ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР-ТЕРМОТЕГУЛЯТОР
Описываемый цифровой
термометр-терморегулятор разрабатывался, под
заказ, специально для использования в
устройствах промышленной автоматики. Его
отличает высокая чувствительность и
помехоустойчивость. Несмотря на достаточную
простоту, по многим техническим характеристикам
он не уступает, а по некоторым даже превосходит,
значительно более сложные промышленные приборы.
Различные варианты устройства длительное время
применяемые в быту и на производстве
зарекомендовали себя как очень надежные и
удобные в работе. Прибор может быть использован
для автоматического контроля и измерения
температуры в теплицах и овощехранилищах,
сушильных шкафах и электропечах, биомедицинских
целях. Наличие гальванической развязки по цепям
питания и управления делают цифровой
термометр-терморегулятор надежным и безопасным
в работе. Использование оптронной системы
синхронизации с частотой сети позволяет
избежать коммутационных помех. А при совместной
эксплуатации нескольких устройств это
обеспечивает согласованность индикации режимов
их работы, что создает дополнительные удобства
(можно, например, сравнить инерционность систем).
Прибор состоит из
двух основных функциональных узлов:
электронного терморегулятора и цифрового
измерителя. Управляющие сигналы в
терморегуляторе формируются на основе сравнения
напряжения получаемого от термодатчика, с
опорным напряжением.
Основные технические
характеристики прибора следующие: диапазон
контролируемых температур от минус 50 до 200 °С, или
до 1200 °С, в зависимости от используемого датчика.
Погрешность термометра не более 1.5% от верхнего
предела измерения, точность поддержания
температуры до 0.05 °С. Максимальная частота
коммутации нагрузки 12,5 Гц, ток нагрузки до 0.1А, а
при использовании дополнительного симисторного
ключа, например ТС142-80, может достигать 80А при
напряжении ~220V, габаритные размеры
120Х75Х160.
Принципиальная схема
прибора изображена на рисунке1. Переменное
напряжение ~24V с частотой сети (f) снимаемое с
вторичной обмотки трансформатора ТР1 через
ограничивающий резистор R21 идет на
транзисторный оптрон U1, на выводе 5 которого
образуются синхронизирующие импульсы, фронт
которых по времени практически совпадает с
моментами перехода сетевого напряжения через
ноль. Далее эти импульсы поступают на цифровую
часть прибора, которая на основе сигналов
приходящих с аналоговой части, формирует
соответствующие управляющие сигналы. Аналоговая
часть прибора реализована на четырех ОУ
микросхемы *. Напряжение, снимаемое с
термодатчика, усиливается ОУ DA1.1 и поступает на
входы ОУ DA1.2-DA1.4 выполняющих роль
компараторов. Опорные напряжения, определяющие
пороги их переключения задаются резисторами R8, R9, R11, R12, R14-R16. Благодаря … ОУ DA1.2-DA1.4 и большому
коэффициенту их усиления достигнута очень
высокая чувствительность прибора. Резистор R12 служит для
установки верхнего температурного порога, при
котором нагрузка отключится, а резистор R9 – задания разницы
температуры (t) между верхним и
нижним порогами переключения терморегулятора. В
случае когда регулировка ∆t не требуется для
обеспечения максимальной точности поддержания
температуры вместо резистора R9 рекомендуется
установить перемычку, резистор R8 при этом можно
исключить из схемы. Цепи на элементах VD1-VD3, C1-C3, R10, R13, R17 служат для
предотвращения прохождения отрицательного
напряжения на входы цифровых микросхем и
устранения помех. Синхронизация триггеров DD1.2, DD2.1, DD2.2 осуществляется
импульсами с частотами f/X, f/Y, f/Z соответственно,
формируемых счетчиком DD3. Логику
формирования управляющих сигналов в устройстве
поясняет таблица1.
Таким образом, в
установившемся режиме работы, когда температура
на объекте соответствует заданной, индикатор HL2 должен быть
постоянно включен, а индикаторы HL1, HL3 – выключены. Об
отклонениях температуры, сигнализирует
включение индикаторов HL1, HL3, для повышения
наглядности они работают в мигающем режиме.
Необходимые для управления этими индикаторами
импульсы частотами f/8 и f/64 соответственно,
формируются на выходах 5 и 12 счетчика DD3. С вывода 9 триггера DD1.2 через эмиттерный
повторитель на транзисторе VT1, сигнал идет на
цепи индикации и управления нагрузкой.
Принудительное отключение нагрузки
осуществляется выключателем SА1, размыкающим эти
цепи. Для управления нагрузкой используется
динисторный оптрон U2, включенный в
диагональ моста VD2. Максимальный
коммутируемый ток в таком варианте составляет
0.1А. Установив дополнительно семистор VS1, и
соответственно изменив схему включения нагрузки
этот ток можно увеличить до 80А.
Функции измерения
температуры, а также отображения ее задаваемого
значения реализованы на основе микросхемы ILC7107.
Выбор этого АЦП обусловлен возможностью
непосредственного подключения к нему
светодиодных знакосинтезирующих индикаторов,
которые наиболее подходят для применения в
устройствах автоматики. При отжатой кнопке СВ1 на
АЦП поступает напряжение с выхода ОУ DA 1.1,
обеспечивая режим измерения температуры. При
нажатии на кнопку СВ1измеряется напряжение на
переменном резисторе R12,соответствующее
температуре установленного порога
регулирования.
В устройстве
использованы постоянные резисторы МЛТ,
подстроечные СП5-2 (R9, R15), переменный СП3-45 (R12), конденсаторы К73-17 (C11-C13), КТ1 (C10), К53-1 (C4-C7). Оптрон АОУ 103В
можно заменить на АОУ115В. Настройка прибора
заключается в установке резистором R3 правильных
показаний термометра при минимальной
температуре, а резистором R4–при максимальной.
Для устранения взаимного влияния сопротивлений
резисторов такую регулировку следует повторить
несколько раз. Правильно собранный прибор в
дальнейшей настройке не нуждается, необходимо
лишь установить резистором R9 требуемое значение ∆t, а резистором R15 допустимый предел
превышения температуры до включения аварийной
сигнализации.
Питание
низковольтной части устройства осуществляется
от двуполярного стабилизатора напряжением ±5V, собранного на
элементах DA2-DA3, C4-C9. Для управления
оптроном U1 используется
напряжение +12V, снимаемое с
положительного плеча диодного моста VD1. Ввиду наличия в
силовой части устройства сетевого напряжения 220V,
при его эксплуатации, монтаже и настройке
необходимо соблюдать соответствующие правила
техники безопасности. Прибор имеет высокую
помехозащищенность, допускающую значительную
протяженность линии соединяющей его с датчиком.
Однако для обеспечения надежной работы прибора
не следует прокладывать ее вблизи силовых
проводов несущих высокочастотные и импульсные
токи.
Возможные
варианты состояний устройства при различных
режимах работы
Таблица 1
Процесс |
Характеристика |
Вход
1 DD 1.1 |
Вход
4 DD 1.1 |
Вход
2 DD 2.1 |
HL 1 |
HL 2 |
HL3 |
L4 |
Нагрев |
Температура меньше нижнего порога |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
Нагрев |
Температура больше нижнего но меньше верхнего порога |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
Нагрев |
Температура больше верхнего порога но меньше аварийного |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
Охлаж. |
Температура больше нижнего но меньше верхнего порога |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
Охлаж. |
Температура меньше нижнего порога |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
Критический нагрев |
Температура выше аварийного порога |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
E-mail: lainslav@narod.ru