ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для разработки и построе­ния современных систем обеспечения теп­лового режима, а особенно для жидкостных систем термостабилизации, почти полностью отсутствует номенклатура элементной базы ка­тегории качества «Военная приемка» («ВП»). При этом традиционно применяемые элемен­ты не всегда отвечают современным требова­ниям по точности измерения и возможности передачи сигналов для цифровой обработки. Например, основными недостатками примене­ния терморезисторов с отрицательным (поло­жительным) температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) являются ограниченный температурный диапазон, нелинейность вы­ходной характеристики и изменение характе­ристик с течением времени [1][2]. Характерные зависимости для двух типов терморезисторов представлены на рисунке 1.

Применение цифровых микросхем, уста­навливаемых на печатные платы, сопряжено с конструктивной сложностью их интегриро­вания в систему термостабилизации для изме­рения температуры охлаждающей жидкости в гидротракте.

Основным требованием к системе тер­мостабилизации является поддержание тем­пературы охлаждающей жидкости в заданном диапазоне. При этом измеренные значения температуры используются в алгоритме ячей­ки управления для включения и выключе­ния функциональных устройств (нагрева­тель и вентиляторы блока теплообменников), а также для формирования сигнала готовности системы термостабилизации для включения передающего устройства [3][4].

Таким образом, существует необходи­мость не только в доработке существую­щих образцов систем термостабилизации по улучшению их характеристик, но и в раз­работке новых технических решений, позво­ляющих обеспечить заданную точность из­мерений параметров с учетом современных требований в части цифрового управления и контроля в системе термостабилизации передающего устройства, а также расширить номенклатуру элементной базы категории качества «ВП».

В данной статье представлены результа­ты разработки и практической реализации таких устройств, как термопреобразователь и термореле, которые в совокупности позво­ляют повысить надежность и эффективность систем термостабилизации в целом.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

Принципиальная схема термопреобразова­теля представлена на рисунке 2. Основным элементом является термочувствительная микросхема 1019ЧТ3С (D1), которая преоб­разует значение температуры в выходной ток от 203 до 433 мкА с температурным ко­эффициентом 1 мкА/°С при температуре измеряемой среды от минус 60 до 150 °С и напряжении питания от 4 до 30 В. Входное напряжение электропитания термопреоб­разователя значением 28 В подается на ис­точник опорного напряжения (D2) и на кол­лектор транзистора (VT1). Формируемое опорное напряжение значением 12 В подает­ся на операционный усилитель (D3), который в зависимости от разницы значений напря­жений, поступающих с выхода термочув­ствительной микросхемы и делителя напря­жения из резисторов R₂ и R₃, устанавливает напряжение на эмиттере транзистора. Преци­зионный резистор R₁ формирует напряжение пропорционально температуре измеряемой среды. В результате происходит изменение значения тока потребления схемы термо­преобразователя пропорционально значению температуры измеряемой среды. Диод VD1 защищает элементы схемы от неправильной полярности электропитания.

Резисторы R₄, R₅ и R₇ регулируют коэф­фициент усиления операционного усилителя для формирования токовой петли схемы тер­мопреобразователя в диапазоне от 10 до 24 мА. Подстроечный резистор R* обеспечивает подстройку токовой петли для получения аб­солютной погрешности измерения температуры ±1 °С. Математическая модель термопреобразо­вателя описывается выражением:

где I_вых(T) - значение тока потребления схемы, А; I_t(T) - значение тока термочувствительной микро­схемы, А; R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₇ - значения сопротивлений резисторов в цепях схемы, Ом; R* - зна­чение сопротивления подстроечного резистора, Ом; U_ОП - значение напряжения источника опор­ного напряжения, В; I_П - значение тока потребления элементов схемы термопреобразователя, А.

Схема подключения термопреобразо­вателя к ячейке управления представлена на рисунке 3. Формируемый ток термопреоб­разователя на резисторе R_h = 150 Ом создает напряжение от 1,5 до 3,6 В, которое измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Так как значение температуры преобразуется в значение тока, то на измерения на входе АЦП не влияют наводки от внешних помех и поте­ри на длину проводов при передаче сигнала на большие расстояния.

Принципиальная схема термореле пред­ставлена на рисунке 4. Схема построена с при­менением термочувствительной микросхемы 1019ЧТ3С (D1). Входное напряжение электро­питания термореле значением 28 В подается на источник опорного напряжения (D2), термо­чувствительную микросхему, а также на вто­рой контакт соединителя XI через замкнутый ключ коммутатора (D3). Опорное напряже­ние значением 12 В подается на компаратор напряжения (D4) и на делитель напряжения из резисторов R₂ и R₃. Значения сопротивле­ний данных резисторов подобраны так, чтобы компаратор напряжения срабатывал, когда зна­чение тока термочувствительной микросхемы будет соответствовать температуре измеряе­мой среды более 90 °С. Напряжение с выхода компаратора поступает на коммутатор, кото­рый размыкает цепь электропитания 28 В. Коммутатор на базе микросхемы 2М419А1 до­пускает ток коммутации до 7 А. Подстроечный резистор R* обеспечивает подстройку токовой петли для получения абсолютной погрешности измерения температуры ±1 °С, а диод VD1 за­щищает элементы схемы от неправильной по­лярности электропитания.

Значения сопротивлений резисторов R₁, R₂ и R₃ в зависимости от требуемой темпера­туры срабатывания термореле (Т_реле) опреде­ляются следующим выражением:

где I_T.M.(T_реле) - значение тока термочувстви­тельной микросхемы, при котором происходит срабатывание термореле, А; R₁, R₂, R₃ - значе­ния сопротивлений резисторов в цепях схемы, Ом; R*- значение сопротивления подстроечно- го резистора, Ом; U_on - значение напряжения источника опорного напряжения, В.

Таким образом, приведенные схемотех­нические решения, основанные на применении термочувствительной микросхемы, обеспечи­вают линейную зависимость источника тока термопреобразователя от температуры изме­ряемой среды и заданную температуру сраба­тывания термореле. Предложенные схемы про­сты с точки зрения построения, что позволяет реализовать их на современной отечественной элементной базе категории качества «ВП».

КОНСТРУКЦИЯ

Термопреобразователь и термореле раз­работаны в унифицированном герметичном конструктивном исполнении. Общий вид конструкции с основными элементами и габа­ритными размерами представлен на рисунке 5. Корпус, крышка и штуцер выполнены из алю­миниевого сплава для повышения техноло­гичности механической обработки заготовок. Герметичность корпуса с печатной платой вну­три обеспечивается за счет резиновых прокла­док под крышки и разъем, а также уплотни­тельного кольца под штуцер. Печатная плата фиксируется в посадочных местах корпуса на винтах с шайбами. Термочувствительная микросхема устанавливается во внутреннюю полость штуцера в точке контакта с измеряе­мой средой на теплопроводящий кремнийорганический клей-герметик (Эласил 137-182) и заливается двухкомпонентным термостой­ким диэлектрическим эластичным герметиком (Пентэласт-711) для надежной фиксации. Сум­марная толщина стенки с теплопроводящим покрытием в области контактной поверхности термочувствительной микросхемы составляет не более 1,2 мм. При этом расчетное значение удельного теплового сопротивления соста­вит не более 1*10^-3 (°С·м²)/Вт [5]. Провода типа МГТФ от разъема и термочувствительной микросхемы запаиваются на печатную плату в переходные отверстия. Так как печатная пла­та с радиоэлектронными компонентами нахо­дится в корпусе и не имеет прямого контакта с измеряемой средой, то это исключает пере­грев данных компонентов выше допустимой рабочей температуры 125 °С.

Конструкция штуцера под монтаж тер­мопреобразователя и термореле в гидротракт выполнена под стандартизованное штуцерное соединение М20×1,5 [6].

Применение соединителей (корпус­ная розетка с числом контактов на 3 или 4) типа 2РТТ с одинаковыми габаритно-присо­единительными размерами обеспечивает за­щиту от неправильного подключения элек­тропитания данных устройств в системе термостабилизации без использования ключа. Также на корпусах выполнена лазерная гра­вировка децимального номера и обозначения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Экспериментальные результаты работы макетного образца термопреобразователя в сравнении с аналогом без категории каче­ства «ВП» ТПУ 0304/М1 серийного произ­водства НПП «Элемер» (г. Зеленоград) пред­ставлены на рисунке 6 в виде характеристик зависимости значений тока от температуры воздуха. Исследование проводилось в климатической камере тепла-холода с выдержкой на каждой измеряемой точке до установле­ния постоянного показания значения тока потребления.

Анализ результатов исследования пока­зал, что значения тока макетного образца тер­мопреобразователя при изменении темпера­туры воздуха пропорциональны значениям тока аналога с температурным коэффициентом 0,12 мА/°С. Разность значений тока между ма­кетным образцом и аналогом составляет 6 мА во всем диапазоне температур измеряемой сре­ды. Данная разность обусловлена токами потреб­ления элементов схемы термопреобразователя.

Компенсировать эту разность можно с помощью коррекции измерений в АЦП микроконтроллера или подбором номиналов значений сопротивле­ний резисторов схемы термопреобразователя.

Таким образом, полученные результаты подтверждают правильность предложенных схемотехнических решений при построении схемы термопреобразователя. Сравнительная характеристика макетного образца и аналога представлена в таблице 1.

Ключевым требованием к терморе­ле является точность срабатывания, так они применяются для защиты электровакуум­ных СВЧ-приборов в передающем устройстве от недопустимого перегрева. В системах тер­мостабилизации рабочая температура охла­ждающей жидкости находится в диапазоне от 55 до 85 °С. Срабатывание защиты переда­ющего устройства от недопустимого перегре­ва определено при температуре охлаждающей жидкости более 90 °С [7].

Экспериментальные результаты рабо­ты макетного образца термореле в сравнении с аналогом Т35П-07 (ТУ 25.02.06.1995-76) представлены на рисунке 7 в виде характери­стики логического действия от температуры измеряемой среды.

Основной характеристикой термореле является ширина диапазона зоны нечувстви­тельности - разность между температурой срабатывания термореле и отпускания [8]. Дат­чик-реле температуры Т35П-07 имеет ширину диапазона зоны нечувствительности не более 4 °С при допуске измерения ±2 °С.

Результаты эксперимента показали, что макетный образец термореле имеет шири­ну диапазона зоны нечувствительности не бо­лее 4 °С, которая возникает из-за имеющегося теплового сопротивления конструкции. Срав­нительная характеристика макетного образца и аналога представлена в таблице 2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье приведены результаты разра­ботки схемотехнических и конструкторских решений, а также экспериментальные дан­ные для двух устройств: термопреобразова­тель и термореле. Термопреобразователь имеет точность измерения сопоставимую с точно­стью измерения серийного аналога во всем диапазоне значений температуры охлаждаю­щей жидкости. Термореле в части точности срабатывания имеет характеристики не хуже аналога. При этом предлагаемые устройства реализованы на современной отечественной элементной базе категории качества «ВП» и испытаны на стендовой аппаратуре системы термостабилизации передающего устройства.

Авторы: К. В. Ахлестин, А. Н. Албутов, А. Ю. Васин, А. Ю. Цыцарев, К. И. Федорко

Материал предоставлен для публикации журналом "Вестник концерна ВКО "Алмаз - Антей"