УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ ДЛЯ СИСТЕМ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Ахлестин К.В.; Албутов А.Н.; Васин А.Ю.; Цыцарев А.Ю.; Федорко К.И.

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-3-29-37 УДК 621.362.1

Устройства контроля температуры охлаждающей жидкости для систем термостабилизации радиоэлектронной аппаратуры передающих устройств К. В. Ахлестин, А. Н. Албутов, А. Ю. Васин, А. Ю. Цыцарев, К. И. Федорко

Публичное акционерное общество «Научно-производственное объединение "Алмаз" им. академика А. А. Расплетина», Москва, Российская Федерация

В статье представлены устройства контроля температуры охлаждающей жидкости для систем термостабилизации радиоэлектронной аппаратуры: термопреобразователь и термореле, реализованные на отечественной элементной базе категории качества «Военная приемка». Представлены экспериментальные результаты для макетных образцов и их сравнение с серийно выпускаемыми аналогами.

Ключевые слова: система обеспечения тепловых режимов, термопреобразователь, термореле, охлаждающая жидкость

Для цитирования: Ахлестин К. В., Албутов А. Н., Васин А. Ю., Цыцарев А. Ю., Федорко К. И. Устройства контроля температуры охлаждающей жидкости для систем термостабилизации радиоэлектронной аппаратуры передающих устройств // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2020. № 3. С. 29-37. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-3-29-37

For citation: Akhlestin K. V., Albutov A. N., Vasin A. Yu., Tsytsarev A. Yu., Fedorko K. I. Devices for coolant temperature control in thermal stabilization systems of electronic equipment of transmitting devices // Vestnik Koncerna VKO "Almaz - Antey". 2020. No. 3. P. 29-37. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-3-29-37

Поступила 11.06.2020 Отрецензирована 22.06.2020 Одобрена 29.09.2020 Опубликована 14.10.2020

Введение

В настоящее время для разработки и построения современных систем обеспечения теплового режима, а особенно для жидкостных систем термостабилизации, почти полностью отсутствует номенклатура элементной базы категории качества «Военная приемка» («ВП»). При этом традиционно применяемые элементы не всегда отвечают современным требованиям по точности измерения и возможности передачи сигналов для цифровой обработки. Например, основными недостатками применения терморезисторов с отрицательным (положительным) температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) являются ограниченный температурный диапазон, нелинейность выходной характеристики и изменение характе-

ристик с течением времени [1, 2]. Характерные зависимости для двух типов терморезисторов представлены на рисунке 1.

Применение цифровых микросхем, устанавливаемых на печатные платы, сопряжено с конструктивной сложностью их интегрирования в систему термостабилизации для измерения температуры охлаждающей жидкости в гидротракте.

Основным требованием к системе термостабилизации является поддержание тем- _ пературы охлаждающей жидкости в заданном 2

диапазоне. При этом измеренные значения ==

о

температуры используются в алгоритме ячей- £

ки управления для включения и выключе- ч

ния функциональных устройств (нагрева- ^

тель и вентиляторы блока теплообменников), | а также для формирования сигнала готовности о системы термостабилизации для включения |

передающего устройства [3, 4]. о

о см о см

со

О!

< I

со та

г

0 ^

со та

1

о.

<и

3

о <и со

см ■ч-ю

с?

см ■ч-ю см

(П (П

Я, Ом

18 000 16 000 14 000 12 000 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000

0 -20 0 20 40 60 80 100 Т, °С Рис. 1. Типовые графики температурной зависимости

для терморезисторов --с отрицательной ТКС,--с положительной ТКС

Таким образом, существует необходимость не только в доработке существующих образцов систем термостабилизации по улучшению их характеристик, но и в разработке новых технических решений, позволяющих обеспечить заданную точность измерений параметров с учетом современных требований в части цифрового управления и контроля в системе термостабилизации передающего устройства, а также расширить номенклатуру элементной базы категории качества «ВП».

В данной статье представлены результаты разработки и практической реализации таких устройств, как термопреобразователь и термореле, которые в совокупности позволяют повысить надежность и эффективность систем термостабилизации в целом.

Принципиальные схемы

Принципиальная схема термопреобразователя представлена на рисунке 2. Основным элементом является термочувствительная микросхема 1019ЧТ3С ф1), которая преобразует значение температуры в выходной ток от 203 до 433 мкА с температурным коэффициентом 1 мкА/°С при температуре измеряемой среды от минус 60 до 150 °С и напряжении питания от 4 до 30 В. Входное напряжение электропитания термопреобразователя значением 28 В подается на источник опорного напряжения ^2) и на коллектор транзистора (УТ1). Формируемое опорное напряжение значением 12 В подается на операционный усилитель (03), который в зависимости от разницы значений напряжений, поступающих с выхода термочувствительной микросхемы и делителя напряжения из резисторов Я2 и Я3, устанавливает

D1

1 т

I 1,(Т)

*STU 142ЕН8Б D2 OUT

ADJ CMPN

ио

=12В

I

10мк С1

О

П

т

22к

Р2 24,3к

Р4

Ч=И-

15к

Р5

—шн

1*3 15к

140УД6Б OUT

IN

REXT

-V +V

D3

УЭ1

-М-

З-выхС^)

Р7

-СИ-

40к

Р8 499

0

О

Р6 100

+28В

.X!

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема термопреобразователя

2

8

2

6

3

7

4

напряжение на эмиттере транзистора. Прецизионный резистор Я1 формирует напряжение пропорционально температуре измеряемой среды. В результате происходит изменение значения тока потребления схемы термопреобразователя пропорционально значению температуры измеряемой среды. Диод VD1 защищает элементы схемы от неправильной полярности электропитания.

/

f рЛ

я

■4 7

Резисторы Я4, Я5 и Я7 регулируют коэффициент усиления операционного усилителя для формирования токовой петли схемы термопреобразователя в диапазоне от 10 до 24 мА. Подстроечный резистор Я* обеспечивает подстройку токовой петли для получения абсолютной погрешности измерения температуры ±1 °С. Математическая модель термопреобразователя описывается выражением: \

UOn'R5+It'Rl-R2

r2-R5+{R,+R*)-R5+R2-{R3+R*1

R<

R*

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

+ Ir

(1)

где 1вых(Т) - значение тока потребления схемы, А; I (Т) - значение тока термочувствительной микросхемы, А; Яъ Я2, Я3, Я4, Я5, Я7 - значения сопротивлений резисторов в цепях схемы, Ом; Я* - значение сопротивления подстроечного резистора, Ом; иОП - значение напряжения источника опорного напряжения, В; 1П - значение тока потребления элементов схемы термопреобразователя, А.

Схема подключения термопреобразователя к ячейке управления представлена на рисунке 3. Формируемый ток термопреобразователя на резисторе ЯН = 150 Ом создает напряжение от 1,5 до 3,6 В, которое измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Так как значение температуры преобразуется в значение тока, то на измерения на входе АЦП не влияют наводки от внешних помех и потери на длину проводов при передаче сигнала на большие расстояния.

Принципиальная схема термореле представлена на рисунке 4. Схема построена с применением термочувствительной микросхемы

1019ЧТ3С (01). Входное напряжение электропитания термореле значением 28 В подается на источник опорного напряжения (р2), термочувствительную микросхему, а также на второй контакт соединителя XI через замкнутый ключ коммутатора ф3). Опорное напряжение значением 12 В подается на компаратор напряжения ф4) и на делитель напряжения из резисторов Я2 и Я3. Значения сопротивлений данных резисторов подобраны так, чтобы компаратор напряжения срабатывал, когда значение тока термочувствительной микросхемы будет соответствовать температуре измеряемой среды более 90 °С. Напряжение с выхода

Термопреобразователь

Ячейка управления

+

«

л т е п

в о

и

о т

1вых(Г)= 10..24 мА

+28 В

Рис. 3. Схема подключения термопреобразователя

та

X ф

ч

та 0-

та

О

О.

£

V

ц

(Ч

1

2

3

4

о см

0 см

со

01

< I

со та

г

о

со та г

.

<и

3

о <и со

см ■ч-ю

с?

см ■ч-ю см

(П (П

компаратора поступает на коммутатор, который размыкает цепь электропитания 28 В. Коммутатор на базе микросхемы 2М419А1 допускает ток коммутации до 7 А. Подстроечный резистор Я* обеспечивает подстройку токовой петли для получения абсолютной погрешности измерения температуры ±1 °С, а диод 'УВ1 защищает элементы схемы от неправильной полярности электропитания.

Значения сопротивлений резисторов Яь Я2 и Я3 в зависимости от требуемой температуры срабатывания термореле (Треле) определяются следующим выражением:

4 " (2)

1т.М.(Треле)' ^1 -

Я2+&+**)

■и,

оп,

где 1тм.(Треле) - значение тока термочувствительной микросхемы, при котором происходит срабатывание термореле, А; Яь Я2, Я3 - значения сопротивлений резисторов в цепях схемы, Ом; Я*- значение сопротивления подстроечно-го резистора, Ом; иОП - значение напряжения источника опорного напряжения, В.

Таким образом, приведенные схемотехнические решения, основанные на применении термочувствительной микросхемы, обеспечивают линейную зависимость источника тока термопреобразователя от температуры измеряемой среды и заданную температуру срабатывания термореле. Предложенные схемы просты с точки зрения построения, что позволяет реализовать их на современной отечественной элементной базе категории качества «ВП».

Конструкция

Термопреобразователь и термореле разработаны в унифицированном герметичном конструктивном исполнении. Общий вид конструкции с основными элементами и габаритными размерами представлен на рисунке 5. Корпус, крышка и штуцер выполнены из алюминиевого сплава для повышения технологичности механической обработки заготовок. Герметичность корпуса с печатной платой внутри обеспечивается за счет резиновых прокладок под крышки и разъем, а также уплотни-тельного кольца под штуцер. Печатная плата фиксируется в посадочных местах корпуса на винтах с шайбами. Термочувствительная микросхема устанавливается во внутреннюю полость штуцера в точке контакта с измеряемой средой на теплопроводящий кремнийор-ганический клей-герметик (Эласил 137-182) и заливается двухкомпонентным термостойким диэлектрическим эластичным герметиком (Пентэласт-711) для надежной фиксации. Суммарная толщина стенки с теплопроводящим покрытием в области контактной поверхности термочувствительной микросхемы составляет не более 1,2 мм. При этом расчетное значение удельного теплового сопротивления составит не более 1*10-3 (°См2)/Вт [5]. Провода типа МГТФ от разъема и термочувствительной микросхемы запаиваются на печатную плату в переходные отверстия. Так как печатная плата с радиоэлектронными компонентами находится в корпусе и не имеет прямого контакта

1 т

\ Щ)

IN *STU OUT

142ЕН8Б

ADJ D2 CMPN

ипп = 12В

тлгх

| 10мк |

С5 0,068мк

-Ц

,С1 С

10мк 0,0

D> *OS 2M419A1 D

S

D3

¡и

X

С4

0,01мк

*COMP K

U1 -

521CA301 E

+У -

- RX

-V D4 ST

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема термореле

+28 В

2

4

5

7

+8,08 В

4

к

крышка

прокладка

соединитель прокладка

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

корпус термочувствительная микросхема

Рис. 5. Унифицированная конструкция

штуцер

с измеряемой средой, то это исключает перегрев данных компонентов выше допустимой рабочей температуры 125 °С.

Конструкция штуцера под монтаж термопреобразователя и термореле в гидротракт выполнена под стандартизованное штуцерное соединение М20*1,5 [6].

Применение соединителей (корпусная розетка с числом контактов на 3 или 4) типа 2РТТ с одинаковыми габаритно-присоединительными размерами обеспечивает защиту от неправильного подключения электропитания данных устройств в системе термостабилизации без использования ключа. Также на корпусах выполнена лазерная гравировка децимального номера и обозначения.

Экспериментальные результаты

Экспериментальные результаты работы макетного образца термопреобразователя в сравнении с аналогом без категории качества «ВП» ТПУ 0304/М1 серийного производства НПП «Элемер» (г. Зеленоград) представлены на рисунке 6 в виде характеристик зависимости значений тока от температуры воздуха. Исследование проводилось в климатической камере тепла-холода с выдержкой на каждой измеряемой точке до установле-

ния постоянного показания значения тока потребления.

Анализ результатов исследования показал, что значения тока макетного образца термопреобразователя при изменении температуры воздуха пропорциональны значениям тока аналога с температурным коэффициентом 0,12 мА/°С. Разность значений тока между макетным образцом и аналогом составляет 6 мА во всем диапазоне температур измеряемой среды. Данная разность обусловлена токами потребления элементов схемы термопреобразователя.

28 24

20

<

w £

16

12

-40 -20 0 20 40 60 80 100 Температура, °С

Рис. 6. Характеристики термопреобразователей — - ТПУ 0304/М1, — - макетный образец

я

S X

X ф

I-

о

S

4

я Q.

св

5 X

о

CL

Ё

ф ц

о

8

4

Таблица 1

Сравнительная характеристика термопреобразователя и аналога

Характеристика

Макетный образец термопреобразователя

ТПУ 0304/М1

Габаритный размер (ВхШхД), мм

189x30x30

162x33x33

Масса, кг

0,35

0,30

Внешний вид

Диапазон измерений, °С

-50...100

Допуск измерения, °С

±1

±0,6

о о

ф н

X

<

I

м га

О

Ы

т

га х

Ф Я X О

ы

н

о ф

т

ю о

ю -г.

(П (П

Компенсировать эту разность можно с помощью коррекции измерений в АЦП микроконтроллера или подбором номиналов значений сопротивлений резисторов схемы термопреобразователя.

Таким образом, полученные результаты подтверждают правильность предложенных схемотехнических решений при построении схемы термопреобразователя. Сравнительная характеристика макетного образца и аналога представлена в таблице 1.

Ключевым требованием к термореле является точность срабатывания, так они применяются для защиты электровакуумных СВЧ-приборов в передающем устройстве от недопустимого перегрева. В системах термостабилизации рабочая температура охла-

ь

зона

нечувствительности

80

допуск измерения

Т, °С

ждающей жидкости находится в диапазоне от 55 до 85 °С. Срабатывание защиты передающего устройства от недопустимого перегрева определено при температуре охлаждающей жидкости более 90 °С [7].

Экспериментальные результаты работы макетного образца термореле в сравнении с аналогом Т35П-07 (ТУ 25.02.06.1995-76) представлены на рисунке 7 в виде характеристики логического действия от температуры измеряемой среды.

Основной характеристикой термореле является ширина диапазона зоны нечувствительности - разность между температурой срабатывания термореле и отпускания [8]. Датчик-реле температуры Т35П-07 имеет ширину

ь

зона

нечувствительности

80

допуск измерения

б

Т, °С

Рис. 7. Характеристики термореле: а) Т35П-07, б) макетный образец

1

0

а

Сравнительная характеристика термореле и аналога

Таблица 2

Характеристика

Макетный образец термореле

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Т35П-07

Габаритный размер (ВхЩхД), мм

189x30x30

152x36x120

Масса, кг

0,35

0,50

Внешний вид

Ширина диапазона зоны нечувствительности, °С

Допуск измерения, °С

±1

±2

Коммутируемый ток, А

До 7

До 2

4

диапазона зоны нечувствительности не более 4 °С при допуске измерения ±2 °С.

Результаты эксперимента показали, что макетный образец термореле имеет ширину диапазона зоны нечувствительности не более 4 °С, которая возникает из-за имеющегося теплового сопротивления конструкции. Сравнительная характеристика макетного образца и аналога представлена в таблице 2.

Заключение

В статье приведены результаты разработки схемотехнических и конструкторских решений, а также экспериментальные данные для двух устройств: термопреобразователь и термореле. Термопреобразователь имеет точность измерения сопоставимую с точностью измерения серийного аналога во всем диапазоне значений температуры охлаждающей жидкости. Термореле в части точности срабатывания имеет характеристики не хуже аналога. При этом предлагаемые устройства реализованы на современной отечественной элементной базе категории качества «ВП» и испытаны на стендовой аппаратуре системы термостабилизации передающего устройства.

Список литературы

1. Бабкин А., Коробов Д., Струков И. Оценка возможности применения микросхемы 1019ЧТ3С в изделиях спецтехники // Современная электроника. 2014. № 7. С. 30-33.

2. ГОСТ 28626-81. Терморезисторы косвенного подогрева с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

3. Албутов А. Н., Цыцарев А. Ю., Васин А. Ю. Электропитание, управление и контроль системы термостабилизации передающего устройства многофункционального радиолокатора // Старт в будущее - 2017: Всероссийская научн.-технич. конф. Труды четвертой научн.-технич. конф. молодых ученых и специалистов / Под общ. ред. Д. К. Щеглова. АО «КБСМ». СПб., 2017. С. 62-67. -

' я

4. Шнуров Н. В., Ракитин А. В., Аверин И. Б. I и др. Автоматизированный контроль функци- 2 онирования систем обеспечения теплового ре- § жима РЛС // Вестник воздушно-космической £ обороны. 2016. № 4. С. 94-100. «

5. Электротепловые модели и тепловой ре- | жим радиоэлектронных аппаратов и устройств ^ СВЧ / Под ред. В. Ф. Взятышева, Е. М. Старо- » войтовой. М.: МЭИ, 1982. 92 с. ^

6. ГОСТ 25164-96. Соединения приборов с внешними гидравлическими и газовыми линиями. Типы, основные параметры и размеры. Технические требования.

7. Цыцарев А. Ю., Емельянов Е. В., Заболот-ная С. В. и др. Система автоматизированного управления, защиты и контроля выходного усилителя передающего устройства много-

функционального радиолокатора // Вестник ВКО. 2017. № 2. С. 70-76. 8. Барканов Н.А., Бердичевский Б.Е., Верхо-пятницкий П.Д. и др. Справочник конструктора РЭА: Компоненты, механизмы, надежность / Под ред. Р. Г. Варламова. М.: Радио и связь, 1985. 384 с., ил.

Об авторах

Ахлестин Кирилл Владимирович - инженер 2-й категории Публичного акционерного общества «Научно-производственное объединение "Алмаз" им. академика А. А. Расплетина», Москва, Российская Федерация. Область научных интересов: разработка радиопередающей и приемной аппаратуры для наземных и бортовых СВЧ-устройств.

Албутов Александр Николаевич - начальник отдела Публичного акционерного общества «Научно-производственное объединение "Алмаз" им. академика А. А. Расплетина», Москва, Российская Федерация. Область научных интересов: разработка радиопередающей и приемной аппаратуры для наземных и бортовых СВЧ-устройств.

Васин Андрей Юрьевич - ведущий инженер Публичного акционерного общества «Научно-производственное объединение "Алмаз" им. академика А. А. Расплетина», Москва, Российская Федерация.

Область научных интересов: разработка радиопередающей и приемной аппаратуры для наземных и бортовых СВЧ-устройств.

Цыцарев Алексей Юрьевич - канд. техн. наук, заместитель начальника специального конструкторского бюро

о Публичного акционерного общества «Научно-производственное объединение "Алмаз" им. академика А. А. Рас-сч

плетина», Москва, Российская Федерация. ^ Область научных интересов: разработка радиопередающей и приемной аппаратуры для наземных и бортовых X СВЧ-устройств.

>5 Ш I-

^ Федорко Константин Игоревич - инженер 2-й категории Публичного акционерного общества «Научно-произ-

1 водственное объединение "Алмаз" им. академика А. А. Расплетина», Москва, Российская Федерация. со

2 Область научных интересов: разработка радиопередающей и приемной аппаратуры для наземных и бортовых СВЧ-устройств.

0 ^

со та г

.

<и

1

£ I I-

О

<и со

Devices for coolant temperature control in thermal stabilization systems of electronic equipment of transmitting devices

Akhlestin K. V., Albutov A. N., Vasin A. Yu., Tsytsarev A. Yu., Fedorko K. I.

NPO Almaz named after A. A. Raspletin, JSC, Moscow, Russian Federation

This article presents devices for controlling coolant temperature in thermal stabilization systems of electronic equipment. These are a thermal converter and a thermal relay realized on a Russian element base of the quality category "Voennaya Pryomka (Military Host)". Experimental results for mock-up test samples are described along with their comparison with mass-produced analogues.

Keywords: heat regimen system, thermal converter, thermal relay, coolant

Information about the authors

Akhlestin Kirill Vladimirovich - Engineer of the 2nd category, NPO Almaz named after A. A. Raspletin, JSC, Moscow, Russian Federation.