水文测船冬季温控电热系统技术设计

2014-02-20周建伟张建国李凤军张文利陈文鹏

水利规划与设计 2014年5期

关键词：电位器可控硅机舱

周建伟张建国李凤军张文利陈文鹏

水文测船冬季温控电热系统技术设计

周建伟张建国李凤军张文利陈文鹏

（黄河水利委员会山东水文水资源局山东济南 250100）

本文主要介绍利用光电耦合原理，从技术设计、电路原理、元器件选择等方面进行水文测船冬季保暖设备温控电路技术研究。

测船凌汛保暖技术设计

1 设计背景

黄河下游水文测船机舱冬季保温，是保证凌汛期水文测验的根本保证。目前，各水文测站采取的保温措施主要的途径有：一是加温；二是放掉机器的循环水；三是保温。保温可以缓解一下矛盾，但不能解决根本问题，初冬、初春时节的防冻问题可以解决，但严冬的防冻问题是无法解决的。放掉机器的循环水对于水文测船是不现实的，因为水文测站每天8:00均要使用测船进行水文测验，并且黄河水位涨落变化较快，随时要调整船舶位置，机器随时要使用。当北方河流的冬季气温降至-5℃以下，只能对机舱进行必要的加温，才能解决冬季机器防冻的问题，彻底防止机器被冻裂现象的发生。

为解决测船电热加温控制，本文根据光电耦合原理，对水文测船机舱保暖温控电热技术进行了设计。

2 技术设计

2.1加热控制

低温加热设定范围在0℃～10℃，加热阀值电压设置为2.5V。基本电路见图1,计算见表1。

图1 加热控制加热阀

图2 加热控制可变电位器

表1 低温加热计算表(阀值电压为2.5V)

其中W为可变电位器，把它分解为W1、R1。实际电路见图2。W1采用多圈精密电位器（带旋转指针指示的电位器），其值为323Ω，设置温度指示精度可达到0.02℃,R1也采用多圈精密电位器，R1阻值为10千欧姆，精确调整为8.829KΩ，然后把调整部件封死，以防松动。

设定的加热温度最低值＝指针读数，单位为℃。

2.2停止加热控制24

停止加热设定范围在5℃～15℃，停止加热阀值电压设置为5V。基本电路见图3,计算见表2。

表2 停止加热计算表(阀值电压为.5V)

W为可变电位器，把它分解为W2、R2。实际电路见图4。W2采用多圈精密电位器（带旋转指针指示的电位器），其值为624Ω，设定温度指示精度可达0.01℃,R2也采用多圈精密电位器，R2阻值为20千欧姆，精确调整为17.352KΩ，然后把调整部件封死，以防松动。设定的停止加热温度值=指针读数＋5，单位为℃。

图3 加热控制可变电位器

图4 停止加热控制

2.3主控电路

由IC3、Z1、D1～D4、W3、R3、C1组成主控电路，机船越冬精密温控电路见图5。Z1、D1～D4、W3、R3、C1组成的基准电压形成电路，为IC1的5脚提供精确的5V电压，以便使设置的上限位和下限位温度更加准确。

当温度下降时，IC1的2脚电压也随之逐渐减小，当IC1的2脚电压等于或小于2.5V时，IC3翻转，Q端输出高电平，送往驱动电路，使电热器对机舱加热。温度逐渐上升，IC1的2脚电压也随之逐渐增加，当IC1的2脚电压等于或大于2.5V时，IC3并不翻转（只有IC3的6脚电压等于或大于5V时，IC3才翻转），Q端保持高电平，电热器仍然为机舱加热。

机舱温度继续上升，IC2的2脚电压也随之逐渐升高，当IC2的2脚电压等于或大于5V时，IC3翻转，Q端输出低电平，控制电热器停止为机舱加热。达到机舱温度始终控制在设定的温度范围内的预期目标。

图5 机船越冬精密温控电路

2.4驱动电路

由V1、IC4、LAMP、R4组成驱动电路，当IC3的Q端输出高电平时，V1饱和导通，在IC4的1脚得到约2V的电压，通过光电偶合，把开机信号（电热器开信息）传递到IC4的4和6脚。

当IC3的Q端输出低电平时，V1截止，在IC4的1脚电压为0V，IC4没有信息可以传递，IC4的4和6脚没有加热信息，加热器停止加热。

2.5电子开关

由T1、R6、R5、R7、C2组成电子开关电路，用于对加热器进行开关控制。

当IC4的4和6脚输出加热信息时，双向可控硅导通，电热器接通，为机舱加热。当IC4的4和6脚没有加热信息，双向可控硅截止，相当于关断，电热器被断开，电热器停止为机舱加热。达到了温度控制的目的。

2.6稳压供电电路

稳压供电电路由B1、D5～D8、IC5等元件组成。其中IC5（7812）是稳压集成电路，C3、C4、L1、C5、C6为π型滤波网络，C7、C8、L2为L型滤波网络，均为提高12V电压的质量而设计的。

3 电路原理

根据气温情况，把下限温度调整至某一固定值，如1℃；把上限温度调整至另一固定值，如5℃。夜间机船停泊在岸边后，机舱内的温度逐渐下降，传感器IC1的2脚电压随之逐渐下降，当到达预置的下限温度1℃时，传感器IC1的2脚电压等于2.5V，IC3的2脚电压也为2.5V，达到了触发条件，IC3翻转，3脚输出高电平，V1饱和导通，在IC4的1脚得到约2V的电压，通过光电偶合，把开机信号（电热器开信息）传递到IC4的4和6脚。IC4的4和6脚得到了加热信号，双向可控硅被触发而导通，电热器RL接通，为机舱加热。

由于电热器对机舱加热，机舱内的温度逐渐上升，传感器IC2的2脚电压随之逐渐上升，当到达预置的上限温度5℃时，传感器IC2的2脚电压等于5V，IC3的6脚电压也为5V，达到了触发条件，IC3翻转，3脚输出低电平，V1截止，在IC4的1脚得到约0V的电压，IC4没有信息可以传递， IC4的4和6脚没有加热信息，可控硅没有了触发信号，从而截止，加热器被关断，停止为机舱加热。

机舱温度随时间的推移逐渐下降，当到达1℃时电热器又为机舱加热，机舱温度逐渐上升，当到达5℃时电热器又被关掉，如此循环往复，使机舱内的温度始终保持在1℃～5℃之间，达到了自动控制机舱温度的目的。

4 元器件选择

4.1IC1、IC2、W1、W2的选择

IC1、IC2选择同一类型的精密温度传感器，这里选择AD590JK器件作为机船温度探头。

AD590JH是精密电流型温度传感器，在工作电压4～30伏内，能提供1μA/K的恒定电流，电流是随温度的变化而变化，电源电压的波动对电流的影响甚微，生产厂家在生产过程中逐个进行273.15K校准（即摄氏0℃校正），线性度极好，精度很高;它的使用范围在-55℃～+150℃。本设计应用的范围为0℃～+15℃,应用范围内的转换特性如图6（只画出使用范围内的部分），电流～温度呈直线关系，即I＝αT，其中：I—输出电流，T—绝对温度，α—斜率（斜率为1）。

输出电流与摄氏温度的关系也呈直线关系，斜率为α＝1，即I＝α（T-273.15），简化为I＝T-273.15。

根据实际需要温度测量范围为0～15℃。W1、W2选择10圈精密线性电位器，应带有双指针行程指示度盘，以便温度设置

4.2IC3、Z1的选择

IC3选用CC7555，其主要特点是输入阻抗特高，输入端工作电流只有50pA,对温度采集电路的影响极微，所以特别适合本测温电路。CC7555的主要参数如表3，表4。