潛望鏡保護玻璃溫度控制器的設計

摘要： 采用AD590M作為溫度傳感器，通過控制繼電器工作模式的轉換來控制導電薄膜的通電加熱，實現潛望鏡窗口玻璃溫度的遠程監(jiān)視與控制，達到了為潛望鏡窗口保護玻璃去冰、去露或去霧的目的。
關鍵詞： 潛望鏡；溫度傳感器；保護玻璃；窗口比較器

概述

    為了防止海水進入潛望鏡內部，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玻璃。當潛艇在寒冷的氣候條件下使用潛望鏡進行觀察時，其頭部窗口會很快地被凝結的冰霜所覆蓋，過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，因為升起后不久就又被蒙上了。在極冷的氣候下，如在北冰洋使用時，潛望鏡會受到嚴重的影響而失去效用。解決以上問題的辦法是在潛望鏡中設置頭部保護玻璃加溫裝置，其作用就是為潛艇潛望鏡窗口保護玻璃提供除冰、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)由潛望鏡窗口保護玻璃上的加熱導電薄膜、溫度傳感器和控制電路組成。由窗口玻璃對角線上的兩支溫度傳感器AD590M測量窗口保護玻璃的平均溫度，經過溫度檢測電路將傳感器輸出電流轉化為電壓，與雙限電壓比較器的閾值電壓比較，顯示保護玻璃的實際溫度范圍并控制繼電器的工作，通過各繼電器常閉、常開觸點工作模式的轉換，實現對窗口保護玻璃導電薄膜通電加熱的控制。

導電薄膜

    在潛望鏡窗口保護玻璃上鍍有透明的導電薄膜，在導電薄膜的周邊鍍有金屬電極，在窗口保護玻璃的四個角上粘接有溫度傳感器，加熱溫控裝置經過薄膜周邊的金屬電極向導電薄膜施加電壓可控的交流電源，對潛望鏡窗口保護玻璃進行加熱。由于導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，加速了導電薄膜中自由電子的劇烈運動，使電能轉換為熱能，對保護玻璃起到加熱作用。如果通電加熱溫度過高，時間過久，就會出現斑點狀膜層脫落、短路甚至擊穿，當潛望鏡降入水中時，還容易產生玻璃的炸裂等現象。如果通電加熱溫度過低，時間過短，則不能達到迅速除冰、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，加熱溫度的自動調節(jié)和監(jiān)控是非常必要的，以適應不同的外界溫度下加熱的要求。

溫度傳感器的選擇

    半導體溫度傳感器主要有數字溫度傳感器和模擬溫度傳感器兩種主要類型，并且每一種類型都包括許多種產品。數字溫度傳感器具有監(jiān)視本地和遠程溫度等功能，已經在許多應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生與溫度成呈線性比例關系的電壓或者電流信號，且無需附加線性化電路來校準傳感器的非線性，因此模擬輸出溫度傳感器在那些無需數字化輸出的情況下也有廣泛的應用，如AD590M電流輸出溫度傳感器。

    AD590M是美國模擬器件公司生產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；測溫范圍-55~150℃；精度±0.5℃；具有標準化的輸出，固有的線性關系 (溫度每變化1℃，其輸出電流變化1mA)；輸出零點為熱力學溫標零點，即-273℃時AD590M的輸出電流為0mA，0℃時輸出電流約為273mA。其高阻抗電流輸出特性使它對長線路傳輸的電壓降不敏感，因而可用于遠程溫度檢測。

窗口玻璃溫度測控電路

    潛望鏡窗口玻璃溫度控制電路如圖1所示。

圖1  窗口玻璃溫度測量控制電路

    為了準確測量保護玻璃的溫度，將窗口玻璃內側四個角上的四支傳感器AD590M中對角線上的兩支并聯(lián)，另外兩支備用，構成測量平均溫度傳感器電路。測溫電路的設計首先需要將電流轉化為電壓，由于電流輸出元件AD590M電流與溫度的對應關系為 1μA/K，所以選取電阻R1=10kΩ/2=5kΩ，這個電阻上的壓降約為10mv，即轉換成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，當流經繼電器線圈的電流突然減少的瞬間，在它的兩端會感應出一個電動勢，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，為了消除感生電動勢的有害影響，在繼電器旁并聯(lián)一個二極管以吸收該感生電勢，起到保護晶體管的作用。

    運算放大器A1接成電壓跟隨形式以增加信號的輸入阻抗。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限Vh相連，比較器A3的反相輸入端與窗口的下門限Vl相連，輸入信號Vi同時加到比較器A2的同相輸入端和比較器A3的反相輸入端。

    當Vi< Vl時，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導通，與三極管VT1 所接的繼電器KA1得電吸合，常開觸點KA1-1閉合。220V交流電源經過降壓變壓器T通過繼電器KA3的常閉觸點KA3-1對保護玻璃上的導電薄膜通電加熱，指示燈LED1亮。

    當Vl<Vi<Vh時，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導通，與VT2所接的繼電器KA2得電吸合，220V交流電源經過降壓變壓器T通過繼電器 KA2的常開觸點KA2-1、繼電計時器KA4的常閉觸點KA4-1、繼電器KA3的常閉觸點KA3-1對保護玻璃上的導電薄膜通電加熱，指示燈LED2 亮。

    與此同時，繼電器KA2的常開觸點KA2-2閉合，繼電計時器KA4得電吸合，延時加熱5分鐘后(延時加熱時間可以根據需要在0.1秒~10分鐘的范圍內調整)，KA4的常閉觸點KA4-1斷開，停止對導電薄膜加熱。

    KA4為一款多功能繼電計時器H3RN-1，具有接通延時、間隔、閃爍斷開-起動和閃爍 接通-起動4種工作模式；計時范圍為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電阻負載。

    當Vi>Vh時，A3輸出為高電平，VT1、D5截止，A2輸出為低電平，VT2截止，VT3、D4導通，與VT3所接的繼電器KA3得電吸合，KA3的常閉觸點KA3-1斷開，不對保護玻璃上的導電薄膜通電加熱，指示燈LED3亮。

調試

    為了減少電流輸出型溫度傳感器AD590M自身發(fā)熱的影響，宜采用較低的激勵電壓，因此由三端穩(wěn)壓器LM7805C的輸出電壓作為AD590M的激勵電壓，此電壓同時作為比較器上、下限閾電平Vh、Hl的參考電壓，這樣可以克服因電源波動對上、下限閾電平Vh、Hl的影響，從而提高測溫精度。調整時，用紅外溫度計對保護玻璃的表面進行溫度測量，同時用數字萬用表測量相應的輸出電壓，當溫度為 10℃時，所測量的輸出電壓作為下限閾電平Hl，當溫度為30℃時，所測量的輸出電壓作為上限閾電平Vh，反復數次，取上、下限閾電平Vh、Hl的平均值確定Vh、Hl。

結語

    保護玻璃溫度控制系統(tǒng)應用模擬溫度傳感器AD590M設計的電路結構簡單、工作可靠、調試方便，與數字溫度傳感器作為保護玻璃溫度傳感器相比較，由于模擬溫度傳感器設定的加熱溫度范圍(上、下限閾電平Vh、Hl)寬，在潛望鏡窗口周圍溫度較高只需去霧的情況下，具有突出的實用性優(yōu)點，因而對于潛望鏡保護玻璃需要長線路傳輸的溫度檢測系統(tǒng)具有實際的應用價值。

參考文獻：
1.  張坤石等:潛艇潛望鏡,國防工業(yè)出版社，1983
2.  姬波,高有堂: 用ispPAC1０實現電橋測量的電路設計,現代電子技術,2004 (17)