ЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК-РЕЛЕ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2023 года по МПК G05D23/20 

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.

Настоящее устройство 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 ее величины. Электронный датчик-реле температуры содержит микросхему (1) программируемого цифрового термометра, 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 (8) напряжения, например микросхема 1273ПН1Т1, два диода (9), например 2ДШ2123А95. В микросхему (1) программируемого цифрового термометра интегрированы: датчик (10) температуры, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (11) температуры, блок (12) управления, который включает в себя регистры нижней (17) и верхней (18) пороговой температуры и регистр конфигурации (16), блок (13) последовательного интерфейса, энергонезависимая память (EEPROM) (14) и компаратор (15). Техническим результатом является унификация, повышение надежности и точности устройства. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электронный датчик-реле температуры, содержащий 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, отличающийся тем, что 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 соединен 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».

2. Электронный датчик-реле температуры по п. 1, отличающийся тем, что 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».

3. Электронный датчик-реле температуры по п. 1, отличающийся тем, что при подключении выхода Tcom компаратора к входу буферного усилителя электронный датчик-реле температуры работает в режиме термостата.

4. Электронный датчик-реле температуры по п. 1, отличающийся тем, что при подключении выхода Thigh компаратора к входу буферного усилителя электронный датчик-реле температуры работает в режиме сигнализатора высокой температуры.

5. Электронный датчик-реле температуры по п. 1, отличающийся тем, что при подключении выхода Tlow компаратора к входу буферного усилителя электронный датчик-реле температуры работает в режиме сигнализатора низкой температуры.

6. Электронный датчик-реле температуры по п. 1, отличающийся тем, что при подаче на третий вход элемента «Исключающее ИЛИ» напряжения 5 В электронный датчик-реле температуры работает в «нормально разомкнутом» режиме.

7. Электронный датчик-реле температуры по п. 1, отличающийся тем, что при подаче на третий вход элемента «Исключающее ИЛИ» напряжения 0 В электронный датчик-реле температуры работает в «нормально замкнутом» режиме.