潛望鏡保護(hù)玻璃溫度控制器的設(shè)計(jì)

摘要： 采用AD590M作為溫度傳感器，通過(guò)控制繼電器工作模式的轉(zhuǎn)換來(lái)控制導(dǎo)電薄膜的通電加熱，實(shí)現(xiàn)潛望鏡窗口玻璃溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制，達(dá)到了為潛望鏡窗口保護(hù)玻璃去冰、去露或去霧的目的。
關(guān)鍵詞： 潛望鏡；溫度傳感器；保護(hù)玻璃；窗口比較器

概述

    為了防止海水進(jìn)入潛望鏡內(nèi)部，在潛望鏡的光線人口處有一塊能承受一定海水靜壓力的保護(hù)玻璃。當(dāng)潛艇在寒冷的氣候條件下使用潛望鏡進(jìn)行觀察時(shí)，其頭部窗口會(huì)很快地被凝結(jié)的冰霜所覆蓋，過(guò)去唯一的解決辦法就是降下潛望鏡在海水中沖洗一下再升起觀察。然而這種辦法既不方便，效果也不理想，因?yàn)樯鸷蟛痪镁陀直幻缮狭?。在極冷的氣候下，如在北冰洋使用時(shí)，潛望鏡會(huì)受到嚴(yán)重的影響而失去效用。解決以上問(wèn)題的辦法是在潛望鏡中設(shè)置頭部保護(hù)玻璃加溫裝置，其作用就是為潛艇潛望鏡窗口保護(hù)玻璃提供除冰、化霜和去霧，保證潛望鏡的正常使用。

溫度控制系統(tǒng)

    溫度控制系統(tǒng)由潛望鏡窗口保護(hù)玻璃上的加熱導(dǎo)電薄膜、溫度傳感器和控制電路組成。由窗口玻璃對(duì)角線上的兩支溫度傳感器AD590M測(cè)量窗口保護(hù)玻璃的平均溫度，經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)電路將傳感器輸出電流轉(zhuǎn)化為電壓，與雙限電壓比較器的閾值電壓比較，顯示保護(hù)玻璃的實(shí)際溫度范圍并控制繼電器的工作，通過(guò)各繼電器常閉、常開(kāi)觸點(diǎn)工作模式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)窗口保護(hù)玻璃導(dǎo)電薄膜通電加熱的控制。

導(dǎo)電薄膜

    在潛望鏡窗口保護(hù)玻璃上鍍有透明的導(dǎo)電薄膜，在導(dǎo)電薄膜的周邊鍍有金屬電極，在窗口保護(hù)玻璃的四個(gè)角上粘接有溫度傳感器，加熱溫控裝置經(jīng)過(guò)薄膜周邊的金屬電極向?qū)щ姳∧な┘与妷嚎煽氐慕涣麟娫?，?duì)潛望鏡窗口保護(hù)玻璃進(jìn)行加熱。由于導(dǎo)電薄膜總是暴露于空氣中，故存在膜層易受損傷和污塵的影響，通電后，加速了導(dǎo)電薄膜中自由電子的劇烈運(yùn)動(dòng)，使電能轉(zhuǎn)換為熱能，對(duì)保護(hù)玻璃起到加熱作用。如果通電加熱溫度過(guò)高，時(shí)間過(guò)久，就會(huì)出現(xiàn)斑點(diǎn)狀膜層脫落、短路甚至擊穿，當(dāng)潛望鏡降入水中時(shí)，還容易產(chǎn)生玻璃的炸裂等現(xiàn)象。如果通電加熱溫度過(guò)低，時(shí)間過(guò)短，則不能達(dá)到迅速除冰、化霜和去霧的目的。要解決這一矛盾，除合適選擇加熱裝置的功率外，加熱溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)和監(jiān)控是非常必要的，以適應(yīng)不同的外界溫度下加熱的要求。

溫度傳感器的選擇

    半導(dǎo)體溫度傳感器主要有數(shù)字溫度傳感器和模擬溫度傳感器兩種主要類(lèi)型，并且每一種類(lèi)型都包括許多種產(chǎn)品。數(shù)字溫度傳感器具有監(jiān)視本地和遠(yuǎn)程溫度等功能，已經(jīng)在許多應(yīng)用中取代了模擬輸出溫度傳感器。然而模擬溫度傳感器能產(chǎn)生與溫度成呈線性比例關(guān)系的電壓或者電流信號(hào)，且無(wú)需附加線性化電路來(lái)校準(zhǔn)傳感器的非線性，因此模擬輸出溫度傳感器在那些無(wú)需數(shù)字化輸出的情況下也有廣泛的應(yīng)用，如AD590M電流輸出溫度傳感器。

    AD590M是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的一種單片集成兩端電流輸出溫度傳感器，其工作電壓4~30V；測(cè)溫范圍-55~150℃；精度±0.5℃；具有標(biāo)準(zhǔn)化的輸出，固有的線性關(guān)系 (溫度每變化1℃，其輸出電流變化1mA)；輸出零點(diǎn)為熱力學(xué)溫標(biāo)零點(diǎn)，即-273℃時(shí)AD590M的輸出電流為0mA，0℃時(shí)輸出電流約為273mA。其高阻抗電流輸出特性使它對(duì)長(zhǎng)線路傳輸?shù)碾妷航挡幻舾?，因而可用于遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)。

窗口玻璃溫度測(cè)控電路

    潛望鏡窗口玻璃溫度控制電路如圖1所示。

圖1  窗口玻璃溫度測(cè)量控制電路

    為了準(zhǔn)確測(cè)量保護(hù)玻璃的溫度，將窗口玻璃內(nèi)側(cè)四個(gè)角上的四支傳感器AD590M中對(duì)角線上的兩支并聯(lián)，另外兩支備用，構(gòu)成測(cè)量平均溫度傳感器電路。測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)首先需要將電流轉(zhuǎn)化為電壓，由于電流輸出元件AD590M電流與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為 1μA/K，所以選取電阻R1=10kΩ/2=5kΩ，這個(gè)電阻上的壓降約為10mv，即轉(zhuǎn)換成10mv/k，電容C用于濾除噪聲。

    繼電器線圈的兩端分別與電源電壓和輸出晶體管的c極相連，當(dāng)流經(jīng)繼電器線圈的電流突然減少的瞬間，在它的兩端會(huì)感應(yīng)出一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，它與原電源電壓疊加后加在輸出晶體管的c、e兩極間，使c、e極之間有可能被擊穿，為了消除感生電動(dòng)勢(shì)的有害影響，在繼電器旁并聯(lián)一個(gè)二極管以吸收該感生電勢(shì)，起到保護(hù)晶體管的作用。

    運(yùn)算放大器A1接成電壓跟隨形式以增加信號(hào)的輸入阻抗。A2、A3組成窗口比較器，比較器A2的同相輸入端與窗口的上門(mén)限Vh相連，比較器A3的反相輸入端與窗口的下門(mén)限Vl相連，輸入信號(hào)Vi同時(shí)加到比較器A2的同相輸入端和比較器A3的反相輸入端。

    當(dāng)Vi< Vl時(shí)，A2輸出為高電平，三極管VT2、VT3，二極管D4截止，繼電器KA2、KA3失電釋放；A3輸出為低電平，VT1、D5導(dǎo)通，與三極管VT1 所接的繼電器KA1得電吸合，常開(kāi)觸點(diǎn)KA1-1閉合。220V交流電源經(jīng)過(guò)降壓變壓器T通過(guò)繼電器KA3的常閉觸點(diǎn)KA3-1對(duì)保護(hù)玻璃上的導(dǎo)電薄膜通電加熱，指示燈LED1亮。

    當(dāng)Vl<Vi<Vh時(shí)，A2輸出高電平，VT3、D4截止，A3輸出高電平，VT1、D5截止，與VT1、VT3所接的繼電器KA1、KA3失電釋放，VT2導(dǎo)通，與VT2所接的繼電器KA2得電吸合，220V交流電源經(jīng)過(guò)降壓變壓器T通過(guò)繼電器 KA2的常開(kāi)觸點(diǎn)KA2-1、繼電計(jì)時(shí)器KA4的常閉觸點(diǎn)KA4-1、繼電器KA3的常閉觸點(diǎn)KA3-1對(duì)保護(hù)玻璃上的導(dǎo)電薄膜通電加熱，指示燈LED2 亮。

    與此同時(shí)，繼電器KA2的常開(kāi)觸點(diǎn)KA2-2閉合，繼電計(jì)時(shí)器KA4得電吸合，延時(shí)加熱5分鐘后(延時(shí)加熱時(shí)間可以根據(jù)需要在0.1秒~10分鐘的范圍內(nèi)調(diào)整)，KA4的常閉觸點(diǎn)KA4-1斷開(kāi)，停止對(duì)導(dǎo)電薄膜加熱。

    KA4為一款多功能繼電計(jì)時(shí)器H3RN-1，具有接通延時(shí)、間隔、閃爍斷開(kāi)-起動(dòng)和閃爍 接通-起動(dòng)4種工作模式；計(jì)時(shí)范圍為0.1秒至10分鐘；控制輸出為單刀雙擲形式；額定電源電壓為直流12V、24V，交流24V；額定電流3A電阻負(fù)載。

    當(dāng)Vi>Vh時(shí)，A3輸出為高電平，VT1、D5截止，A2輸出為低電平，VT2截止，VT3、D4導(dǎo)通，與VT3所接的繼電器KA3得電吸合，KA3的常閉觸點(diǎn)KA3-1斷開(kāi)，不對(duì)保護(hù)玻璃上的導(dǎo)電薄膜通電加熱，指示燈LED3亮。

調(diào)試

    為了減少電流輸出型溫度傳感器AD590M自身發(fā)熱的影響，宜采用較低的激勵(lì)電壓，因此由三端穩(wěn)壓器LM7805C的輸出電壓作為AD590M的激勵(lì)電壓，此電壓同時(shí)作為比較器上、下限閾電平Vh、Hl的參考電壓，這樣可以克服因電源波動(dòng)對(duì)上、下限閾電平Vh、Hl的影響，從而提高測(cè)溫精度。調(diào)整時(shí)，用紅外溫度計(jì)對(duì)保護(hù)玻璃的表面進(jìn)行溫度測(cè)量，同時(shí)用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量相應(yīng)的輸出電壓，當(dāng)溫度為 10℃時(shí)，所測(cè)量的輸出電壓作為下限閾電平Hl，當(dāng)溫度為30℃時(shí)，所測(cè)量的輸出電壓作為上限閾電平Vh，反復(fù)數(shù)次，取上、下限閾電平Vh、Hl的平均值確定Vh、Hl。

結(jié)語(yǔ)

    保護(hù)玻璃溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用模擬溫度傳感器AD590M設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、調(diào)試方便，與數(shù)字溫度傳感器作為保護(hù)玻璃溫度傳感器相比較，由于模擬溫度傳感器設(shè)定的加熱溫度范圍(上、下限閾電平Vh、Hl)寬，在潛望鏡窗口周?chē)鷾囟容^高只需去霧的情況下，具有突出的實(shí)用性優(yōu)點(diǎn)，因而對(duì)于潛望鏡保護(hù)玻璃需要長(zhǎng)線路傳輸?shù)臏囟葯z測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：
1.  張坤石等:潛艇潛望鏡,國(guó)防工業(yè)出版社，1983
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