CN109375675B - 一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，包括机械温控继电器以及与所述机械温控继电器分别连接的电源、温控迟滞比较器、光耦开关、加热器，所述机械温控继电器的电源输入端与所述电源连接，常闭端分别与所述温控迟滞比较器和光耦开关连接，低温触发端与所述加热器连接，本发明解决了现有技术存在的使用抗低温元器件来保证整个系统运行，而成本较高的问题，提供一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，其应用时在野外严寒地带，配合保温箱，能够有效保证设备的良好运行，克服了传统措施的高额成本，本发明虽使用了高成本的耐低温器件，但将本恒温器用于辅助整个设备的运行，那么设备本身将省去大量成本。

Description

一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器

技术领域

本发明涉及一种协助在野外运行的设备，具体涉及一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器。

背景技术

在藏区内，地势险要、灾害多发，高山上气温也极为严寒，甚至可以达到零下40摄氏度，而在诸多情况下又不得不在在这些地方安放一些地质灾害监测设备，这些设备能否正常稳定的运行直接关系到能否监测到灾害的发生并及时预警。传统抵御这种严寒情况的措施都是在仪器设备研发阶段就使用抗低温元器件来保证整个系统的运行。

若使用传统的技术研发方案，那么抵御严寒的成本将是巨大的，一般情况下，使用质量稍好的低温电容器，一个电容器的成本在10元人民币以上，而普通电容器的成本在几毛钱到两三元不等的价格区间；一个仪器设备系统的组成有成百甚至上千的类似元件，还不包括集成芯片，能承受如此低温的集成芯片视芯片功能而定将更加昂贵。

发明内容

本发明解决了现有技术存在的使用抗低温元器件来保证整个系统运行，而成本较高的问题，提供一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，其应用时在野外严寒地带，配合保温箱，能够有效保证设备的良好运行，克服了传统措施的高额成本，本发明虽使用了高成本的耐低温器件，但将本恒温器用于辅助整个设备的运行，那么设备本身将省去大量成本。

本发明通过下述技术方案实现：

一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，包括机械温控继电器以及与所述机械温控继电器分别连接的电源、温控迟滞比较器、光耦开关、加热器，所述温控迟滞比较器、光耦开关、加热器依次连接，所述机械温控继电器包括电源输入端、常闭端和低温触发端，电源输入端与所述电源连接，常闭端分别与所述温控迟滞比较器和光耦开关连接，低温触发端与所述加热器连接，其中：

所述电源用于给机械温控继电器供电；

所述机械温控继电器用于比较野外温度与设定的阈值温度，所述阈值温度包括上限阈值温度和下限阈值温度，所述机械温控继电器还用于当野外温度大于下限阈值温度时给所述温控迟滞比较器和光耦开关供电；

所述温控迟滞比较器用于比较野外温度与设定的阈值温度，所述温控迟滞比较器还用于当野外温度大于上限阈值温度时输出关闭信号到光耦开关，所述温控迟滞比较器还用于当野外温度小于上限阈值温度且大于或等于下限阈值温度时输出打开信号到光耦开关；

所述光耦开关用于接收温控迟滞比较器的关闭信号并关闭开关，还用于接收温控迟滞比较器的打开信号打开开关并给所述加热器供电。

本发明主要由一个机械温控继电器、一个温控的迟滞比较器、一个光耦开关以及一个加热器组成。整个系统提供了两种控制加热的方式：

第一种方式为常规方式，温度在“极低限”(下限阈值温度)之上时，机械温控继电器导通常闭端，温控迟滞比较器及光耦开关部分通电工作；该部分工作过程中，温度在“较低限”(上限阈值温度)之上时温控迟滞比较器输出“关”信号给光耦开关，光耦开关关断电源，加热器不工作；温度降到“较低限”(上限阈值温度)时温控迟滞比较器输出“开”信号给光耦开关，光耦开关导通电源，加热器开始加热。

进一步的，一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，所述机械温控继电器还用于当野外温度小于下限阈值温度时给所述加热器供电。

第二种方式为紧急备用方式，若外部温度骤降到“极低限”(下限阈值温度)，常规方式可能已经不能正常运作，这时机械温控继电器将跳变动片，将电源直接导通到加热器上，进行“强制加热”。

进一步的，一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，所述温控迟滞比较器包括运算放大器U1以及以所述运算放大器U1分别连接的外围电路，所述外围电路包括外部温度采样电路、门限可调电路和输出控制电路。

温控迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高。迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。单限比较器，如果输入信号Uin在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动(起伏)。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。

进一步的，一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，所述外部温度采样电路包括热敏电阻P2、电阻R2、电阻R4、电阻R3和电容C13；所述电阻R2一端与所述机械温控继电器的常闭端连接，另一端与所述热敏电阻P2的一端连接；所述热敏电阻P2的另一端接地；所述电阻R4一端连接在热敏电阻P2和电阻R2之间，另一端连接所述运算放大器U1的同相输入端；所述电阻R3连接在运算放大器U1的同相输入端和运算放大器U1的输出端之间；所述电容C13一端连接运算放大器U1的同相输入端，另一端接地。

进一步的，一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，所述门限可调电路包括可调电阻R7、电阻R8和电容C14；所述可调电阻R7的一端定片与所述机械温控继电器的常闭端连接，另一端定片分别与所述电阻R8的一端和所述运算放大器U1的反相输入端连接；所述电阻R8的另一端接地；所述可调电阻R7的动片与所述运算放大器U1的反相输入端连接；所述电容C14一端与所述运算放大器U1的反相输入端连接，另一端接地。

进一步的，一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，所述输出控制电路包括电阻R1、电阻R5、电阻R6和MOS管U3；所述电阻R1一端与所述机械温控继电器的常闭端连接，另一端与所述运算放大器U1的输出端连接；所述电阻R5的一端与所述运算放大器U1的输出端连接，另一端接地；所述电阻R6的一端与所述MOS管U3的源极连接，另一端与所述光耦开关连接；所述MOS管U3的栅极与所述运算放大器U1的输出端连接，所述MOS管U3的漏极与所述机械温控继电器的常闭端连接。

进一步的，一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，所述电阻R2、电阻R4、电阻R3是精度1％的电阻，所述热敏电阻P2在常温25摄氏度下阻值为10K，所述电容C13为信号滤波电容，所述电容C13采用10nF的滤波电容。

进一步的，一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，所述可调电阻R7的阻值可调范围为0～100K，所述电容C14使用10nF的滤波电容。

进一步的，一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，所述电阻R1、电阻R5、电阻R6为精度5％的电阻。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明将所述恒温控制器用在野外严寒地带，配合保温箱，能够有效保证设备的良好运行，克服了传统措施的高额成本。

2、本发明虽使用了高成本的耐低温器件，但将本恒温器用于辅助整个设备的运行，那么设备本身将省去大量成本。

3、本发明的温控迟滞比较器部分，对所述恒温器进行温度采样对比，转换为控制加热器的高低电平；本发明提供备用加热部分，该部分的存在大大提高了恒温器的应急能力。本发明所有元器件采用耐低温元器件，保证了恒温器自身的抗寒能力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明温控迟滞比较器中外部温度采样电路的电路结构图；

图3为本发明温控迟滞比较器中输出控制电路的电路结构图；

图4为本发明温控迟滞比较器中运算放大器的电路结构图；

图5为本发明温控迟滞比较器中门限可调电路的电路结构图；

图6为本发明中机械温控继电器的电路结构图；

图7为本发明中电源的输入端子的电路结构图；

图8为本发明中加热器的接线端子的电路结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1至图8所示，一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，包括机械温控继电器以及与所述机械温控继电器分别连接的电源、温控迟滞比较器、光耦开关、加热器，所述温控迟滞比较器、光耦开关、加热器依次连接，所述机械温控继电器包括电源输入端、常闭端和低温触发端，电源输入端与所述电源连接，常闭端分别与所述温控迟滞比较器和光耦开关连接，低温触发端与所述加热器连接，如图6所示，机械温控继电器采用JXWK1，所述Heating Stuff为低温触发端，所述Temp_Control为常闭端，所述A_C_Power为电源输入端，其中：

所述电源用于给机械温控继电器供电；

所述机械温控继电器用于比较野外温度与设定的阈值温度，所述阈值温度包括上限阈值温度和下限阈值温度，所述机械温控继电器还用于当野外温度大于下限阈值温度时给所述温控迟滞比较器和光耦开关供电。

所述温控迟滞比较器用于比较野外温度与设定的阈值温度，所述温控迟滞比较器还用于当野外温度大于上限阈值温度时输出关闭信号到光耦开关，所述温控迟滞比较器还用于当野外温度小于上限阈值温度且大于或等于下限阈值温度时输出打开信号到光耦开关；

所述光耦开关用于接收温控迟滞比较器的关闭信号并关闭开关，还用于接收温控迟滞比较器的打开信号打开开关并给所述加热器供电。

所述机械温控继电器还用于当野外温度小于下限阈值温度时给所述加热器供电。

所述温控迟滞比较器包括运算放大器U1以及以所述运算放大器U1分别连接的外围电路，所述外围电路包括外部温度采样电路、门限可调电路和输出控制电路。迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高。迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。单限比较器，如果输入信号Uin在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动(起伏)。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点，该部分采用LM193作为电路的主要运算放大器，如图4所示，LM193是本电路的核心运算放大器，其外围电路分为三个部分：

所述外部温度采样电路包括热敏电阻P2、电阻R2、电阻R4、电阻R3和电容C13；所述电阻R2一端与所述机械温控继电器的常闭端连接，另一端与所述热敏电阻P2的一端连接；所述热敏电阻P2的另一端接地；所述电阻R4一端连接在热敏电阻P2和电阻R2之间，另一端连接所述运算放大器U1的同相输入端；所述电阻R3连接在运算放大器U1的同相输入端和运算放大器U1的输出端之间；所述电容C13一端连接运算放大器U1的同相输入端，另一端接地。如图2所示，外部温度采样由P2、R2、R4、R3与C13组成，其中R2、R4、R3是精度1％电阻，P2为MF52-10K3435热敏电阻，在常温25摄氏度下阻止为10K，C13为信号滤波电容；R2一端接A_C_Power，A_C_Power表示经过机械温控继电器常闭端导通的12V电压，另一端与P2、R4相连组成分压网络，将P2两端随温度变化的电压通过R4接入运算放大器的同相输入端，而C13采用10nF的滤波电容，用于滤除部分噪声增加比较器的稳定性与准确性，R3、R4用于提供迟滞比较器的的反馈系数，迟滞比较器反馈系数＝R4/R3＝0.077，R3的另一端为输出端LM193_OUT，输出电压LM193_OUT高电平VOH＝12V，输出电压低电平VOL＝0V。

所述门限可调电路包括可调电阻R7、电阻R8和电容C14；所述可调电阻R7的一端定片与所述机械温控继电器的常闭端连接，另一端定片分别与所述电阻R8的一端和所述运算放大器U1的反相输入端连接；所述电阻R8的另一端接地；所述可调电阻R7的动片与所述运算放大器U1的反相输入端连接；所述电容C14一端与所述运算放大器U1的反相输入端连接，另一端接地。如图5所示，R7、R8、C14组成了门限可调电路，其中R7为100k的器，一端连接A_C_Power，A_C_Power表示经过机械温控继电器常闭端导通的12V电压，另一端连接R8，R8接地，R7的抽头连接到运算放大器的反相输入端，将R7、R8组成的分压网络的分压电压输入到运算放大器的反向输入端，C14使用10nF的滤波电容，用于滤除可变电阻器的噪声，增加了电路稳定与性能。

所述输出控制电路包括电阻R1、电阻R5、电阻R6和MOS管U3；所述电阻R1一端与所述机械温控继电器的常闭端连接，另一端与所述运算放大器U1的输出端连接；所述电阻R5的一端与所述运算放大器U1的输出端连接，另一端接地；所述电阻R6的一端与所述MOS管U3的源极连接，另一端与所述光耦开关连接；所述MOS管U3的栅极与所述运算放大器U1的输出端连接，所述MOS管U3的漏极与所述机械温控继电器的常闭端连接。如图3所示，R1、R5、R6、U3组成了本温控迟滞比较器的输出控制电路；本发明并没有将运算放大器的输出电压直接供予外部使用，而是使用该部分的电路组成了开关控制；其中R1、R5、R6为精度5％的电阻，U3是型号为A2SHB的MOS管，运算放大器的输出端接到该MOS管的g极上，当运算放大器输出为高12V时MOS管饱和导通，将A_C_Power导通到AQV_LED+端，用于向外部供电；

电路门限计算：

比较器门限宽度ΔVT＝(R4/R3)×(VOH-VOL)＝0.077×12＝0.92V

上门限电压VT+＝{[1+(R4/R3)]×VREF}-[(R4/R3)×VOL]

＝{[1+(R4/R3)]×LM193_1IN-}-[(R4/R3)×0]

＝1.077×LM193_1IN- (1)

下门限电压VT-＝{[1+(R4/R3)]×VREF}-[(R4/R3)×VOH]

＝{[1+(R4/R3)]×LM193_1IN-}-[(R4/R3)×12]

＝(1.077×LM193_1IN-)-0.92 (2)

根据如上计算可见，门限最终由LM193_1IN-端的输入电压决定，于是我们采用电位器R7与固定电阻P8配合，实现LM193_1IN-端的输入电压可调节，从而实现了门限可调，即实现了温度限可调功能。图中使用C14来滤除R7在调节过程中产生的抖动杂波干扰。

在如上设计之后，LM193通道1的输出端LM193_OUT将会随温度变化按照设定的门限值产生电平跳变：当温度高于设定门限值时输出为高，MOS管A2SHB截止，输出为低，光耦开关不导通，加热器不工作；当温度低于设定门限值时，输出为低，MOS管A2SHB导通，输出为高，光耦开启，加热器通电开始加热。

如图7所示，J1为所述电源的输入端子，可接受6-24V的宽范围工作电压，额定工作电流为3A，J1与所述机械温控继电器的电源输入端，即A_C_Power连接；J2为所述加热器的接线端子，可接受6-24V，3A以内的加热器，J2与所述机械温控继电器的低温触发端即Heating Stuff连接，本发明使用12V，2A的聚酰亚胺加热膜进行加热。将所述恒温控制器用在野外严寒地带，配合保温箱，能够有效保证设备的良好运行，克服了传统措施的高额成本，本发明虽使用了高成本的耐低温器件，但将本恒温器用于辅助整个设备的运行，那么设备本身将省去大量成本。

实施例2

基于实施例1，某项目要求保持内部运行环境温度在0摄氏度以上，以保证设备的正常运行。使用本发明做如下设置，即可保证电路正常运行：

1.查热敏电阻MF52 10K3435的温度特性表得知在0摄氏度时的特性电阻为50k左右，低于0摄氏度时阻值增大、高度0摄氏度时阻值降低；

2.计算在0摄氏度时，热敏电阻两端的理论分压值＝{50/(50+16)}×12＝9V，即温度低于0摄氏度时该电压高于9V、温度高于0摄氏度时该电压低于9V，门限值应该被设置为9V；

3.根据门限计算等式(1)，根据需要的门限值9V计算出可调变阻器需调节的电压：LM193_1IN-＝9/1.077＝8.36V；

4.通过J1接线端子给本发明电路通12V电压，调节变阻器抽头端的电压至8.36V；

5.机械温控继电器的触发温度旋钮调至-20摄氏度，以防温度骤降到零下20度以下，导致温控迟滞比较器电路失灵而导致的加热器不工作；如此当温度骤降到零下20度以下时直接强制启动加热器；

6.在J2接线端子上接上12V，2A的加热片；经过以上步骤，本发明已经开始整体工作；

7.将本发明连带加热片一起放入需加热设备的盒子内，为设备内部温度保驾护航。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，其特征在于，包括机械温控继电器以及与所述机械温控继电器分别连接的电源、温控迟滞比较器、光耦开关、加热器，所述温控迟滞比较器、光耦开关、加热器依次连接，所述机械温控继电器包括电源输入端、常闭端和低温触发端，电源输入端与所述电源连接，常闭端分别与所述温控迟滞比较器和光耦开关连接，低温触发端与所述加热器连接，其中：所述电源用于给机械温控继电器供电；

所述机械温控继电器用于比较野外温度与设定的阈值温度，所述阈值温度包括上限阈值温度和下限阈值温度，所述机械温控继电器还用于当野外温度大于下限阈值温度时给所述温控迟滞比较器和光耦开关供电；

所述温控迟滞比较器用于比较野外温度与设定的阈值温度，所述温控迟滞比较器还用于当野外温度大于上限阈值温度时输出关闭信号到光耦开关，所述温控迟滞比较器还用于当野外温度小于上限阈值温度且大于或等于下限阈值温度时输出打开信号到光耦开关；

所述光耦开关用于接收温控迟滞比较器的关闭信号并关闭开关，还用于接收温控迟滞比较器的打开信号打开开关并给所述加热器供电；

所述机械温控继电器还用于当野外温度小于下限阈值温度时给所述加热器供电。

2.根据权利要求1所述的一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，其特征在于，所述温控迟滞比较器包括运算放大器U1以及以所述运算放大器U1分别连接的外围电路，所述外围电路包括外部温度采样电路、门限可调电路和输出控制电路。

3.根据权利要求2所述的一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，其特征在于，所述外部温度采样电路包括热敏电阻P2、电阻R2、电阻R4、电阻R3和电容C13；所述电阻R2一端与所述机械温控继电器的常闭端连接，另一端与所述热敏电阻P2的一端连接；所述热敏电阻P2的另一端接地；所述电阻R4一端连接在热敏电阻P2和电阻R2之间，另一端连接所述运算放大器U1的同相输入端；所述电阻R3连接在运算放大器U1的同相输入端和运算放大器U1的输出端之间；所述电容C13一端连接运算放大器U1的同相输入端，另一端接地。

4.根据权利要求2所述的一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，其特征在于，所述门限可调电路包括可调电阻R7、电阻R8和电容C14；所述可调电阻R7的一端定片与所述机械温控继电器的常闭端连接，另一端定片分别与所述电阻R8的一端和所述运算放大器U1的反相输入端连接；所述电阻R8的另一端接地；所述可调电阻R7的动片与所述运算放大器U1的反相输入端连接；所述电容C14一端与所述运算放大器U1的反相输入端连接，另一端接地。

5.根据权利要求2所述的一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，其特征在于，所述输出控制电路包括电阻R1、电阻R5、电阻R6和MOS管U3；所述电阻R1一端与所述机械温控继电器的常闭端连接，另一端与所述运算放大器U1的输出端连接；所述电阻R5的一端与所述运算放大器U1的输出端连接，另一端接地；所述电阻R6的一端与所述MOS管U3的源极连接，另一端与所述光耦开关连接；所述MOS管U3的栅极与所述运算放大器U1的输出端连接，所述MOS管U3的漏极与所述机械温控继电器的常闭端连接。

6.根据权利要求3所述的一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，其特征在于，所述电阻R2、电阻R4、电阻R3是精度1％的电阻，所述热敏电阻P2在常温25摄氏度下阻值为10K，所述电容C13为信号滤波电容，所述电容C13采用10nF的滤波电容。

7.根据权利要求4所述的一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，其特征在于，所述可调电阻R7的阻值调节范围为0～100K，所述电容C14使用10nF的滤波电容。

8.根据权利要求5所述的一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器，其特征在于，所述电阻R1、电阻R5、电阻R6为精度5％的电阻。

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