水文測船冬季溫控電熱系統技術設計

周建偉 張建國 李鳳軍 張文利 陳文鵬

水文測船冬季溫控電熱系統技術設計

周建偉 張建國 李鳳軍 張文利 陳文鵬

（黃河水利委員會山東水文水資源局 山東濟南 250100）

本文主要介紹利用光電耦合原理，從技術設計、電路原理、元器件選擇等方面進行水文測船冬季保暖設備溫控電路技術研究。

測船 凌汛 保暖 技術設計

1 設計背景

黃河下游水文測船機艙冬季保溫，是保證凌汛期水文測驗的根本保證。目前，各水文測站采取的保溫措施主要的途徑有：一是加溫；二是放掉機器的循環水；三是保溫。保溫可以緩解一下矛盾，但不能解決根本問題，初冬、初春時節的防凍問題可以解決，但嚴冬的防凍問題是無法解決的。放掉機器的循環水對于水文測船是不現實的，因為水文測站每天8:00均要使用測船進行水文測驗，并且黃河水位漲落變化較快，隨時要調整船舶位置，機器隨時要使用。當北方河流的冬季氣溫降至-5℃以下，只能對機艙進行必要的加溫，才能解決冬季機器防凍的問題，徹底防止機器被凍裂現象的發生。

為解決測船電熱加溫控制，本文根據光電耦合原理，對水文測船機艙保暖溫控電熱技術進行了設計。

2 技術設計

2.1加熱控制

低溫加熱設定范圍在0℃～10℃，加熱閥值電壓設置為2.5V。基本電路見圖1,計算見表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。實際電路見圖2。W1采用多圈精密電位器（帶旋轉指針指示的電位器），其值為323Ω，設置溫度指示精度可達到0.02℃,R1也采用多圈精密電位器，R1阻值為10千歐姆，精確調整為8.829KΩ，然后把調整部件封死，以防松動。

設定的加熱溫度最低值＝指針讀數，單位為℃。

2.2停止加熱控制24

停止加熱設定范圍在5℃～15℃，停止加熱閥值電壓設置為5V。基本電路見圖3,計算見表2。

表2 停止加熱計算表(閥值電壓為.5V)

W為可變電位器，把它分解為W2、R2。實際電路見圖4。W2采用多圈精密電位器（帶旋轉指針指示的電位器），其值為624Ω，設定溫度指示精度可達0.01℃,R2也采用多圈精密電位器，R2阻值為20千歐姆，精確調整為17.352KΩ，然后把調整部件封死，以防松動。設定的停止加熱溫度值=指針讀數＋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，機船越冬精密溫控電路見圖5。Z1、D1～D4、W3、R3、C1組成的基準電壓形成電路，為IC1的5腳提供精確的5V電壓，以便使設置的上限位和下限位溫度更加準確。

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

機艙溫度繼續上升，IC2的2腳電壓也隨之逐漸升高，當IC2的2腳電壓等于或大于5V時，IC3翻轉，Q端輸出低電平，控制電熱器停止為機艙加熱。達到機艙溫度始終控制在設定的溫度范圍內的預期目標。

圖5 機船越冬精密溫控電路

2.4驅動電路

由V1、IC4、LAMP、R4組成驅動電路，當IC3的Q端輸出高電平時，V1飽和導通，在IC4的1腳得到約2V的電壓，通過光電偶合，把開機信號（電熱器開信息）傳遞到IC4的4和6腳。

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

2.5電子開關

由T1、R6、R5、R7、C2組成電子開關電路，用于對加熱器進行開關控制。

當IC4的4和6腳輸出加熱信息時，雙向可控硅導通，電熱器接通，為機艙加熱。當IC4的4和6腳沒有加熱信息，雙向可控硅截止，相當于關斷，電熱器被斷開，電熱器停止為機艙加熱。達到了溫度控制的目的。

2.6穩壓供電電路

穩壓供電電路由B1、D5～D8、IC5等元件組成。其中IC5（7812）是穩壓集成電路，C3、C4、L1、C5、C6為π型濾波網絡，C7、C8、L2為L型濾波網絡，均為提高12V電壓的質量而設計的。

3 電路原理

根據氣溫情況，把下限溫度調整至某一固定值，如1℃；把上限溫度調整至另一固定值，如5℃。夜間機船停泊在岸邊后，機艙內的溫度逐漸下降，傳感器IC1的2腳電壓隨之逐漸下降，當到達預置的下限溫度1℃時，傳感器IC1的2腳電壓等于2.5V，IC3的2腳電壓也為2.5V，達到了觸發條件，IC3翻轉，3腳輸出高電平，V1飽和導通，在IC4的1腳得到約2V的電壓，通過光電偶合，把開機信號（電熱器開信息）傳遞到IC4的4和6腳。IC4的4和6腳得到了加熱信號，雙向可控硅被觸發而導通，電熱器RL接通，為機艙加熱。

由于電熱器對機艙加熱，機艙內的溫度逐漸上升，傳感器IC2的2腳電壓隨之逐漸上升，當到達預置的上限溫度5℃時，傳感器IC2的2腳電壓等于5V，IC3的6腳電壓也為5V，達到了觸發條件，IC3翻轉，3腳輸出低電平，V1截止，在IC4的1腳得到約0V的電壓，IC4沒有信息可以傳遞， IC4的4和6腳沒有加熱信息，可控硅沒有了觸發信號，從而截止，加熱器被關斷，停止為機艙加熱。

機艙溫度隨時間的推移逐漸下降，當到達1℃時電熱器又為機艙加熱，機艙溫度逐漸上升，當到達5℃時電熱器又被關掉，如此循環往復，使機艙內的溫度始終保持在1℃～5℃之間，達到了自動控制機艙溫度的目的。

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，能提供1μA/K的恒定電流，電流是隨溫度的變化而變化，電源電壓的波動對電流的影響甚微，生產廠家在生產過程中逐個進行273.15K校準（即攝氏0℃校正），線性度極好，精度很高;它的使用范圍在-55℃～+150℃。本設計應用的范圍為0℃～+15℃,應用范圍內的轉換特性如圖6（只畫出使用范圍內的部分），電流～溫度呈直線關系，即I＝αT，其中：I—輸出電流，T—絕對溫度，α—斜率（斜率為1）。

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

根據實際需要溫度測量范圍為0～15℃。W1、W2選擇10圈精密線性電位器，應帶有雙指針行程指示度盤，以便溫度設置

4.2IC3、Z1的選擇

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

表3 CC7555其主要參數

表4 CC7555定時器功能表（真值表）

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

輸出電壓+5V；工作電流范圍0.4～10mA；可調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基準集成電路。

4.3IC4的選擇

IC4選用MOC306，其內部結構及管腳排列見圖6，它采用雙列直插6腳封裝。

主要性能參數：可靠觸發電流Ift5-15mA；保持Ih100μA；超阻斷電壓 600V；重復沖擊電流峰值1A；關斷狀態額定電壓上升率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，強弱電沒有電的直接聯系。

4.4RL、T1的選擇

圖6 IC4內部結構及管腳排列

根據機艙的大小，柴油機的大小、數量，合理選擇電熱器RL的大小，一般測船選用2000W的電熱器為宜。雙向可控硅T1是關鍵控制執行部件，為適應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

（1）下限位溫度設置范圍0～10℃；上限位溫度設置范圍5～15℃。

（2）輸出功率10～5000W。

（3）設置精度小于0.1℃。

（4）溫度設置分劃值為0.02℃。

（5）艙內數顯溫度計顯示范圍-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作者簡介：周建偉（1966年—），男，高級工程師。