水文測(cè)船冬季溫控電熱系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)

周建偉 張建國(guó) 李鳳軍 張文利 陳文鵬

水文測(cè)船冬季溫控電熱系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)

周建偉 張建國(guó) 李鳳軍 張文利 陳文鵬

（黃河水利委員會(huì)山東水文水資源局 山東濟(jì)南 250100）

本文主要介紹利用光電耦合原理，從技術(shù)設(shè)計(jì)、電路原理、元器件選擇等方面進(jìn)行水文測(cè)船冬季保暖設(shè)備溫控電路技術(shù)研究。

測(cè)船 凌汛 保暖 技術(shù)設(shè)計(jì)

1 設(shè)計(jì)背景

黃河下游水文測(cè)船機(jī)艙冬季保溫，是保證凌汛期水文測(cè)驗(yàn)的根本保證。目前，各水文測(cè)站采取的保溫措施主要的途徑有：一是加溫；二是放掉機(jī)器的循環(huán)水；三是保溫。保溫可以緩解一下矛盾，但不能解決根本問(wèn)題，初冬、初春時(shí)節(jié)的防凍問(wèn)題可以解決，但嚴(yán)冬的防凍問(wèn)題是無(wú)法解決的。放掉機(jī)器的循環(huán)水對(duì)于水文測(cè)船是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)樗臏y(cè)站每天8:00均要使用測(cè)船進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)，并且黃河水位漲落變化較快，隨時(shí)要調(diào)整船舶位置，機(jī)器隨時(shí)要使用。當(dāng)北方河流的冬季氣溫降至-5℃以下，只能對(duì)機(jī)艙進(jìn)行必要的加溫，才能解決冬季機(jī)器防凍的問(wèn)題，徹底防止機(jī)器被凍裂現(xiàn)象的發(fā)生。

為解決測(cè)船電熱加溫控制，本文根據(jù)光電耦合原理，對(duì)水文測(cè)船機(jī)艙保暖溫控電熱技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2 技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1加熱控制

低溫加熱設(shè)定范圍在0℃～10℃，加熱閥值電壓設(shè)置為2.5V?；倦娐芬?jiàn)圖1,計(jì)算見(jiàn)表1。

圖1 加熱控制加熱閥

圖2 加熱控制可變電位器

表1 低溫加熱計(jì)算表(閥值電壓為2.5V)

其中W為可變電位器，把它分解為W1、R1。實(shí)際電路見(jiàn)圖2。W1采用多圈精密電位器（帶旋轉(zhuǎn)指針指示的電位器），其值為323Ω，設(shè)置溫度指示精度可達(dá)到0.02℃,R1也采用多圈精密電位器，R1阻值為10千歐姆，精確調(diào)整為8.829KΩ，然后把調(diào)整部件封死，以防松動(dòng)。

設(shè)定的加熱溫度最低值＝指針讀數(shù)，單位為℃。

2.2停止加熱控制24

停止加熱設(shè)定范圍在5℃～15℃，停止加熱閥值電壓設(shè)置為5V。基本電路見(jiàn)圖3,計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 停止加熱計(jì)算表(閥值電壓為.5V)

W為可變電位器，把它分解為W2、R2。實(shí)際電路見(jiàn)圖4。W2采用多圈精密電位器（帶旋轉(zhuǎn)指針指示的電位器），其值為624Ω，設(shè)定溫度指示精度可達(dá)0.01℃,R2也采用多圈精密電位器，R2阻值為20千歐姆，精確調(diào)整為17.352KΩ，然后把調(diào)整部件封死，以防松動(dòng)。設(shè)定的停止加熱溫度值=指針讀數(shù)＋5，單位為℃。

圖3 加熱控制可變電位器

圖4 停止加熱控制

2.3主控電路

由IC3、Z1、D1～D4、W3、R3、C1組成主控電路，機(jī)船越冬精密溫控電路見(jiàn)圖5。Z1、D1～D4、W3、R3、C1組成的基準(zhǔn)電壓形成電路，為IC1的5腳提供精確的5V電壓，以便使設(shè)置的上限位和下限位溫度更加準(zhǔn)確。

當(dāng)溫度下降時(shí)，IC1的2腳電壓也隨之逐漸減小，當(dāng)IC1的2腳電壓等于或小于2.5V時(shí)，IC3翻轉(zhuǎn)，Q端輸出高電平，送往驅(qū)動(dòng)電路，使電熱器對(duì)機(jī)艙加熱。溫度逐漸上升，IC1的2腳電壓也隨之逐漸增加，當(dāng)IC1的2腳電壓等于或大于2.5V時(shí)，IC3并不翻轉(zhuǎn)（只有IC3的6腳電壓等于或大于5V時(shí)，IC3才翻轉(zhuǎn)），Q端保持高電平，電熱器仍然為機(jī)艙加熱。

機(jī)艙溫度繼續(xù)上升，IC2的2腳電壓也隨之逐漸升高，當(dāng)IC2的2腳電壓等于或大于5V時(shí)，IC3翻轉(zhuǎn)，Q端輸出低電平，控制電熱器停止為機(jī)艙加熱。達(dá)到機(jī)艙溫度始終控制在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)的預(yù)期目標(biāo)。

圖5 機(jī)船越冬精密溫控電路

2.4驅(qū)動(dòng)電路

由V1、IC4、LAMP、R4組成驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)IC3的Q端輸出高電平時(shí)，V1飽和導(dǎo)通，在IC4的1腳得到約2V的電壓，通過(guò)光電偶合，把開(kāi)機(jī)信號(hào)（電熱器開(kāi)信息）傳遞到IC4的4和6腳。

當(dāng)IC3的Q端輸出低電平時(shí)，V1截止，在IC4的1腳電壓為0V，IC4沒(méi)有信息可以傳遞，IC4的4和6腳沒(méi)有加熱信息，加熱器停止加熱。

2.5電子開(kāi)關(guān)

由T1、R6、R5、R7、C2組成電子開(kāi)關(guān)電路，用于對(duì)加熱器進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。

當(dāng)IC4的4和6腳輸出加熱信息時(shí)，雙向可控硅導(dǎo)通，電熱器接通，為機(jī)艙加熱。當(dāng)IC4的4和6腳沒(méi)有加熱信息，雙向可控硅截止，相當(dāng)于關(guān)斷，電熱器被斷開(kāi)，電熱器停止為機(jī)艙加熱。達(dá)到了溫度控制的目的。

2.6穩(wěn)壓供電電路

穩(wěn)壓供電電路由B1、D5～D8、IC5等元件組成。其中IC5（7812）是穩(wěn)壓集成電路，C3、C4、L1、C5、C6為π型濾波網(wǎng)絡(luò)，C7、C8、L2為L(zhǎng)型濾波網(wǎng)絡(luò)，均為提高12V電壓的質(zhì)量而設(shè)計(jì)的。

3 電路原理

根據(jù)氣溫情況，把下限溫度調(diào)整至某一固定值，如1℃；把上限溫度調(diào)整至另一固定值，如5℃。夜間機(jī)船停泊在岸邊后，機(jī)艙內(nèi)的溫度逐漸下降，傳感器IC1的2腳電壓隨之逐漸下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)置的下限溫度1℃時(shí)，傳感器IC1的2腳電壓等于2.5V，IC3的2腳電壓也為2.5V，達(dá)到了觸發(fā)條件，IC3翻轉(zhuǎn)，3腳輸出高電平，V1飽和導(dǎo)通，在IC4的1腳得到約2V的電壓，通過(guò)光電偶合，把開(kāi)機(jī)信號(hào)（電熱器開(kāi)信息）傳遞到IC4的4和6腳。IC4的4和6腳得到了加熱信號(hào)，雙向可控硅被觸發(fā)而導(dǎo)通，電熱器RL接通，為機(jī)艙加熱。

由于電熱器對(duì)機(jī)艙加熱，機(jī)艙內(nèi)的溫度逐漸上升，傳感器IC2的2腳電壓隨之逐漸上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)置的上限溫度5℃時(shí)，傳感器IC2的2腳電壓等于5V，IC3的6腳電壓也為5V，達(dá)到了觸發(fā)條件，IC3翻轉(zhuǎn)，3腳輸出低電平，V1截止，在IC4的1腳得到約0V的電壓，IC4沒(méi)有信息可以傳遞， IC4的4和6腳沒(méi)有加熱信息，可控硅沒(méi)有了觸發(fā)信號(hào)，從而截止，加熱器被關(guān)斷，停止為機(jī)艙加熱。

機(jī)艙溫度隨時(shí)間的推移逐漸下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)1℃時(shí)電熱器又為機(jī)艙加熱，機(jī)艙溫度逐漸上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)5℃時(shí)電熱器又被關(guān)掉，如此循環(huán)往復(fù)，使機(jī)艙內(nèi)的溫度始終保持在1℃～5℃之間，達(dá)到了自動(dòng)控制機(jī)艙溫度的目的。

4 元器件選擇

4.1IC1、IC2、W1、W2的選擇

IC1、IC2選擇同一類型的精密溫度傳感器，這里選擇AD590JK器件作為機(jī)船溫度探頭。

AD590JH是精密電流型溫度傳感器，在工作電壓4～30伏內(nèi)，能提供1μA/K的恒定電流，電流是隨溫度的變化而變化，電源電壓的波動(dòng)對(duì)電流的影響甚微，生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)過(guò)程中逐個(gè)進(jìn)行273.15K校準(zhǔn)（即攝氏0℃校正），線性度極好，精度很高;它的使用范圍在-55℃～+150℃。本設(shè)計(jì)應(yīng)用的范圍為0℃～+15℃,應(yīng)用范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換特性如圖6（只畫出使用范圍內(nèi)的部分），電流～溫度呈直線關(guān)系，即I＝αT，其中：I—輸出電流，T—絕對(duì)溫度，α—斜率（斜率為1）。

輸出電流與攝氏溫度的關(guān)系也呈直線關(guān)系，斜率為α＝1，即I＝α（T-273.15），簡(jiǎn)化為I＝T-273.15。

根據(jù)實(shí)際需要溫度測(cè)量范圍為0～15℃。W1、W2選擇10圈精密線性電位器，應(yīng)帶有雙指針行程指示度盤，以便溫度設(shè)置

4.2IC3、Z1的選擇

IC3選用CC7555，其主要特點(diǎn)是輸入阻抗特高，輸入端工作電流只有50pA,對(duì)溫度采集電路的影響極微，所以特別適合本測(cè)溫電路。CC7555的主要參數(shù)如表3，表4。

表3 CC7555其主要參數(shù)

表4 CC7555定時(shí)器功能表（真值表）

Z1選用基準(zhǔn)穩(wěn)壓源LM236-5.0。LM236-5.0基準(zhǔn)電壓電路（+5.0V）,是高精度、低溫度漂移的基準(zhǔn)電壓集成電路，以分流穩(wěn)壓器方式工作，該器件穩(wěn)壓精度較高，參數(shù)如下：

輸出電壓+5V；工作電流范圍0.4～10mA；可調(diào)整其電壓和溫度漂移；最大反向電流15mA；最大正向電流10mA；LM236-5.0工作溫度為-25～+85℃，LM236-5.0有金屬封裝和微型封裝，這里選用金屬封裝LM236-5基準(zhǔn)集成電路。

4.3IC4的選擇

IC4選用MOC306，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳排列見(jiàn)圖6，它采用雙列直插6腳封裝。

主要性能參數(shù)：可靠觸發(fā)電流Ift5-15mA；保持Ih100μA；超阻斷電壓 600V；重復(fù)沖擊電流峰值1A；關(guān)斷狀態(tài)額定電壓上升率dV/dt 100V/μs。

MOC3061的管腳排列如下：1、2腳為輸入端；4、6為輸出端；3、5腳懸空。輸入輸出光電隔離，強(qiáng)弱電沒(méi)有電的直接聯(lián)系。

4.4RL、T1的選擇

圖6 IC4內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳排列

根據(jù)機(jī)艙的大小，柴油機(jī)的大小、數(shù)量，合理選擇電熱器RL的大小，一般測(cè)船選用2000W的電熱器為宜。雙向可控硅T1是關(guān)鍵控制執(zhí)行部件，為適應(yīng)各類船只加熱的需要，選擇的容量較大的雙向可控硅，這里選擇1000V、50A的雙向可控硅。

5 性能指標(biāo)

（1）下限位溫度設(shè)置范圍0～10℃；上限位溫度設(shè)置范圍5～15℃。

（2）輸出功率10～5000W。

（3）設(shè)置精度小于0.1℃。

（4）溫度設(shè)置分劃值為0.02℃。

（5）艙內(nèi)數(shù)顯溫度計(jì)顯示范圍-20～50℃，精度0.1度。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.05.024

TM5

B

1672-2469（2014）05-0077-04

24作者簡(jiǎn)介：周建偉（1966年—），男，高級(jí)工程師。