Терморегулятор

Введение

Цифровой терморегулятор представленный в данной курсовой работе можно использовать для автоматического контроля измерения температуры сушильных шкафов и электропечах, в различных технологических процессах на производстве, а также в биомедицинских целях. Он обеспечивает высокую чувствительность и помехоустойчивость, удобное управление режимами работы. Наличие гальванической развязки по цепям питания и управления делают его надежным и безопасным в работе. Оптронная система синхронизации с частотой сети позволяет избежать коммутационных помех. Прибор состоит из двух основных функциональных узлов: электронного терморегулятора и цифрового измерителя. Управляющие сигналы в терморегуляторе формируются на основе сравнения напряжения, получаемого от термопары, с опорным напряжением.

1. Основные технические характеристики прибора

Диапазон контролируемых температур данного прибора от 0 до 200°С или до 1200°С в зависимости от используемого датчика. Погрешность термометра не более 1,5% от верхнего предела измерения, максимальная точность поддержания температуры до 0,05°С. Следует учитывать, что система с использованием термопары является дифференциальной, т. е. напряжение на ее выходе пропорционально разности температур между соединенными и свободными концами термопары. Поэтому если при высоких контролируемых температурах влияние колебаний температуры окружающей среды на выходное напряжение термопары незначительно, и его можно не учитывать, то для контролируемых температур менее 200°С необходимо применять дополнительные меры по компенсации изменения температуры свободных концов термопары. Максимальная частота коммутации нагрузки 125 Гц, ток нагрузки до 0,1 А, а при использовании дополнительного симисторного ключа до 80 А при напряжении ~220 В.

2. Структурная схема терморегулятора

Структурная схема терморегулятора изображена на рис.1. Рассмотрим работу регулятора температуры по блокам.

Температура нагрева измеряется датчиком и сигнал поступает на усилитель, с которого усиленный сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП выводит текущее значение температуры на индикаторы. Также усиленный сигнал поступает на блок компараторов где происходит установка порогов их переключения с выводом значений установки через АЦП на индикаторы. Таким образом с помощью одного АЦП и подключенных к нему индикаторов мы можем контролировать значения температуры на объекте, а также выставлять необходимые значения при установке необходимых порогов переключения при повышении или понижении температуры сверх установленных.

После блока компараторов сигнал поступает на блок фильтров низких частот (ФНЧ), который отфильтровывает высокочастотную составляющую сигнала, позволяя более надежно логическим элементам находящимся в блоке схемы контроля выхода температуры за установленные границы. Кроме индикации пониженных, установленных или повышенных значений температуры, этот блок управляет включением и отключением нагревательного элемента через блок управления нагрузкой.

Для нормальной работы устройства необходим источник питания (ИП), который питает пониженным напряжением микросхемы всего устройства. Также для нормальной работы АЦП необходим источник опорного напряжения, который тоже питается от ИП. Для того чтобы регулятор во время работы не создавал помех в питающей сети, в схему введен синхронизатор с частотой сети. Этот блок не только дает избавиться от помех при переключении нагрузки, но и позволяет более наглядно воспринимать посредством мигающих индикаторов выход значений температуры за установленные значения.

3. Принцип работы прибора

Принципиальная схема терморегулятора приведена на рисунке 2. Рассмотрим боле подробно работу прибора.

Переменное напряжение 220В через тумблер SB1 подается на первичную обмотку трансформатора питания Т1. Переменное напряжение 24В с частотой сети 50 Гц, снимаемое с вторичной обмотки трансформатора поступает на диодный мост VD5. После выпрямления напряжение сглаживается конденсаторами С4 и С5 и поступает на микросхемные стабилизаторы напряжения с фиксированным выходным напряжением +5В (DA2) и -5В (DA3). Данные стабилизаторы оснащены встроенной системой защиты от замыкания выходной цепи и перегрузки нагрузочным током, а также имеют повышенную стойкость к статическому электричеству. После стабилизаторов установлены выходные конденсаторы С6 и С7 служащие для нормальной работы микросхем DA2 и DA3, а также конденсаторы С8 и С9 небольшой емкости, устраняющие импульсные помехи по цепи питания.

Выпрямленное напряжение после диодного моста VD5 также подается через выключатель SA1 на динисторный оптрон U2 и светодиод HL4 включением которых, управляет транзисторный ключ VT1 через токоограничивающий резистор R1.

Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.

В электронной схеме оптрон выполняет функцию элемента связи, в одном из звеньев которого информация передается оптически. Это основное назначение оптрона.

Переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора Т1 через резистор R21 понижается до 12В и подается на транзисторный оптрон U1. Диод VD4 не допускает пробоя светодиода оптрона U1 отрицательным напряжением и играет роль шунтирующего элемента.

На выводе коллектора транзистора оптрона U1 образуются синхронизирующие импульсы, фронт которых по времени практически совпадает с моментами перехода сетевого напряжения через нуль. Это позволяет управлять включением силового элемента без создания помех в питающей сети 220В. 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 операционных усилителях микросхемы DA1. Эта микросхема представляет собой счетверенный операционный усилитель (ОУ) общего назначения.

Опера­ционный усилитель - это усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в устройстве с отрицательной обратной связью (ООС). Основное назначение ОУ - построение устройств с фиксированным коэффициентом усиления и точно синтезированной передаточной функцией. Благо­даря своей универсальности и возможности мно­гофункционального использования с помощью ОУ могут быть сделаны УПЧ, УРЧ, видеоусилители, УЗЧ и гетеродины радиоприемников, активные фильтры, генераторы сигналов различной формы, компараторы, стабилизаторы источников питания, преобразователи типа цифра - аналог и аналог - цифра, ограничители, масштабирующие, логарифмические, дифференцирующие, интегрирующие и другие усилители. Возможности применения ОУ зависят от его электрических параметров. Для полной характеристики ОУ необходимо более 30 параметров, с помощью которых возможно построение его параметрической модели.

18

18

Стандартный ОУ общего применения характеризуется средними значениями параметров по сравнению с максимальным достигнутым уровнем и суммарной погрешностью в пределах единиц процентов и может использоваться примерно в 100 - 130 вариантах включения.

Напряжение, снимаемое с термодатчика, усиливается ОУ DA1.1. Резисторы R1, R2 и R3 создают делитель напряжения. При настройке прибора напряжение, снимаемое с движка потенциометра R3, подается на инверсный вход операционного усилителя DA1.1 через токоограничивающий потенциометр R4. Такое включение потенциометров позволяет производить простую регулировку прибора при установке значений минимальной и максимальной температуры. Резистор R6 служит для обеспечения обратной связи операционного усилителя DA1.1. После усиления сигнал с термодатчика поступает через резистор R7 на инверсные входы ОУ DA1.2, DA1.3, и на вход DA1.4, выполняющие роль компараторов.

Компараторы представляют собой специализированные ОУ, работающие в нелинейном режиме и предназначенные для сравнения входного сигнала с опорным. В зависимости от того, какой из этих сигналов преобладает на выходе компаратора, устанавливается напряжение, соответствующее уровню логическо­го нуля или логической единицы. Они широко используются в профессиональной и любитель­ской аппаратуре при переходе от аналоговых трактов к цифровым при необходимости сравнения двух сигналов и в ряде других случаев.

Для повышения точности сравнения сигналов принимают меры к уменьше­нию входных токов и повышению коэффициента усиления. Для этих же целей используют внешние балансировочные элементы, позволяющие уменьшить входное  напряжение сдвига  нуля.

В данной схеме опорные напряжения, определяющие пороги переключения компараторов, задаются резисторами R8, R9, R11, R12, R14 - R16. Благодаря отсутствию обратных связей в 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 отключается, а резистор R9 предназначен для задания разницы температуры между верхним и нижним порогами переключения терморегулятора. Когда регулировка разницы температур не требуется, для обеспечения максимальной точности поддержания температуры вместо резистора R9 необходимо установить перемычку, резистор R8 при этом нужно исключить из схемы. Резистор R15 служит для установки допустимого предела превышения температуры до включения аварийной сигнализации. Диоды VD1 - VD3 служат для предотвращения прохождения отрицательного напряжения на входы цифровых микросхем. Цепи на элементах С1 - СЗ, R10, R13, R17 представляют собой простейшие фильтры для устранения высокочастотных помех.

Микросхема DD3 используется для синхронизации работы триггеров, используя частоту сети 50 Гц в качестве генератора сигналов. Эта ИС состоит из двух четырехразрядных цифровых счетчиков.

Цифровым счетчиком называют функциональный узел, который осуществля­ет счет поступающих на его вход импульсов (счетных импульсов), формирует результат счета в заданном коде и при необходимости хранит его. Для построения счетчика  необходимы триггеры  двухступенчатой структуры.

Каждый счетчик микросхемы DD3 имеет один вход, на который поступают счетные импульсы. Триггеры соединены последовательно, так что каждый последующий разряд срабатывает после того, как переключился предыдущий. Такой счетчик может посчитать 16 импульсов по числу его состояний 2n, где n - число разрядов (триггеров) счетчика. Результат снимается в виде двоичного кода с  выходов  всех  разрядов одновременно.

Счетчики с последовательным переносом имеют невысокое быстродействие, что обусловлено последовательным во времени срабатыванием разрядов. В этом заключается их основной недостаток. Преимущество состоит в простоте реализации. Нo при выборе триггеров надо исходить из того, что их быстродействие должно быть  выше  в n раз.

Импульсы синхронизирующие работу триггеров DD1.2, DD2.1, DD2.2 поступают с транзисторного оптрона U1 на счетный вход C1 c частотой сети 50Гц. На выходах Q1, Q2, Q3, Q4 счетчика формируются соответствующие импульсы с частотой в 2, 4, 8, 16 раз меньше частоты сети. Так как выход Q4 соединен с счетным входом С2 на выходах Q1, Q2, Q3, Q4 второго четырехразрядного счетчика формируются соответственно импульсы с частотой в 32, 64, 128, 256 раз меньше 50Гц, что приемлемо для индикации светодиодами HL1, HL3 и необходимо для синхронизации по времени триггеров. Входы Е1 и Е2 соединены с общим проводом, т.е. на них подан логический нуль, что разрешает работу счетчика. На входах R1 и R2 присутствует логическая единица, т.к. они соединены с напряжением питания +5В, что не предполагает обнуления счетчика.

Логику формирования управляющих сигналов в устройстве поясняет таблица №1.

Таблица №1

Сигналы терморегулятора

При включении прибора температура на объекте меньше нижнего порога, в соответствии с этим на выходе компаратора DA1.2. и соответственно входе R1 триггера DD1.1. присутствует логическая единица. На выходах остальных компараторов присутствует логический нуль, что приводит к переключению триггера DD1.1., на прямом выходе Q1, которого появляется логический нуль. Триггер DD1.2. переключается и на его инверсном выходе Q4 появляется напряжение, которое через токоограничивающий резистор открывает транзисторный ключ VT1 включая индикацию на светодиоде HL4 и управляя динисторным оптроном включает нагревательный элемент.

На входе D1 триггера DD2.1. присутствует логический нуль, а на вход C1 с счетчика DD3 поступает логическая единица, которая переключает триггер и на инверсном выходе Q2 которого появляется логическая единица. Т.к. светодиод HL1 включен в прямом направлении и на выходе Q3 счетчика DD3 периодически появляется логический нуль, светодиод HL1 начинает работать в мигающем режиме сигнализируя, что температура ниже заданных значений. Светодиоды HL2 и HL3 в это время не горят т.к. они подключены в обратном направлении к инверсным выходам Q2 и Q4 триггеров DD2.1. и DD2.2. на которых присутствует логическая единица.

При превышении температуры нижнего порога, которая определяется сопротивлением резистора R9, на выходе компаратора DA1.2. появляется логический нуль, а на выходе компаратора DA1.3. логическая единица, что приводит к переключению триггера DD2.1. На его инверсном выходе Q2 присутствует логический нуль, что приводит к свечению светодиода HL2 индицирующего, что температура на термодатчике в установленных пределах.

При выходе температуры на заданное значение, зависит от сопротивления R12 с выхода компаратора DA1.3. поступает логический нуль на инверсный вход S1 триггера DD1.1. и на вход D1 триггера DD2.1. Триггер DD1.1. переключается и с его выхода логическая единица поступает на вход D2 триггера DD1.2. С инверсного выхода этого триггера Q4 логический нуль запирает транзисторный ключ VT1, соответственно не горит индицирующий светодиод HL4 и светодиод динисторного оптрона U2, отключая нагревательный элемент. Светодиод HL2 продолжает гореть т.к. триггер DD2.1. находится в устойчивом состоянии.

При охлаждении термодатчика с выхода компаратора DA1.3. на инверсный вход S1 триггера DD1.1. и на вход D1 триггера DD2.1. поступает логическая единица что не приводит к переключению этих триггеров т.к. они находятся в устойчивом состоянии, а светодиод HL2 горит постоянно - температура находится в заданных значениях.

При дальнейшем охлаждении на выходе компаратора DA1.2. появляется логическая единица, а на выходе компаратора DA1.3. логический нуль и процесс повторяется.

В случае если температура на термодатчике увеличивается даже при отключении нагревательного элемента, в зависимости от сопротивления потенциометра R15, на выходе компаратора DA1.4. и входе D2 триггера DD2.2. появляется логическая единица, что приводит к его переключению. На прямом выходе Q3 этого триггера появляется логический нуль, что приводит к отключению светодиода HL2. На инверсном выходе Q4 триггера появляется логический нуль, что приводит к включению светодиода HL3, который тоже работает в мигающем режиме т. к. напряжение на него поступает с выхода Q6 счетчика DD3. Этот светодиод индицирует критический нагрев, что соответствует что на термодатчике температура выше аварийного порога. 

Принудительное отключение нагрузки осуществляется выключателем SA1, размыкающим цепи индикации и управления нагрузкой. Для управления нагрузкой используется динисторный оптрон U2, включенный в диагональ моста VD2. При открывании динистора оптрона ток, выпрямленный диодным мостом, поступает на нагревательный элемент. Если же динистор закрыт, ток в цепи питания нагревательного элемента не течет. Максимальный коммутируемый ток в таком варианте составляет 0,1 А. Установив дополнительно симистор и изменив схему включения нагрузки, этот ток можно увеличить, в зависимости от типа применяемого симистора.

Функции измерения температуры, а также отображение ее значения реализованы на основе микросхемы К572ПВ2. Выбор этого АЦП обусловлен возможностью непосредственного подключения к нему светодиодных знакосинтезирующих индикаторов. При использовании ЖКИ можно применить К572ПВ5. При отжатой кнопке SB1 на АЦП поступает напряжение с выхода ОУ DA1.1, обеспечивая режим измерения температуры. При нажатии на кнопку SB1 измеряется напряжение на переменном резисторе R12, соответствующее температуре установленного порога регулирования.

4. Детали прибора

В устройстве необходимо использовать постоянные резисторы типа МЛТ, подстроечные СП5-2 (R4, R9, R15), переменный СПЗ-45 (R12), конденсаторы типа К73-17 (С1-С3, С8, С9, С11-С13), КТ1 (С10), К53-1 (С4-С7). Оптрон U1 типа АОТ128Г. Оптрон АОУ103В (U2) возможно заменить на АОУ115В. Индикаторы HG1-HG4 типа SA08-11HWA можно заменить на отечественные КЛЦ402.

Микросхема КР572ПВ2. Представляет собой преобразователь на 3,5 десятичных разрядов, работающий по принципу последовательного счета с двойным интегрированием, с автоматической коррекцией нуля и определением полярности входного сигнала. Микросхема представляет собой электронную часть цифрового вольтметра, измеряющего входной сигнал до ±1,999 В и ± 199,9 мВ. Цифровая информация отображается на светодиодном индика­торе АЛС324Б. Микросхема представляет собой функционально-законченное устройство. Для работы преобразователя совместно с ИС используются только внешние конденсаторы, резисторы и источники питания. Схема включения показана на рис. 1

Назначение выводов ИС КР572ПВ2:

1 - напряжение питания U и.п1;

2 - цифровой выход d1;

3 - цифровой выход с1;

4 - цифровой выход b1;

5 - цифровой выход а1;

6 - цифровой выход f1;

7 - цифровой выход g1;

8 - цифровой выход е1;

9 - цифровой выход d10;

10 - цифровой выход с10;

18

11 - цифровой выход b10;

12 - цифровой выход а10;

13 - цифровой выход f10;

14 - цифровой выход е10;

15 - цифровой выход d100;

16 - цифровой выход b100;

17 - цифровой выход f100;

18 - цифровой выход е100;

19 - цифровой выход bс1000;

20 - цифровой выход g1000;

21 - общий;

22 - цифровой выход g100;

23 - цифровой выход а100;

24 - цифровой выход с100;

25 - цифровой выход g10;

26 - напряжение питания U и.п2;

27 - конденсатор интегратора;

28 - резистор интегратора;

29 - конденсатор автокоррекции;

30 - аналоговый вход Uвх (-);

31 - аналоговый вход Uвх (+);

32 - общий аналоговый выход;

33 - опорный конденсатор;

34 - опорный конденсатор;

35 - опорное напряжение (-);

36 - опорное напряжение (+);

37 - контрольный вход;

38 - конденсатор генератора ТИ;

39 - резистор генератора ТИ;

40 - генератор ТИ.

18

Основные параметры преобразователя при Uи.п1= 5В, Uи.п2= - 5B:

δпш = ± 1 ед. МР (КР572ПВ2А), ± 3ед. МР (Б), ± 5ед. МР (В); время цикла преобразования при fт = 50 кГц равно 300 мс; входное сопротивление до 20 МОм; Iпот ≤ 1,8 мА.

Микросхема имеет дифференциальные входы и высокую степень ослабле­ния синфазного сигнала (К ос.сф = 100 дБ), что позволяет использовать преобра­зователь в условиях действия сильных помех. Преобразователь может питаться от автономного источника.

В микросхеме предусмотрено использование внутреннего и внешнего тактовых генераторов. В первом случае частота регулируется конденсатором С1, емкость которого выбирается из условия C1 = R10,45/fт. Для повышения стабильности fт можно применять кварцевый резонатор, подключаемый между выводами 39 и 40 (элементы R1 и С1 в этом случае не используют). При работе с внешним генератором его подключают к выводу 40 (выводы 38 и 39 не используют).

При работе с преобразователем следует соблюдать правила подачи напряжения и защиты. Максимальные значе­ния напряжений Uи.п.1=5,5B, Uи.п.2=-8B.

5. Настройка терморегулятора

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 температуры, а резистором R15 - допустимый предел превышения температуры до включения аварийной сигнализации. В качестве датчика температуры можно использовать полупроводниковый диод. Основными преимуществами последнего являются низкая стоимость и намного меньшая инерционность по сравнению с интегральным датчиком, точность измерений достигает 0,2°С в диапазоне температур от -50 до +125°С. Питание низковольтной части устройства осуществляется от двуполярного стабилизатора напряжением ±5 В, собранного на элементах DA2 - DA3, С4 - С9. Для управления оптроном U1 используется напряжение +12 В. Запрещается включение прибора без наличия заземления. 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.

18