Электронный термометр для самогонного аппарата

Важнейшим условием безопасной эксплуатации самогонного аппарата, а также получения высококачественного результата его работы, является точное измерение температуры в паровике - сосуде, в котором в процессе перегонки кипит водно-спиртовой раствор (брага). Зная эту температуру можно оценить содержание в браге спирта и вовремя прекратить процесс перегонки, что способствует снижению концентрации сивушных масел в готовом продукте. Весьма желательно также иметь звуковую и световую сигнализацию превышения температурой в паровике предельного значения  (примерно 97°С градусов Цельсия). Это может быть вызвано как исчерпанием содержащегося в браге спирта, так и закупоркой змеевика, что грозит повышением давления в паровике с последующим его разрывом. И в том и в другом случае аппарат должен быть незамедлительно выключен.

Самогонные аппараты, выпускаемые промышленностью, как правило оснащены биметаллическими термометрами, показания которых не отличаются точностью, кроме того полностью отсутствует сигнализация о превышении максимально допустимой температуры. Самодельные аппараты чаще всего вообще не имеют контроля температуры

Автор разработал несложный электронный аналоговый термометр, специально приспособленный для контроля температуры в паровике. Погрешность измерения в рабочем диапазоне температур от 60 до 100 градусов Цельсия не превышает 1°С. В диапазоне от 0°С до 60°С погрешность не более 3°С. Устройство содержит звуковой и световой сигнализатор, срабатывающий при превышении температурой заданного уровня. Порог срабатывания сигнализатора можно регулировать в пределах от 50 до 100 градусов Цельсия. Питается термометр от любого источника напряжением 4.8...6 Вольт. Потребляемый ток в режиме измерения не превышает 5 мА. При срабатывании сигнализатора потребляемый ток возрастает до 500 мА. Для питания удобно использовать USB зарядное устройство или внешний аккумулятор (power bank).

Важнейшей частью устройства является датчик температуры. Автор использовал медный термометр сопротивления. В соответствии с ГОСТ 6651 - 2009 такой датчик может быть использован в температурном диапазоне от -50 до +120 градусов Цельсия. Нелинейность в диапазоне 0...120 [°С] не превышает 0.15°С. Температурный коэффициент меди 0.00428 1/град.

В качестве чувствительного элемента датчика использована обмотка миниатюрного герметичного реле РЭС80 паспорт ДЛТ4.555.015. Сопротивление обмотки при комнатной температуре около 1700 Ом.

Для точного измерения температуры водно-спиртового раствора датчик следует расположить внутри паровика - погрузить его в контролируемую среду, но организация герметичного ввода существенно усложняет конструкцию, по этому было принято решение разместить датчик снаружи - измерять температуру верхней стенки паровика. Благодаря тому, что паровик во время работы аппарата накрывается теплоизолирующим чехлом (датчик располагается под чехлом), кроме того паровик представляет из себя достаточно массивный объект, температура всех частей которого в ходе относительно медленного нагревания успевает выравниваться, методическая погрешность при таком расположении датчика оказывается допустимой. Правильность этого утверждения была проверена экспериментально. Температура жидкости в паровике измерялась ртутным термометром, показания которого сравнивались с показаниями описываемого устройства.  Оказалось, что в начале процесса разогрева паровика, пока концентрация паров была небольшой, разница показаний доходила до 3-х градусов, но по мере роста температуры погрешность уменьшалась и при достижении 70-ти градусов (начало интенсивного парообразования) показания термометров практически совпали. Поскольку точно знать температуру в начале разогрева паровика не требуется, выбранное расположение датчика было признано приемлемым.

Конструктивно датчик представляет собой медную пластину  размером 70х50х3 [мм] к которой корпус  реле прижат крышкой. Между корпусом реле и пластиной нанесён тонкий слой теплопроводящей пасты КПТ-8. Внешний вид датчика представлен на фотографии. 

При отсутствии у паровика участка плоской поверхности необходимого размера, пластину следует отрихтовать и пришлифовать таким образом, чтобы она плотно прилегала как к паровику, так и к корпусу реле.

Схема электрическая принципиальная устройства приведена на рисунке.

Источник опорного напряжения 4В собран на регулируемом стабилитроне VD1. Поскольку устройство питается от однополярного источника, для операционного усилителя DA1.1 организована искусственная земля с помощью делителя R4, R5. Резистор R6 позволяет подстроить величину тока через датчик температуры R8.  Конденсатор C3 подавляет помехи, которые могут наводиться на датчик и его кабель. Микросхема DA1.1 включена по схеме неинвертирующего усилителя, коэффициент усиления которого можно подстроить с помощью резистора R12. Конденсатор C4 уменьшает усиление DA1.1 на высоких частотах, что способствует повышению помехоустойчивости. При изменении температуры в пределах от 0°С до 100°С напряжение на выходе 1 микросхемы DA1.1 изменяется в пределах от 0.5 В до 3 В. В качестве измерительной головки PA1 использован микроамперметр с током полного отклонения 50 мкА, сопротивление рамки которого составляет примерно 1.8 кОм. Совместно с резистором R13 PA1 работает как вольтметр с пределом измерения 2.5 Вольта. Чтобы начало шкалы вольтметра соответствовало температуре 0 °С потребовалось подключить его к делителю R15, R16. На микросхеме DA1.2 выполнен компаратор. Резистор R20 формирует гистерезис, который в пересчёте на температуру составляет около 1 °С. Резистор R17 позволяет устанавливать желаемый порог срабатывания компаратора. На микросхеме DD1 собраны два мультивибратора, формирующие сигнал в виде пачек прямоугольных импульсов. Этот сигнал через ключ VT2 поступает на акустический излучатель BA1. При срабатывании компаратора оба мультивибратора запускаются, излучатель выдаёт прерывистый звуковой сигнал, также начинает мигать светодиод VD2, который управляется ключом VT1. При отсутствии сигнала VD2 светится постоянно, что указывает на наличие напряжения питания.

Устройство собрано на макетной плате размером 85х55 [мм], которая крепится на винтах-выводах измерительной головки PA1. Внешний вид платы представлен на фотографии. 

Для измерительной головки изготовлена новая шкала, рисунок которой имеется в приложении. Кроме делений 0...100 °С на этой шкале имеются две дополнительные метки - 70° и 40°.  Первая метка (температура 80°С) соответствует началу процесса перегонки. При этой температуре на выходе аппарата получается спирт крепостью около 70°. Вторая метка (температура 93°С) соответствует окончанию процесса перегонки. Крепость спирта при этом падает до 40°.

При повторении устройства следует учитывать, что магнитные системы микроамперметров могут обладать некоторой нелинейностью. Это заставляет производителя делать шкалы также немного неравномерными, по этому за основу новой шкалы лучше взять исходную шкалу измерительной головки, а не использовать графический редактор для разбиения шкалы на  одинаковые деления. По этой же причине непосредственное использование шкалы, рисунок которой приведен в приложении, может привести к повышенной погрешности.

В качестве резисторов R2...R5, R7, R10, R11, R13, R15, R16 и R18 желательно использовать однопроцентные  С2-23, MF-25 и т.п. В данном случае важна не их точность, а более высокая стабильность. Использовать обычные резисторы широкого применения также вполне допустимо, но тогда нужно будет периодически проверять точность работы устройства. Подстроечные резисторы R6, R12 и R17 - многооборотные СП5-3, СП5-14 или 3266 BOWRNS. Звукоизлучатель BA1 HC0903F или аналогичный с сопротивлением более 10 Ом. В качестве VD2 можно использовать любой светодиод. Транзисторы VT1, VT2 должны иметь коэффициент усиления не менее 200.  В качестве X1 и Х2 можно использовать любые разъёмы, подходящие по конструктивным соображениям. Автор использовал в качестве X1 розетку RCA RS-104, Х2 - также розетка DIN41524. 

Устройство помещено в корпус, представляющий собой пластмассовую коробку размером 135х100х55 [мм]. Внешний вид термометра представлен на фотографии. 

Для налаживания устройства потребуется мультиметр с погрешностью не более 0.5% и термометр, а также высококачественный многооборотный или грубо-точный проволочный переменный резистор номиналом 2.2 - 6.8 кОм.

Сначала, подбирая резистор R2, установим напряжение источника опорного напряжения 4В. Далее, с максимальной возможной точностью, измерим мультиметром сопротивление датчика температуры R8 при комнатной температуре, которую измеряем термометром.  По известной формуле   рассчитаем - какое сопротивление будет иметь наш медный датчик при температуре 20°С, 60°С, 100°С, а также при желаемой температуре срабатывания сигнализатора (Tc). Выставим с помощью многооборотного резистора сопротивление, соответствующее температуре 60°С, подключим этот резистор к устройству вместо датчика, подстраивая R6 установим стрелку индикатора PA1 на отметку шкалы 60°С. Далее выставим сопротивление, соответствующее температуре 100°С и установим стрелку PA1 на деление 100°С с помощью подстроечного резистора R12. К сожалению эти две регулировки могут оказаться зависимыми, по этому их возможно придётся повторить несколько раз. После завершения укладки шкалы в основном температурном диапазоне проверим точность показаний в точке 20°С. Небольшая погрешность в 2...3°С вполне допустима. Если окажется, что погрешность существенно больше, то следует найти и устранить неисправность. В заключении настроим порог срабатывания компаратора. Выставим сопротивление многооборотного резистора на значение, соответствующее Tс а затем, подстраивая R17, выведем компаратор на порог срабатывания сигнализации. На этом наладка устройства закончена. 

Перед каждым использованием полезно включить устройство с неподключенным датчиком. Это должно вызвать зашкаливание индикатора PA1 и срабатывание сигнализации, что является признаками исправной работы.   

В ходе эксплуатации термометра выяснилось, что он успешно функционирует при питании от зарядного устройства с выходным напряжением 5.2 В, но примерно через 30 секунд отключается при питании от внешнего аккумулятора (USB power bank) с тем же выходным напряжением. Оказалось, что имеющийся у автора внешний аккумулятор не рассчитан на питание устройств с таким малым потреблением. Проблему удалось решить с помощью нагрузочного резистора номиналом 50 Ом, подключенного к выводам разъёма питания термометра.   

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Термометр