潜望镜保护玻璃温度控制器的设计

摘要： 采用AD590M作为温度传感器，通过控制继电器工作模式的转换来控制导电薄膜的通电加热，实现潜望镜窗口玻璃温度的远程监视与控制，达到了为潜望镜窗口保护玻璃去冰、去露或去雾的目的。
关键词： 潜望镜；温度传感器；保护玻璃；窗口比较器

概述

    为了防止海水进入潜望镜内部，在潜望镜的光线人口处有一块能承受一定海水静压力的保护玻璃。当潜艇在寒冷的气候条件下使用潜望镜进行观察时，其头部窗口会很快地被凝结的冰霜所覆盖，过去的解决办法就是降下潜望镜在海水中冲洗一下再升起观察。然而这种办法既不方便，效果也不理想，因为升起后不久就又被蒙上了。在极冷的气候下，如在北冰洋使用时，潜望镜会受到严重的影响而失去效用。解决以上问题的办法是在潜望镜中设置头部保护玻璃加温装置，其作用就是为潜艇潜望镜窗口保护玻璃提供除冰、化霜和去雾，保证潜望镜的正常使用。

温度控制系统

    温度控制系统由潜望镜窗口保护玻璃上的加热导电薄膜、温度传感器和控制电路组成。由窗口玻璃对角线上的两支温度传感器AD590M测量窗口保护玻璃的平均温度，经过温度检测电路将传感器输出电流转化为电压，与双限电压比较器的阈值电压比较，显示保护玻璃的实际温度范围并控制继电器的工作，通过各继电器常闭、常开触点工作模式的转换，实现对窗口保护玻璃导电薄膜通电加热的控制。
导电薄膜

    在潜望镜窗口保护玻璃上镀有透明的导电薄膜，在导电薄膜的周边镀有金属电极，在窗口保护玻璃的四个角上粘接有温度传感器，加热温控装置经过薄膜周边的金属电极向导电薄膜施加电压可控的交流电源，对潜望镜窗口保护玻璃进行加热。由于导电薄膜总是暴露于空气中，故存在膜层易受损伤和污尘的影响，通电后，加速了导电薄膜中自由电子的剧烈运动，使电能转换为热能，对保护玻璃起到加热作用。如果通电加热温度过高，时间过久，就会出现斑点状膜层脱落、短路甚至击穿，当潜望镜降入水中时，还容易产生玻璃的炸裂等现象。如果通电加热温度过低，时间过短，则不能达到迅速除冰、化霜和去雾的目的。要解决这一矛盾，除合适选择加热装置的功率外，加热温度的自动调节和监控是非常必要的，以适应不同的外界温度下加热的要求。
温度传感器的选择
    半导体温度传感器主要有数字温度传感器和模拟温度传感器两种主要类型，并且每一种类型都包括许多种产品。数字温度传感器具有监视本地和远程温度等功能，已经在许多应用中取代了模拟输出温度传感器。然而模拟温度传感器能产生与温度成呈线性比例关系的电压或者电流信号，且无需附加线性化电路来校准传感器的非线性，因此模拟输出温度传感器在那些无需数字化输出的情况下也有广泛的应用，如AD590M电流输出温度传感器。
    AD590M是美国模拟器件公司生产的一种单片集成两端电流输出温度传感器，其工作电压4~30V；测温范围-55~150℃；±0.5℃；具有标准化的输出，固有的线性关系 (温度每变化1℃，其输出电流变化1mA)；输出零点为热力学温标零点，即-273℃时AD590M的输出电流为0mA，0℃时输出电流约为273mA。其高阻抗电流输出特性使它对长线路传输的电压降不敏感，因而可用于远程温度检测。
窗口玻璃温度测控电路
    潜望镜窗口玻璃温度控制电路如图1所示。

图1  窗口玻璃温度测量控制电路
    为了准确测量保护玻璃的温度，将窗口玻璃内侧四个角上的四支传感器AD590M中对角线上的两支并联，另外两支备用，构成测量平均温度传感器电路。测温电路的设计首先需要将电流转化为电压，由于电流输出元件AD590M电流与温度的对应关系为 1μA/K，所以选取电阻R1=10kΩ/2=5kΩ，这个电阻上的压降约为10mv，即转换成10mv/k，电容C用于滤除噪声。
    继电器线圈的两端分别与电源电压和输出晶体管的c极相连，当流经继电器线圈的电流突然减少的瞬间，在它的两端会感应出一个电动势，它与原电源电压叠加后加在输出晶体管的c、e两极间，使c、e极之间有可能被击穿，为了消除感生电动势的有害影响，在继电器旁并联一个二极管以吸收该感生电势，起到保护晶体管的作用。
    运算放大器A1接成电压跟随形式以增加信号的输入阻抗。A2、A3组成窗口比较器，比较器A2的同相输入端与窗口的上门限Vh相连，比较器A3的反相输入端与窗口的下门限Vl相连，输入信号Vi同时加到比较器A2的同相输入端和比较器A3的反相输入端。
    当Vi< Vl时，A2输出为高电平，三极管VT2、VT3，二极管D4截止，继电器KA2、KA3失电释放；A3输出为低电平，VT1、D5导通，与三极管VT1 所接的继电器KA1得电吸合，常开触点KA1-1闭合。220V交流电源经过降压变压器T通过继电器KA3的常闭触点KA3-1对保护玻璃上的导电薄膜通电加热，指示灯LED1亮。
    当Vl<Vi<Vh时，A2输出高电平，VT3、D4截止，A3输出高电平，VT1、D5截止，与VT1、VT3所接的继电器KA1、KA3失电释放，VT2导通，与VT2所接的继电器KA2得电吸合，220V交流电源经过降压变压器T通过继电器 KA2的常开触点KA2-1、继电计时器KA4的常闭触点KA4-1、继电器KA3的常闭触点KA3-1对保护玻璃上的导电薄膜通电加热，指示灯LED2 亮。
    与此同时，继电器KA2的常开触点KA2-2闭合，继电计时器KA4得电吸合，延时加热5分钟后(延时加热时间可以根据需要在0.1秒~10分钟的范围内调整)，KA4的常闭触点KA4-1断开，停止对导电薄膜加热。
    KA4为一款多功能继电计时器H3RN-1，具有接通延时、间隔、闪烁断开-起动和闪烁 接通-起动4种工作模式；计时范围为0.1秒至10分钟；控制输出为单刀双掷形式；额定电源电压为直流12V、24V，交流24V；额定电流3A电阻负载。
    当Vi>Vh时，A3输出为高电平，VT1、D5截止，A2输出为低电平，VT2截止，VT3、D4导通，与VT3所接的继电器KA3得电吸合，KA3的常闭触点KA3-1断开，不对保护玻璃上的导电薄膜通电加热，指示灯LED3亮。

调试

    为了减少电流输出型温度传感器AD590M自身发热的影响，宜采用较低的激励电压，因此由三端稳压器LM7805C的输出电压作为AD590M的激励电压，此电压同时作为比较器上、下限阈电平Vh、Hl的参考电压，这样可以克服因电源波动对上、下限阈电平Vh、Hl的影响，从而提高测温。调整时，用红外温度计对保护玻璃的表面进行温度测量，同时用数字万用表测量相应的输出电压，当温度为 10℃时，所测量的输出电压作为下限阈电平Hl，当温度为30℃时，所测量的输出电压作为上限阈电平Vh，反复数次，取上、下限阈电平Vh、Hl的平均值确定Vh、Hl。

结语

    保护玻璃温度控制系统应用模拟温度传感器AD590M设计的电路结构简单、工作可靠、调试方便，与数字温度传感器作为保护玻璃温度传感器相比较，由于模拟温度传感器设定的加热温度范围(上、下限阈电平Vh、Hl)宽，在潜望镜窗口周围温度较高只需去雾的情况下，具有突出的实用性优点，因而对于潜望镜保护玻璃需要长线路传输的温度检测系统具有实际的应用价值。