Два терморегулятора.
Автор - Сэр Мурр.
Вашему вниманию предлагаются схемы двух термостатов: первый - для жидкостных сред на диапазон температур от 00 С до +125 0С (хотя не возбраняется и для воздушной среды),
второй - для мощных электронагревателей, например - муфельной печи на диапазон температур +200С...+10000С
На схемах сделана разбивка на функциональные узлы (или блоки). У обоих термостатов есть одинаковые узлы:
Цифровой индикатор температуры, по которому производится отсчёт показаний и установка заданной температуры(ссылки на схемы смотрим ниже);
Узел сравнения измеренной температуры с заданной;
Узел пропорционального управления нагревателем;
Исполнительный узел включения нагревателя;
Источники питания и задания образцовых напряжений.
Схема цифрового индикатора подробно описана в статье
"Цифровой индикатор", а узел измерения температуры для жидкостного термостата рассмотрен в статье "Превращение цифрового индикатора в цифровой термометр". Рассмотрим теперь работу узла пропорционального управления нагревателем.
Большинство простых схем регулировки температуры реализуют так называемый "релейный" способ управления нагревателем - пока температура ниже заданной, нагреватель включён, когда выше заданной - выключен. Этому способу присущ недостаток - нагреватель шурует на всю катушку, даже когда температура близка к заданной. В результате, после отключения нагревателя, температура по инерции выскакивает за заданный предел, потом опускается до температуры включения, потом снова выскакивает за пределы - то есть не поддерживается на заданном уровне, а колеблется около него вверх вниз. Хорошо, если этот процесс - затухающий. Но всё равно выход температуры свыше заданного предела не желателен. Вот для борьбы с этим явлением и применён узел пропорционального управления. Пока температура ниже порога срабатывания узла, нагреватель включён постоянно. По мере приближения к заданной температуре узел начинает выключать нагреватель на некоторые периоды времени, которые тем больше, чем ближе измеренная температура к заданной. Таким образом, при подстройке порога включения узла, на жидкостном термостате достигалась точность поддержания температуры 0,1 0С. На термостате для муфеля дело обстоит хуже, там из-за очень большой температурной инерции камеры наблюдается "выбег" температуры до 10 0С, но при температурах несколько сот градусов это не существенно. Соглашусь с возражениями, что подобный узел можно реализовать на генераторе линейно меняющегося напряжения и компараторе, но предложенная схема проста, и вполне повторяема. Выход узла нагружен на оптронный тиристор типа МОС3061, который, в свою очередь, включает мощный тиристор, управляющий нагревателем. Тиристорный оптрон МОС3061 примечателен тем, что включается при переходе коммутируемого напряжения через ноль, и потому практически исключены коммутационные помехи. ( Ранее Сэр Мурр городил целую схему для реализации этого принципа работы - на трёх транзисторах и маломощном тиристоре - примечание кота Сэра Мурра). И ещё одна особенность предложенного узла - управление мощностью осуществляется целым числом периодов сетевого напряжения, а не углом отсечки, что тоже способствует уменьшению помех. Ну, узел питания в описании не нуждается. Образцовое напряжение 1,000 вольт- эквивалент температуры +10000С для муфеля или +100,00С для жидкости. Можно выбрать и другие значения.
Теперь об узле измерения температуры для муфеля. Измерение температуры - термопарой. Для компенсации температуры холодного спая (специалисты знают, что это такое) используются две одинаковые термопары- одна, верхняя по схеме, - измерительная и находится внутри печи; вторая, -нижняя по схеме, находится на входных клеммах . Термопары изготовлены самостоятельно , путём сварки в пламени газовой горелки двух кусков термопарных проводов типа ТХА длиной 2 метра- сварены оба конца. Потом отрезается одна термопара длиной несколько сантиметров - это будет компенсационная термопара. А всё остальное - измерительная термопара.
АХТУНГ! Не забывайте про полярность включения термопар на схеме - они включены встречно!
На выходе усилителя сигнала термопары установлен резистор, которым производится калибровка измеряемой температуры. С одной стороны, если известна температурная характеристика термопары, то можно сразу пересчитать термо-ЭДС в температуру. Но если характеристика неизвестна? Или термопара изготовлена неизвестно из чего? ( Можно в качестве одного из проводов взять провод из лампочки накаливания, на котором держится нить, а в качестве другого провода - стальной, или нихромовый - пробуйте! - примечание кота Сэра Мурра). Вот здесь подстроечный резистор и пригодится.
Сразу же расскажу о процессе калибровки.
Подстроечник Р1 устанавливаем в верхнее положение, опускаем измерительную термопару в смесь воды со льдом, и подстроечником Р5 устанавливаем на индикаторе 0 градусов. Затем на газовой горелке расплавляем много - много свинца ( чем больше, тем лучше) и помещаем туда измерительную термопару, предварительно извлекя... извлеча! (Грамотей! Загляни на сайт "GRAMOTA.RU" - примечание кота Сэра Мурра) термопару из холодной ванны и просушив её. Начинаем наблюдать по цифровому индикатору за процессом остывания предварительно расплавленного свинца. В процессе остывания будет проходиться точка кристаллизации расплава. В этой точке температура будет оставаться постоянной, и мы успеем её зафиксировать. Теперь понятно, зачем свинца чем больше, тем лучше? Правильно, чтобы чётче зафиксировать нашу контрольную точку- +327,50С. Но! Это - температура плавления и кристаллизации чистого свинца, без примесей! Температура кристаллизации свинцового сплава будет другой! (Температура плавления или кристаллизации олова +2320 С, цинка+ 419,60С- примечание кота Сэра Мурра) Процесс кристаллизации мы фиксируем по неизменности показаний измерителя, и визуально - по прекращению блеска жидкого металла. И вот теперь мы подстроечником Р5 устанавливаем заветную точку 327 на термометре.
А теперь немного о "подводных камнях" этого метода калибровки и измерения.
Наш измеритель - с линейной шкалой во всём диапазоне измерений. На самом деле характеристика любой термопары отличается от линейной, хотя и достаточно близка к ней. Притом, чем чувствительнее термопара, тем нелинейнее. Промышленные микроконтроллерные измерители учитывают эту нелинейность, и вносят соответствующие поправки. А мы с вами игнорируем эту неизвестную нелинейность. Шут с ней - нам и так хватает точности!
А теперь наш термометр можно проверить по температуре кипения воды +100 С, если вы живёте на высоте не более 500 метров над уровнем моря. Иначе придётся вносить поправку на понижение температуры кипения при уменьшении атмосферного давления. Или наоборот - на повышение, если вы - гном на собственной подземной фабрике.
Теперь немного рекомендаций о конструктивном исполнении. Вводы- выводы силовых цепей лучше делать на винтовых клеммных соединителях- разъёмы от компьютерных сетевых кабелей не выдерживают ток более 10 ампер. Например, на муфельной печи они расплавились. Правда, и муфель- 3-х киловаттный...
Вид девайса в работе
Для жидкостного термостата надо обязательно организовать циркуляцию воды - любым способом - насосом, аэрационным компрессором от аквариума, или перемешиванием ложкой. Иначе температура на дне и на поверхности может отличаться на несколько градусов. А мы претендуем на точность 0,1 градуса.. Для принудительного включения охлаждения жидкостного термостата используется компаратор на М\С А4. Конечно, этот узел не обязателен, но может быть полезен, если вам понадобится регистрировать процесс охлаждения от заданной температуры.
Установка требуемой температуры осуществляется нажатием кнопочки, которая исходно зафиксирована на измерение температуры. А как нажал на кнопочку - пожалуйста, задавай температуру, накручивая установочный резистор (желательно многооборотный).
Ну, вроде всё.
Автор благодарен своему коту за высказанные ценные замечания во время написания статьи.
lol*)
Отредактировано alexval2007 (2009-06-16 23:34:05)
