В устройствах автоматического регулирования температуры применяют самые разнообразные датчики: от простейших ртутных термоконтакторов ТК и ТПК до специализированных микросхем. Но если требуется с высокой точностью поддерживать заданную температуру в течение интервалов времени продолжительностью от суток до десятков лет, нужную стабильность обеспечивают только устройства на базе температурно-чувствительных кварцевых резонаторов с последующим преобразованием термозависимой частоты в сигнал управления нагревателями или охладителями термокамеры.
Схема кварцевого автогенераторного преобразователя температуры в частоту (КАПТЧ) приведена на рис. 1.
Используется серийный термочувствительный кварцевый резонатор среза ПЯ на частоту 5 МГц с линейной температурно-частотной характеристикой и температурным коэффициентом 185 Гц/°С [1]. Его можно заменить выпускаемым заводом в г. Волжский Волгоградской области термочувствительным резонатором РК-112, содержащим пьезопластину среза ухbI/10° 54'/9° 45'51''.
КАПТЧ выполняют в виде самостоятельного узла, размещенного внутри термокамеры, соединив с основным блоком терморегулятора коаксиальным кабелем. По кабелю на генератор подают напряжение питания и получают сигнал зависящей от температуры кварцевого резонатора ZQ1 частоты f(T)=5000000+185T, где f - частота, Гц; Т - температура, °С.
Основной блок терморегулятора построен по схеме, показанной на рис. 2.
Резистор R2 служит нагрузочным для КАПТЧ. Далее сигнал термозависимой частоты через усилитель-формирователь на транзисторе VT2 и элементе DD1.3 поступает на вход С второго триггера микросхемы DD2. На аналогичный вход ее первого триггера поступает сигнал образцовой частоты от генератора на элементах DD1.1, DD1.2 с термостабильным кварцевым резонатором ZQ1 среза AT.
Частотно-фазовый детектор [2] состоит из двух триггеров микросхемы DD2, элемента DD1.4, резисторов R9, R11, диодов VD2, VD3 и конденсатора С5. Его выходное напряжение имеет низкий логический уровень, если термозависимая частота выше образцовой, и высокий, если она ниже. Промежуточный уровень напряжения возможен лишь при точном равенстве частот, чего на практике не случается, так как колебания генераторов не синхронны.
При высоком уровне на выходе частотного детектора транзисторы VT4 и VT5 открываются, подавая напряжение на установленный в термокамере нагреватель. Одновременно зажигается светодиод HL1.
Через эмиттерный повторитель на транзисторе VT3 сигнал термозависимой частоты может быть подан на электронный частотомер. Стабилитрон VD1 с транзистором VT1 образуют стабилизатор напряжения питания микросхем.
Настраивая терморегулятор, прежде всего подбирают резистор R3, добиваясь симметричной формы импульсов на выходе элемента DD1.3. Емкость конденсатора C3 подбирают такой, чтобы при заданной температуре образцовая частота была равна термозависимой, генерируемой КАПТЧ.
Термостабилизатор эксплуатируется на стенде аттестации медицинских электронных цифровых термометров. Термокамера стенда имеет объем 60 см3, ее стенки - из пенопласта толщиной 30 мм. Нагреватель состоит из двух резисторов МЛТ-2 56 Ом, соединенных параллельно.
Через 45 мин после включения в камере устанавливается и поддерживается температура 40 °С. Испытания показали, что уход температуры стабилизации не превышает 0,005 °С на один градус изменения температуры образцового резонатора (ZQ1 на рис. 2) и 0,02 °С за год. Таким образом, в течение пяти лет при работе устройства в комнатных условиях погрешность поддержания температуры в камере не превысит 0,1 °С.
Литература
Автор: В.Солодовник, М.Чебан