ЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК-РЕЛЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
ELECTRONIC TEMPERATURE SENSOR-RELAY

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и предназначено для использования в продукции промышленного и специального назначения для автономного и управляемого мониторинга температуры и коммутации электрических цепей в зависимости от величины температуры.
Известен ряд широко применяемых механических датчиков-реле температуры, принцип работы которых основан на деформации биметаллической пластины (RU 2 102 811 С1, приоритет 15.07.1994) или изменении линейных размеров термочувствительных толкателей электрических контактов, температура срабатывания которых определяется усилием противодействующей пружины (RU 2 332 649 С2, приоритет 11.10.2006; RU 2 262 129 С2, приоритет 23.06.2003; RU 114 181 U1, приоритет 07.10.2011).
Несмотря на простоту подобных устройств, они не обладают достаточной надежностью срабатывания механических контактов, не обеспечивают необходимую точность установки температуры, а также требуют для своего изготовления сложных технологических процессов.
Также широкое распространение получили электронные реле температуры, в которых в качестве температурного датчика используются элементы на основе р-n перехода или терморезистора, сигнал с которого подается на усилитель-преобразователь, после чего, пройдя через пороговый элемент, сравнивающий его с сигналом опорного источника напряжения, изменяет состояние ключа (RU 2556367 С1, приоритет 26.06.2014; RU 2 359 309 С2, приоритет 02.07.2007; RU 2 111 525 С1, приоритет 07.06.1994; RU 1819012 С, приоритет 07.08.1990; SU 1451849 А1, приоритет 08.06.1987).
К их основным недостаткам также можно отнести недостаточную точность установки требуемой температуры, причиной чего является зависимость аналоговой части, которая включает в себя усилитель, пороговое устройство и источник опорного напряжения, от температуры окружающей среды и других внешних воздействующих факторов.
Варианты более точных датчиков-реле температуры содержат одно или несколько устройств преобразования сигнала от термочувствительного элемента в цифровой код, который затем поступает на устройство сравнения с кодом температурного порога. При этом для удешевления конструкции, как правило, устройство преобразования сигнала от термодатчика, устройство сравнения и выходное логическое устройство размещены в корпусе микросхемы (RU 2 156 495 С2, приоритет 02.10.1998; US 4 751 961 (А), приоритет 18.02.1986). Однако ввиду того, что термочувствительный элемент не входит в состав данной микросхемы, разброс его параметров оказывает влияние на точность установки температуры устройства. К тому же функционирование выходного ключа возможно только в нормально замкнутом либо нормально разомкнутом режиме, что снижает степень унификации.
Наиболее близким аналогом является устройство, описанное в журнале [Радиолюбитель, 2/99, с. 22], которое содержит микросхему программируемого цифрового термометра, включающую в себя датчик температуры, аналогово-цифровой преобразователь, блок управления, считывающий из энергонезависимой памяти значения кодов температур верхнего и нижнего порога, компаратор и блок последовательного интерфейса. Комбинированный выход компаратора данной микросхемы, предназначенный для формирования сигнала в режиме термостата, через буферный усилитель управляет выходным реле.
Несмотря на высокую точность установки температуры, использующееся механическое реле снижает надежность устройства за счет ограниченного количества переключений, а расположение всех элементов устройства на одной плате оказывает влияние на точность измерения температуры. Вдобавок к недостаткам можно отнести необходимость использования двух источников питания +5 В и +12 В для микросхемы программируемого цифрового термометра и реле, соответственно.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства за счет исключения дополнительного источника питания, увеличения точности измерения температуры и ресурса работы.
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что электронный датчик-реле температуры содержит буферный усилитель и расположенную на плате микросхему программируемого цифрового термометра с входящими в нее компаратором с тремя выходами (Tcom, Thigh и Tlow) и последовательно соединенными датчиком температуры, аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) температуры, блоком управления, состоящим из регистра конфигурации, регистра верхней пороговой температуры и регистра нижней пороговой температуры, блоком последовательного интерфейса, энергонезависимой памятью (EEPROM), при этом первый вход компаратора соединен со вторым выходом АЦП температуры, второй вход - с выходом регистра верхней пороговой температуры, третий вход - с выходом регистра нижней пороговой температуры, а один из трех выходов компаратора соединен с входом буферного усилителя, а также включает внешний разъем и вторую плату с расположенными на ней импульсным понижающим стабилизатором напряжения, двумя диодами и последовательно соединенными буферным усилителем, элементом «Исключающее ИЛИ», оптореле, при этом первый вход-выход внешнего разъема соединен с входом-выходом блока последовательного интерфейса, выход оптореле соединен со вторым входом внешнего разъема, второй выход внешнего разъема соединен с входом импульсного понижающего стабилизатора напряжения, выход импульсного понижающего стабилизатора напряжения через первый диод, а третий выход внешнего разъема через второй диод соединены с входом микросхемы программируемого цифрового термометра и вторым входом элемента «Исключающее ИЛИ», четвертый выход внешнего разъема соединен с третьим входом элемента «Исключающее ИЛИ».
Элемент «Исключающее ИЛИ» состоит из двух транзисторов и пяти резисторов, при этом первый вход элемента «Исключающее ИЛИ» соединен с эмиттером первого и базой второго транзисторов, вторым выводом первого резистора, второй вход соединен с первыми выводами первого, второго и пятого резисторов, третий вход соединен со вторым выводом второго резистора, первым выводом третьего резистора и эмиттером второго транзистора, второй вывод третьего резистора соединен с базой первого транзистора, коллектор первого транзистора и коллектор второго транзистора соединены с первым выводом четвертого резистора, второй вывод четвертого резистора соединен со вторым выводом пятого резистора и выходом элемента «Исключающее ИЛИ».
При подключении выхода Tcom компаратора к входу буферного усилителя электронный датчик-реле температуры работает в режиме термостата.
При подключении выхода Thigh компаратора к входу буферного усилителя электронный датчик-реле температуры работает в режиме сигнализатора высокой температуры.
При подключении выхода Tlow компаратора к входу буферного усилителя электронный датчик-реле температуры работает в режиме сигнализатора низкой температуры.
При подаче на третий вход элемента «Исключающее ИЛИ» напряжения 5 В электронный датчик-реле температуры работает в «нормально разомкнутом» режиме.
При подаче на третий вход элемента «Исключающее ИЛИ» напряжения 0 В электронный датчик-реле температуры работает в «нормально замкнутом» режиме.
Техническим результатом является унификация устройства, увеличение ресурса работы, повышение его надежности и точности.
Предлагаемый электронный датчик-реле температуры (далее - датчик-реле) иллюстрируется чертежами, представленными на фигурах 1, 2.
На фиг. 1 - структурная схема датчика-реле.
На фиг. 2 - электрическая схема элемента «Исключающее ИЛИ».
Электронный датчик-реле температуры содержит микросхему 1 программируемого цифрового термометра (далее - микросхема 1), например, 5019ЧТ1Т, 5306НТ015Е (Н), расположенную на первой плате 2, вторую плату 3 и внешний разъем 4. На второй плате 3 расположены буферный усилитель 5, элемент 6 «Исключающее ИЛИ», оптореле 7, например, микросборка 2609КП2П, импульсный понижающий стабилизатор напряжения 8, например, микросхема 1273ПН1Т1, два диода 9, например, 2ДШ2123А95. В микросхему 1 интегрированы: датчик 10 температуры, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11 температуры, блок 12 управления, блок 13 последовательного интерфейса, энергонезависимая память (EEPROM) 14 и компаратор 15 с тремя выходами: Tcom, Thigh или Tlow. Блок 12 управления включает в себя регистр конфигурации 16, регистр нижней 17 пороговой температуры и регистр верхней 18 пороговой температуры. Элемент 6 «Исключающее ИЛИ» состоит из резисторов 19, 20, 21, 22, 23 и транзисторов 24, 25.
В энергонезависимую память (EEPROM) 14 записывается температура верхнего и нижнего порогов срабатывания в диапазоне от - 60°С до 125°С с точностью 0,5°С.
При этом для повышения точности измерения температуры, микросхема 1 располагается на первой плате 2, а буферный усилитель 5, элемент 6 «Исключающее ИЛИ», оптореле 7, импульсный понижающий стабилизатор напряжения 8 и два диода 9 -на второй 3.
Микросхема 1 предназначена для автономного и управляемого мониторинга температуры. Датчик 10 температуры производит непрерывное измерение температуры корпуса микросхемы 1. АЦП 11 температуры выполняет преобразование температуры, полученной от датчика 10 температуры, в цифровое значение. Блок управления 12 считывает из энергонезависимой памяти (EEPROM) 14 нижнее и верхнее пороговые значения температуры, параметры которых задаются пользователем, и заносит их в соответствующие регистры 17, 18. Регистр 16 конфигурации используется для определения режима работы устройства в конкретном применении. Компаратор 15 сравнивает цифровое значение температуры, полученное от АЦП 11 температуры, со значениями, занесенными в регистр нижней 17 и верхней 18 пороговой температуры блока управления 12, и выдает сигнал управления на выходе микросхемы 1. В зависимости от назначения датчика-реле к входу буферного усилителя 5 подключается один из трех выходов (Tcom, Thigh или Tlow) компаратора 15. Подключение требуемого выхода компаратора 15 к входу буферного усилителя 5 осуществляется монтажным способом (пайкой) на этапе сборки устройства.
Когда датчик-реле используется в качестве термостата, то задействован выход Tcom. Выход Thigh используется для индикации высокотемпературной границы или может использоваться как часть системы с замкнутой обратной связью, используемой для включения системы охлаждения и отключения ее, когда температура системы возвращается в допустимые пределы. Выход Tlow используется для индикации достижения низкотемпературной границы или организации обратной связи для включения нагревателя и отключения его при возвращении температуры системы в допустимые пределы.
Буферный усилитель 5 предназначен для усиления сигнала управления, который поступает с выхода микросхемы 1. Выход буферного усилителя 5 соединен с первым входом элемента 6 «Исключающее ИЛИ».
Второй вход элемента 6 «Исключающее ИЛИ» соединен с выходом импульсного понижающего стабилизатора напряжения 8, третий вход соединен с четвертым выходом внешнего разъема 4, а выход соединен с входом оптореле 7. Элемент 6 «Исключающее ИЛИ» формирует сигнал управления для оптореле 7, осуществляя над входными данными, поступающими с буферного усилителя 5 и внешнего разъема 4, операцию логического сложения по модулю 2.
Первый вход элемента 6 «Исключающее ИЛИ» соединен с эмиттером транзистора 24, базой транзистора 25 и со вторым выводом резистора 19. Второй вход элемента 6 «Исключающее ИЛИ» соединен с первыми выводами резисторов 19, 20 и 23. Третий вход элемента 6 «Исключающее ИЛИ» соединен с эмиттером транзистора 25, со вторым выводом резистора 20 и первым выводом резистора 21. Коллектор транзистора 24 соединен с коллектором транзистора 25 и первым выводом резистора 22. Второй вывод резистора 21 соединен с базой транзистора 24. Второй вывод резистора 22 соединен со вторым выводом резистора 23 и выходом элемента 6 «Исключающее ИЛИ». Резисторы 21 и 22, используемые в элементе 6 «Исключающее ИЛИ», применяются для ограничения тока, протекающего через базу транзистора 24 и входную цепь оптореле 7 соответственно. Посредством резисторов 19 и 20 на базах транзисторов 24 и 25 формируются потенциалы, необходимые для открытия их переходов эмиттер-коллектор. Резистор 23 включен параллельно входной цепи оптореле 7 и предотвращает вероятность его самопроизвольного срабатывания.
Оптореле 7 выполняет роль выходного коммутационного устройства и управляет активными, например, нагревательные приборы, и реактивными, например, электродвигатели, нагрузками в «нормально замкнутом» или «нормально разомкнутом» режимах. Отсутствие механических контактов в оптореле 7 повышает надежность устройства. Выход оптореле 7 соединен со вторым входом внешнего разъема 4.
Импульсный понижающий стабилизатор напряжения 8 преобразует подаваемое на вход нестабилизированное напряжение в диапазоне от 9 В до 36 В в стабилизированное напряжение 5 В на его выходе. Выход импульсного понижающего стабилизатора напряжения 8 соединен с анодом первого диода 9. Катод первого диода 9, в свою очередь, соединен с катодом второго диода 9, а анод второго диода 9 подключен к третьему выходу внешнего разъема 4. Диоды 9 разделяют напряжение питания 5 В, поступающее с импульсного понижающего стабилизатора напряжения 8, необходимого для питания входящих в микросхему 1 элементов и элемента 6 «Исключающее ИЛИ», и с внешнего разъема 4 при программировании микросхемы 1.
Такое включение диодов 9 позволяет программировать электронный датчик-реле температуры без дополнительного источника питания, подключив его только к программатору (не показан) через внешний разъем 4.
Первый вход-выход внешнего разъема 4 соединен с входом-выходом блока последовательного интерфейса 13 микросхемы 1 для возможности программирования и передачи информации о текущей температуре внешним устройствам (не показаны).
Электронный датчик-реле температуры работает следующим образом.
С внешнего разъема 4 подается напряжение питания в диапазоне от 9 В до 36 В на импульсный понижающий стабилизатор напряжения 8, где преобразуется в напряжение 5 В.
Напряжение питания 5 В с выхода импульсного понижающего стабилизатора напряжения 8 поступает на микросхему 1 и на элемент 6 «Исключающее ИЛИ». При подаче питания выход элемента 6 «Исключающее ИЛИ» находится в состоянии логической «1». Микросхема 1 переводится в режим непрерывного измерения, производя автономный мониторинг температуры датчиком температуры 10, и работает в режиме цифрового датчика, непрерывно передающего информацию о текущей температуре в абсолютной величине внешним устройствам (не показаны), например, персональной электронной вычислительной машине (ПЭВМ).
Когда устройство работает в качестве термостата, обеспечивающего гистерезисное управление нагревательным элементом или элементом охлаждения, то если измеряемая температура станет равной или превысит значение, сохраненное в регистре 18 верхней пороговой температуры, с выхода Tcom компаратора 15 на вход буферного усилителя 5 поступит сигнал управления - логическая «1». Как только температура станет равной или меньше, чем значение, сохраненное в регистре нижней 17 пороговой температуры, с выхода Tcom компаратора 15 будет идти сигнал - логический «0».
Когда датчик-реле работает в качестве сигнализатора температуры, задействованы выход Thigh или выход Tlow компаратора 15.
Если датчик-реле работает в качестве сигнализатора высокой температуры, то когда значение измеренной температуры станет больше или равно значению, сохраненному в регистре верхней 18 пороговой температуры, с выхода Thigh компаратора 15 на вход буферного усилителя 5 будет поступать сигнал управления - логическая «1». Как только температура станет меньше значения, сохраненного в регистре 18 верхней пороговой температуры, с выхода Thigh компаратора 15 будет поступать сигнал управления - логический «0». Выход Tlow работает аналогично выходу Thigh. Если датчик-реле работает в качестве сигнализатора низкой температуры, то когда значение измеренной температуры станет меньше или равно значению, сохраненному в регистре нижней 17 пороговой температуры, с выхода Tlow компаратора 15 на вход буферного усилителя 5 будет поступать сигнал управления - логическая «1». Как только температура превысит значение, сохраненное в регистре нижней 17 пороговой температуры, с выхода Tlow компаратора 15 будет поступать сигнал управления - логический «0».
Элемент 6 «Исключающее ИЛИ», в зависимости от величины поступающего напряжения на третий вход, определяет режим работы оптореле 7.
Когда на третий вход элемента 6 «Исключающее ИЛИ» с четвертого выхода внешнего разъема 4 поступает сигнал управления напряжением 5 В, оптореле 7 работает в «нормально разомкнутом» режиме. После поступления на вход буферного усилителя 5 логической «1», усиленный сигнал управления передается на первый вход элемента 6 «Исключающее ИЛИ». На первом входе элемента 6 «Исключающее ИЛИ» формируется логический «0», вследствие чего эмиттер транзистора 24 элемента 6 «Исключающее ИЛИ» оказывается подключен к цепи с напряжением 0 В. Так как база транзистора 24 через резисторы 20, 21 соединена со вторым входом (5 В), то через переход эмиттер-коллектор транзистора 24 начинает протекать ток, который поступает на оптореле 7 и замыкает его выходные контакты. Как только на вход буферного усилителя 5 поступит логический «0», сигнал управления снимается. На первом входе элемента 6 «Исключающее ИЛИ» устанавливается логическая «1» и протекание тока через переход эмиттер-коллектор транзистора 24 прекращается. На оптореле 7 сигнал не поступает и его выходные контакты размыкаются.
Когда на третий вход элемента 6 «Исключающее ИЛИ» с четвертого выхода внешнего разъема 4 поступает сигнал управления напряжением 0 В, оптореле 7 работает в «нормально замкнутом» режиме. Эмиттер транзистора 25 оказывается подключен к цепи с напряжением 0 В. Так как база транзистора 25 через резистор 19 подключена ко второму входу (5 В), то через переход эмиттер-коллектор транзистора 25 начинает протекать ток, который поступает на оптореле 7 и замыкает его выходные контакты сразу после подачи напряжения питания на датчик-реле. После поступления на вход буферного усилителя 5 логической «1», усиленный сигнал управления передается на первый вход элемента 6 «Исключающее ИЛИ». На первом входе элемента 6 «Исключающее ИЛИ» установится логический «0», вследствие чего переход эмиттер-коллектор транзистора 25 закроется и прекратится протекание тока через оптореле 7, что приведет к размыканию его выходных контактов.
Предлагаемое устройство может быть изготовлено с помощью известных средств и технологий.
Электронный датчик-реле температуры является функционально законченным устройством и позволяет осуществлять автономный и управляемый мониторинг температуры и коммутацию электрических цепей в зависимости от величины температуры в продукции промышленного и специального назначения, обладает повышенной точностью, надежностью и высокой степенью унификации.