miteinander verbundenen Widerständen (54, 58) in einer einzigen Brückenschaltung vereinigt sind, wobei der Ausgang eines Operationsverstärkers (52) an den Brücken« schaltungspunkt (60) zwischen den Widerständen (54, 58) gelegt ist und der Brückenschaltungspunkt (62) zwischen dem einen Thermistor (40) und dem einen Widerstand (54) mit dem Eingang de3 Operationsverstärkers (52) verbunden ist, dessen anderer Eingang an eine zum Brückenschaltungspunkt (60) zwischen den Thermistoren festgelegte Spannung angeschlossen ist, wodurch die Empfindlichkeit der Brückenschaltung praktisch unabhängig von der durch den ersten Thermistor (40) am Eingang des Operationsverstärkers festgestellten Temperatur ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang von wenigstens einer der Steuereinrichtungen für die Peltier-Einheiten durch einen PET Schalter (70) geerdet ist, dessen Gate mit dem Ausgang eines !Comparators (72) verbunden ist, der seinen einen Eingang von dem Brtikkenschaltungspunkt (60) zwischen den Widerständen (54, 58) und seinen anderen Eingang von einer Spannung (V) erhält, die relativ zum Brückenschaltungspunkt (62) zwischen den Thermistoren fixiert ist, wodurch die Peltier-Einheiten (12, 14) abgeschaltet werden, wenn der mit dem Eingang des Operationsverstärkers (52) verbundene Thermistor (40) eine vorgegebene Temperatur erreicht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Thermistor (76) und ein dritter Widerstand (78) in die Brückenschaltung eingefügt sind, wobei alle Thermistoren (40, 42, 76) an einem gemeinsamen Brückenschaltungspunkt liegen und alle Widerstände (54, 58, 78) an einem anderen gemeinsamen Brückenschaltungspunkt, wobei

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ferner der Brückenschaltungspunkt zwischen dem dritten Widerstand (78) und dem dritten Thermistor (76) am einen Eingang eines Komparators (80) liegt, dessen anderer Eingang an dem Brückenschaltungspunkt (62) zwischen dem ersten Thermistor (40) und dem ersten Widerstand (54) liegt, während der Ausgang des !Comparators (80) derart mit der ersten Steuereinrichtung (20) verbunden ist, daß die erste Peltier-Einheit (12) dadurch abgeschaltet wird, bevor der Einstellpunkt der Steuereinrichtung (20) für die erste Peltier-Einheit erreicht ist, um das thermische DarüberhinausschieBen zu reduzieren.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe eine Durchlaufzelle (16) in einem Spektralphotometer ist, in der ein erster und ein zweiter Fühler (32, 40) angeordnet sind, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das proportional zur Temperatur an einer Stelle nächst dem Durchgang durch die DurchlaufzeHe bzw. nächst der ersten Peltier-Einheit (12) ist, dafl ferner eine Wärmesenke (30) thermisch zwischen die erste und die zweite Peltier-Einheit (12, 14) eingefügt ist, in der ein dritter Fühler (42) nächst der ersten Peltier-Einheit (12) angeordnet ist, um ein zur Temperatur proportionales elektrisches Signal zu entwickeln, und daß die Steuereinrichtung (20) der ersten Peltier-Einheit einen ersten Komparator (36) aufweist, an dessen einem Eingang das Signal von dem ersten Fühler (32) und an dessen anderem Eingang eine Einrichtung (38) zum Errichten eines veränderbaren Sollpunktes liegt und dessen Ausgang die erste Peltier-Einheit (12) beaufschlagt, während die Steuereinrichtung (22) der zweiten Peltier-Einheit einen zweiten Komparator (48) aufweist, an dessen einem Eingang das Signal vom zweiten Fühler (40) und an dessen zweitem Eingang das Signal vom dritten Fühler (42) liegt und dessen Ausgang die zweite Peltier-Einheit (14) beaufschlagt.

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7· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe wenigstens eine Küvette (16*) in einem Küvettenkorb (30*) eines Spektralphotometers ist, die die Probensubatanz enthält, in welche ein erster Fühler (32*) eintaucht, um ein zur Temperatur proportionales elektrisches Signal zu entwickeln, daß ferner ein Wärmekontaktkörper (24') zwischen der Küvette bzw. den Küvetten (16·) und der ersten Peltier-Einheit (12·) eingefügt ist, in welchem nahe der ersten Peltier-Einheit (12·) ein zweiter Fühler (40*) angebracht ist, um ein zur Temperatur proportionales elektrisches Signal zu entwickeln, daß der Küvettenkorb (30·) thermisch zwischen der ersten und der zweiten Peltier-Einheit (12·, H¹) eingefügt ist, wobei ein dritter Fühler (42·) in dem Wärmekontaktkörper nächst der ersten Peltier-Einheit (12*) angeordnet ist, um ein zur Temperatur proportionales elektrisches Signal zu erzeugen, und daß die Steuereinrichtung (20) für die erste Peltier-Einheit einen ersten Komparator (36) aufweist, an dessen einem Eingang das Signal vom ersten Fühler (32') und an dessen anderem Eingang eine Einrichtung (38) zum Errichten eines veränderbaren Sollpunktes liegt und dessen Ausgang die erste Peltier-Einheit (12·) beaufschlagt, während die Steuereinrichtung (22) für die zweite Peltier-Einheit einen zweiten Komparator (48) enthält, an dessen einem Eingang das Signal vom zweiten Fühler (40*) und an dessen anderem Eingang das Signal vom dritten Fühler (42') liegt und dessen Ausgang die zweite Peltier-Einheit (14¹) beaufschlagt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe wenigstens eine Küvette (16") in einem Küvettenkorb (30") eines Spektralphotometers ist und ein Wärmekontaktkörper (24^M) zwischen die Küvette bzw. Küvetten (16") und die erste Peltier-Einheit (12") eingefügt ist, in dem ein erster und ein zweiter Fühler (32", 40") angeordnet sind, um ein zur Temperatur proportionales elektrisches Signal zu entwickeln, daß ferner der Küvettenkorb (30")

thermisch zwischen die erste und die zweite Peltier-Einheit (12", 14") eingefügt ist und in ihm nächst der ersten Peltier-Einheit ein dritter Fühler (42") angeordnet ist, um ein zur Temperatur proportionales elektrisches Signal zu entwickeln, wobei der zweite Fühler (40") in der Nähe der ersten Peltier-Einheit (12") angeordnet ist, und daß die Steuereinrichtung (20) für die erste Peltier-Einheit einen ersten Komparator (36) aufweist, an dessen einem Eingang das Signal vom ersten Fühler (32") und an dessen anderem Eingang eine Einrichtung (38) zum Errichten eines veränderbaren Sollpunktes liegt und dessen Ausgang die erste Peltier-Einheit (12") beaufschlagt, während die Steuereinrichtung (22) für die zweite Peltier-Einheit einen zweiten Komparator (48) enthält, an dessen einem Eingang das Signal vom zweiten Fühler (40") und an dessen anderem Eingang das Signal vom dritten Fühler (42") liegt und dessen Ausgang die zweite Peltier-Einheit (14") beaufschlagt.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe wenigstens eine Küvette (16¹·¹) in einem Küvettenkorb (30¹¹¹) eines Spektralphotometers ist und ein Wärmekontaktkörper (24¹¹¹) zwischen die in der Küvette enthaltene Probensubstanz und die erste Peltier-Sinheit (12·¹¹) eingefügt ist, in dem ein erster und ein zweiter Fühler (32¹¹¹, 40^fl·) angeordnet sind, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das zur Temperatur an Stellen nächst der Probensubstanz bzw. der ersten Peltier-Einheit proportional ist, daß der Küvettenkorb (30^llf) thermisch zwischen die erste und die zweite Peltier-Einheit (12¹¹¹, H¹¹¹) eingefügt ist und in ihm ein dritter Fühler (42···) nächst der ersten Peltier-Einheit (12···) angeordnet ist, um ein zur Temperatur proportionales elektrisches Signal zu erzeugen, und daß die Steuereinrichtung (20) für die erste Peltier-Einheit einen ersten Komparator (36) enthält, an dessen einem Eingang das Signal vom ersten Fühler (32¹¹¹) und an dessen anderem Eingang eine Einrichtung (38) zum Errichten einea

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veränderbaren Sollpunktes liegt und dessen Ausgang die erste Peltier-Sinheit (12¹¹·) beaufschlagt, während die Steuereinrichtung (22) für die zweite Peltier-Einheit einen zweiten Komparator (48) aufweist, an dessen einem Eingang das Signal vom zweiten Fühler (40···) und an dessen anderem Eingang das Signal vom dritten Fühler (42¹¹·) liegt und dessen Ausgang die zweite Peltier-Einheit (I4^lff) beaufschlagt.

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