Описываемый прибор представляет собой преобразователь температура — частота дискретного действия. По структуре это автогенератор, петля положительной обратной связи которого содержит ультразвуковую линию связи с включенным в нее чувствительным элементом. Им служит полимерный самовосстанавливающийся предохранитель. Благодаря зависимости от температуры не лишь электрических, но и акустических свойств такого предохранителя изменяется частота колебаний автогенератора. Датчик разработан для работы в составе приборов допускового контроля температуры объектов, находящихся во взрывоопасных средах, но может найти применение и в других схожих по назначению системах, например, в устройствах аварийной пожарной сигнализации. Поскольку связь чувствительного элемента с электронным блоком акустическая, исключены протекание тока в измерительной цепи и возможность искрообразования в контролируемой зоне.
Основные технические характеристики:
Температура срабатывания, °С, не более…60
Время срабатывания, с, не более…10
Размах выходного напряжения, В, не менее…5
Напряжение питания, В…27±3
Ток потребления, мА, не более…100
Прибор состоит из чувствительного элемента, включенного в разрыв звуковода, образующего ультразвуковую линию связи между излучающим и приемным пьезопреобразователями, усилителя мощности, предварительного усилителя и цепи обратной связи, соединяющей выход предварительного усилителя с входом усилителя мощности. Излучающий преобразователь возбуждает в звуководе акустические волны, которые проходят через чувствительный элемент и достигают приемного преобразователя, преобразующего их в электрический сигнал. Этот сигнал, усиленный предварительным усилителем, через цепь обратной связи поступает на вход усилителя мощности. В результате положительной обратной связи в системе возникают автоколебания. Чувствительный элемент датчика выполнен из материала, акустическое сопротивление которого резко изменяется при определенной температуре. В результате происходит скачкообразное изменение частоты колебаний, что и служит сигналом перегрева. После устранения причины перегрева температура чувствительного элемента понижается, акустическое сопротивление линии связи, и частота колебаний возвращаются к первоначальным значениям — датчик вновь готов к работе. Схема датчика изображена на рис. 1.
На транзисторах VT1-VT4 выполнен усилитель мощности. Его коэффициент усиления по напряжению определяется отношением сопротивлений резисторов R6 и R4. К выходу усилителя подключен излучающий пьезопреобразователь BQ1, он через звуковод и чувствительный элемент ВК1 акустически связан с приемным пьезопреобразователем ВМ1. Конденсаторы С1 и С4 — разделительные. Диоды VD1 и VD2 задают напряжение смещения транзисторов VT3 и VT4. Усилитель мощности питается от стабилизатора напряжения 20 В на микросхеме DA1. Конденсатор СЗ — фильтрующий в цепи питания. Предварительный усилитель собран на ОУ DA3. Поскольку питание ОУ однополярное, с помощью резисторов R10, R11 и R13 на его неинвертирующий вход подано смещение, равное половине напряжения питания. Конденсатор С6 — блокировочный в цепи смещения. Резистором R12 задан режим работы ОУ. Резисторы R14-R16 и конденсатор С7 образуют цепь отрицательной обратной связи, задающей коэффициент усиления предварительного усилителя. Выход этого усилителя соединен с входом усилителя мощности через конденсатор С9, который замыкает цепь положительной обратной связи. Конденсатор С10 — разделительный. Предварительный усилитель питается от стабилизатора напряжения 15 В на микросхеме DA2. Конденсатор С5 — элемент фильтрации в цепи питания.
Чувствительным элементом ВК1 служит полимерный самовосстанавливающийся предохранитель MULTIFUSE фирмы Bourns. В охлажденном состоянии структура заполняющего его полимера напоминает кристаллическую решетку. При нагревании она изменяется, поэтому при достижении определенной температуры происходит скачок не лишь электрической проводимости полимера, но и его акустического сопротивления. Большинство деталей датчика расположены на макетной плате с металлизированными отверстиями, монтаж выполнен тонкими изолированными проводами. Плата помещена в металлический корпус, на котором установлены пьезопреобразователи. Чувствительный элемент датчика находится снаружи и соединен с пьезопреобразователями звуководом — U-образным коленом из стальной проволоки диаметром 0,8 мм и длиной 1 м. Противоположные концы звуковода припаяны к рабочим поверхностям пьезопреобразователей. Чувствительный элемент впаян в разрыв звуковода в месте его изгиба.
В датчике применены танталовые оксидные конденсаторы К53-52, допустимо использовать и другие, например К53-4. Керамические конденсаторы — К10-176 (или КМ-3 — КМ-6). Постоянные резисторы С2-33 (возможная замена — С2-23, МЛТ, ОМЛТ). Подстроечный резистор — СПЗ-39а (или СПЗ-37, РП1-48). Диоды КД522Б можно заменить другими кремниевыми диодами, например, из серий КД503, КД521. Транзисторы КТ503Г могут быть заменены транзисторами этой же серии или кремниевыми приборами других серий с аналогичными параметрами. КТ814Г и КТ815Г можно заменить транзисторами тех же серий или серий КТ816 и КТ817 соответственно. Вместо импортных микросхем L7815, L7820 можно использовать отечественные микросхемы КР142ЕН8В и КР142ЕН9А соответственно. Пьезоакустические преобразователи BQ1, ВМ1 — бескорпусные 3-хвыводные зарубежного производства (предположительный тип FML-34.7T-2.9B1 -L). Самовосстанавливающийся предохранитель MF-R025 допустимо заменить аналогичным фирмы Raychemf/Tyco или Little Fuse. Налаживание датчика заключается в установке подстроечным резистором R16 такого коэффициента усиления в петле положительной обратной связи, при котором наблюдается устойчивая генерация, а сигнал на выходе усилителя мощности — синусоидальный с небольшим двусторонним ограничением. Повышая температуру чувствительного элемента ВК1, фиксируют ее значение, при котором происходит скачкообразное изменение частоты колебаний. Следует убедиться, что частота возвращается к первоначальному значению при остывании чувствительного элемента. В авторском варианте датчика частота генерируемых колебаний при, температуре чувствительного элемента +20 °С была равна 12,9 кГц, а при достижении температуры +40 °С скачкообразно увеличивалась до 85,3 кГц.
г. Казань, Татарстан
Радио №11, 2009г.