Основные технические характеристики термометра

Введение

 

Электроника является универсальным и исключительным средством при решении проблем в самых различных областях. Сфера её применения постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без неё. Функции устройств становятся всё более разнообразными. Наилучшим радиотехническим устройством является то, которое можно и не замечать, но оно при этом само будет выполнять все необходимые функции. Одним из таких является электронный термометр.

Очень важно не только контролировать температуру, но и управлять ею. Например, в промышленности для получения качественного асфальта нужно постоянно поддерживать температуру на уровне 500С. В сельском хозяйстве при сушке зерна и травяной муки также актуален контроль за температурой окружающей среды. В птицеводстве в инкубаторах изменение температуры даже на один градус может привести к порче огромного числа яиц, что приведёт к значительным финансовым потерям. Тоже самое может произойти и, например, с продуктами если температура в холодильной камере станет повышаться. А в медицине скачки температуры в стерелязационной камере и вовсе могут привести к печальным последствиям.

Существует множество разновидностей термометров: ртутный, где указателем уровня измеряемой температуры является ртуть, у которой коэффициент линейного расширения изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, также нашел применение термометр, датчиком температуры у которого служит термопара и много других. Каждый из них имеет ряд недостатков. Например, ртутный недостаточно точен, а в случае раскола колбы произойдёт утечка ртути, которая очень опасна для здоровья людей. Поэтому темой настоящего дипломного проекта является разработка безопасного термометра, который предназначен для измерения температуры объекта и управления нагревательными элементами при достижении температуры порогового значения. Применение аналого-цифрового преобразователя КР572ПВ2А позволило создать довольно несложное устройство способное регулировать температуру в широком интервале значений и поддерживать её с высокой точностью.

 

 

1. Обоснование выбора электронного термометра

 

1.1 Обзор возможных вариантов построения принципиальной схемы электронного термометра

 

Обзор начнём с универсального электронного термометра, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.1.

 

Рис. 1.1. Принципиальная схема универсального электронного термометра

 

Датчиком температуры термометра служит термопара «хромель–алюмель», сваренная из проволочек диаметром 0,2 мм. Величина создаваемой термопарой ЭДС пропорциональна, как известно, разности температур «горячего» и «холодных» ее концов. В электронном термометре, о котором идет речь, предусмотрена автоматическая компенсация температуры холодных концов термопары t_К («комнатной») с тем, чтобы измерительный прибор показывал температуру объекта t, а не ее разность: t-t_к.

Он состоит из измерительного моста (VТ1, VТ2, RК1, R1-R5), стабилизатора напряжения его питания (VТЗ, VT4, R6), термопары ВК1, усилителя напряжения (DА1, DА2, R7-R11, SА1), микроамперметра РА1, выключателя питания SА2 и источника питания GВ1.

В нижние плечи измерительного моста включены медный терморезистор RК1 и резистор RЗ, в верхние – стабилизаторы токов этих резисторов на транзисторах VТ1 и VТ2, а в его измерительную диагональ – термопара ВК1 и неинвертирующие входы микросхем DА1, DА2 усилителя напряжения. Благодаря очень большому входному сопротивлению усилителя ток в измерительной диагонали практически отсутствует, и на его входное напряжение (U_вх) не влияет падение напряжения на резисторах RЗ, RК1 и проводниках термопары. Холодный спай термопары должен находиться в корпусе термометра.

При изменении температуры t_к (при постоянной t) напряжение на терморезисторе RК1 (U_RK1) и ЭДС термопары Е меняются в противофазе так, что их сумма всегда остается постоянной. Чтобы нуль на шкале измерительного прибора РА1 соответствовал температуре ОС и показания термометра не зависели от температуры напряжение на резисторе RЗ устанавливается равным U_R3=U_RK10=К/L_RK1(1.1), где U_RK10 – напряжение на RК1 при t_К=0 °С; К – коэффициент термоЭДС термопары; L_RK1 – температурный коэффициент сопротивления резистора RК1. Зависимость (1.1) справедлива при соблюдении неравенства: L_RK1>> L_R3 (1.2). Это условие легко выполнить, если RК1 намотать медным проводом, а в качестве RЗ использовать резистор МЛТ. При соблюдении требований (1.1) и (1.2) входное напряжение U_вх=К*1 (1.3). Это же напряжение будет приложено к резистору R8 (в диапазоне измеряемых температур 0…10СГС) или к резистору R9 (в диапазоне 0… 1000 °С), поскольку ОУ DA1 включен по схеме повторителя напряжения, а ОУ DА2 – по схеме неинвертирующего усилителя. Следовательно, ток в цепи обратной связи РА1, R10 будет равен: I_ос=U_вх/R, где R – сопротивление резистора R8 или R9. С учетом равенства (1.33) I_ос=К*t/R, т.е. ток через микроамперметр РА1 прямо пропорционален температуре объекта t.

В качестве РА1 использован микроамперметр на 100 мкА. Резистор RК1 намотан на пластинке из текстолита 20x10 мм толщиной 1 мм изолированным медным проводом диаметром 0,1 мм до сопротивления 60…100 Ом. Транзистор VТЗ включен как стабилизатор напряжения измерительного моста. Его функции может выполнять любой маломощный кремниевый транзистор с напряжением пробоя перехода база – эмиттер ниже 7 В. Транзисторы VТ1, VТ2, VТ4 – любые маломощные полевые транзисторы с р-п переходом. Напряжение отсечки VТ1, VТ2 – не более 4 В, а VТ4 – не более 2В. Сумма напряжения отсечки транзистора VТ4 и напряжения стабилизации транзистора VТЗ должна быть меньше напряжения батареи GВ1 и чем меньше эта сумма, тем при более глубоком разряде батареи термометр сохранит работоспособность.

Микромощные ОУ применены только из соображений минимального энергопотребления. При питании термометра от сети в качестве DА1, DА2 желательно применить прецизионные ОУ. Подстроечные резисторы R2, R5, R8, R9 – многооборотные – СП5–2В или другие им подобные. Остальные резисторы-МЛТ – 0,125.

Налаживание термометра начинают с расчета напряжения U_R3. Для термопары «хромель–алюмель» К=4,065*10^-2мВ/°С. Для меди L_RK1=4,3–10^-3/°С. Пользуясь равенством (1.1), получаем U_R3 =4,065 – 10^-2/ 4,3–10^-3=9,453 мВ. Далее, замкнув выключатель SА2, параллельно резистору RЗ подключают вольтметр (желательно цифровой) и резистором R5 устанавливают рассчитанное напряжение с максимально возможной точностью. После этого переключатель SА1 переводят в положение «100^:", опускают спай термопары в сосуд с тающим льдом и резистором R2 устанавливают стрелку микроамперметра РА1 на 0. Если у резистора R2 или R5 не хватает пределов регулирования, то следует заменить соответственно резистора R1 или R4. Затем опускают спай термопары в сосуд с кипящей водой и резистором R8 устанавливают стрелку РА1 на последнее деление шкалы – 100 мкА. Далее, не вынимая термопару из кипящей воды, переводят переключатель SА1 в положение «1000°» и резистором R9 устанавливают стрелку РА1 в положение 10 мкА. На этом налаживание заканчивают.

При эксплуатации прибора зашкаливание стрелки РА1 на пределе измерения 100 °С при комнатной температуре говорит о разрядке батареи питания GВ1 и необходимости ее замены. Максимальное напряжение питания термометра определяется допустимым напряжением питания ОУ (для микросхем К140УД12 U_MAX=15В) или допустимым напряжением сток-затвор транзистора VТ4 плюс напряжение стабилизации перехода база–эмиттер транзистора VТЗ Минимальное напряжение питания равно сумме напряжения стабилизации VТЗ и напряжения отсечки транзистора VТ4 (у автора U_MINсоставляло 7,5 В). Ток, потребляемый термометром, – 0,6…0,9 мА.

При измерении отрицательных температур следует поменять местами концы подключения термопары к термометру.

Термопара «хромель-алюмель» применена автором из-за ее высокой рабочей температуры (до 1300 °С). Если предел измеряемых температур не превышает 500С, то можно взять термопару «хромель–копель» или сварить термопару из другой, имеющейся в наличии, пары металлов (сплавов). Очевидно, что новая пара будет иметь уже другую величину коэффициента термоЭДС К и соответственно другое значение U_R3 Величину коэффициента К можно рассчитать, взяв из справочника величины термоЭДС этих металлов в паре с платиной и вычесть их друг из друга, или определить значение К экспериментально. Для этого термопару следует подключить к цифровому милливольтметру и поместить её спай сначала в сосуд с тающим льдом, а затем в сосуд с кипящей водой, записывая каждый раз показания вольтметра (с учётом знака). Затем нужно найти разность полученных значений и разделить её на 100.

Ещё одной разновидностью термометров является простой цифровой термометр, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.2.

Термометр может измерять температуру от -60 до +120 °С, погрешность не превышает ±0,2 °С в диапазоне О…40 °С и в два раза больше за его пределами.

 

 

 

Рис. 1.2. Принципиальная схема простого цифрового термометра

 

Рабочая температура корпуса прибора 15…25 °С. Термометр питается от встроенной батареи 7Д-0.125Д и потребляет ток не более 2 мА.

Основой предлагаемого устройства служит аналого-цифровой преобразователь на микросхеме DD2 с жидкокристаллическим индикатором НG1. В качестве параметрического датчика использован кремниевый диод VD1, для которого температурный коэффициент напряжения (ТКН) примерно равен -2 мВ/'С. Падение напряжения на прямосмещенном диоде при токе 0.1…1 мА имеет величину в пределах 560…650 мВ и линейно уменьшается с ростом температуры.

Для питания датчика использован имеющийся в микросхеме DD2 источник опорного напряжения величиной 2,8±0,4В Внутри микросхемы он соединен плюсом с выводом 1 питания микросхемы. Вывод 32 опорного напряжения обозначен – U_а и соединен с общим проводом.

Делитель из резисторов R4, R7, R10 – R13 снижает напряжение до 600 мв, что по величине соответствует напряжению на диоде VD1 при температуре 0С; подстроечный резистор R10 обеспечивает его небольшую регулировку. Делитель формирует также напряжение 200 мВ, соответствующее разности напряжений, снимаемых с диода VD1 и движка резистора R11 при показании термометра 100 °С. Это напряжение подается на входы U_об микросхемы DD2, оно может быть тоже подстроено резистором R12.

Элементы R5, R6, С2 определяют частоту задающего генератора (50 кГц), цепочка R8СЗ сглаживает наводки и шумы и способствует защите от статического электричества. Конденсатор С6 служит для хранения образцового напряжения, резистор R14 и конденсатор С9 являются элементами интегратора микросхемы, С10 входит в цепь автокоррекции куля.

Конденсаторы С1, С5, С7, С8 – блокировочные а цепях питания. Конденсатор С4 устраняет наводки переменного напряжения с частотой сети, которые при его отсутствии детектируются на нелинейности диода VD1 и существенно искажают показания.

Микросхема DD1 используется для постоянного включения запятой НЗ и контроля разрядки батареи. При напряжении питания более 8 В напряжение на выводе 6 микросхемы DD1 ниже порога переключения, поэтому запятая Н4 невидима. При разрядке батареи напряжение питания микросхемы DD1 остается постоянным, а напряжение на ее входе 6 относительно вывода 7 возрастает. При напряжении батареи менее 8 В напряжение на входе 6 становится выше порога переключения и запятая Н4 становится видимой.

Особо следует отметить назначение резистора R9. Дело в том, что нестабильность источника опорного напряжения микросхемы DD2 составляет примерно 0,01%/°С и 0,1% при снижении напряжения свежезаряжениой батареи 7Д-0.125Д с 9,8 В до 8 В (неполная разрядка). Для использования в цифровом мультиметре с разрядностью 3 _1/2 такая нестабильность допустима. В описываемом термометре это изменение опорного напряжения приводит к ошибке в 0,6 мВ или в 0,3 °С, что заметно. Частично можно скомпенсировать эту погрешность подбором резистора R9, уменьшив ошибку до 0,1 °С.

Следующим расмотренным типом термометра будет бортовой термометр-вольтметр, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.3.

 

Рис. 1.3. Принципиальная схема бортового-термометра вольтметра.

 

Основой прибора служат аналого-цифровой преобразователь (АЦП) DD1 и три микросхемных датчика температуры DА1-DА3. Датчики можно рассматривать как стабилитроны с малым дифференциальным сопротивлением (менее 1 Ом) и напряжением стабилизации, пропорциональным абсолютной температуре. Рабочий ток через них (около 1 мА) задан резистором R4. Точку измерения температуры (а значит, тот или иной датчик) выбирают переключателем SА1 (секция SА1.2).

Для того чтобы показания термометра были нулевыми при нулевом значении измеряемой температуры, на вход АЦП следует подать разность между напряжением на датчике и образцовым напряжением 2,732 В. Образцовое напряжение должно быть высокостабильным (температурный коэффициент напряжения источника, встроенного в микросхему КР572ПВ2А, слишком велик). Поэтому в приборе в качестве источника образцового напряжения использован микросхемный стабилизатор КР142ЕН19А (DА6) с весьма малой температурной зависимостью выходного напряжения.

Микросхема DА6 работает в режиме регулируемого прецизионного стабилитрона. Необходимое напряжение стабилизации 2,732В устанавливают подстроечным резистором R9, а ток стабилизации (около 6мА) задает резистор R13.

Измеряемой температуре 100 °С соответствует напряжение 1 В между входами АЦП +1U_вх и – U_вх. Для того, чтобы при этом на табло НG1-НG4 появилось показание «100,0», необходимо подать образцовое напряжение 1 В на входы +U_обр и – U_обр АЦП. Это напряжение снимают с движка подстроечного резистора R15.

Частота работы генератора АЦП выбрана из стандартного ряда – 50 кГц, ее задают элементы С12R18. Указанным параметрам соответствуют номиналы элементов интегратора R17 и C11 и емкость конденсатора C10 автокоррекции «нуля». Конденсатор С5 уменьшает влияние наводок на датчики, а С8 исключает паразитную генерацию внутреннего источника образцового напряжения АЦП (-2,9 В).

Индикатор НG1 указывает знак и первую цифру наибольшего значения измеряемой температуры – «единицу». Через горизонтальный элемент индикатора течет ток (определяемый резистором R19, из-за чего элемент постоянно высвечивает знак «минус». Полярность напряжения, подаваемого на входы U_вх АЦП, противоположна обычной, поэтому при плюсовой температуре на выходе g1 АЦП действует низкий логический уровень, включающий дополнительно два вертикальных элемента индикатора НG1, формируя знак «плюс». «Единица» включается на на индикаторе HG1, лишь когда измеряемая температура достигает 100 С и более.

Напряжение питания прибора в целом стабилизировано микросхемным стабилизатором DA4. Пятивольтное напряжение для питания индикаторов HG1-НG4 сформировано стабилизатором DА5. Значения напряжения на схеме указаны относительно верхнего по схеме плюсового проводника (подключаемого к плюсовому выводу аккумуляторной батареи через контакты секции SА1.1 переключателя и дроссель L1).

Для измерения напряжения аккумуляторной батареи служит делитель R5-R8. С резисторов R6 и R7 напряжение, равное 0,01 напряжения батареи, подано на вход АЦП во втором сверху по схеме положении переключателя SА1 (цифрами обозначены номера его контактов). Напряжению батареи 12В соответствуют напряжение 120 мВ на входе АЦП и показания табло «12,0». Если желательно иметь точность измерений до 10 мВ, делитель R5-R8 должен обеспечивать на резисторах R6 и R7 напряжение, равное 0,1 напряжения батареи, и, кроме того, необходима еще одна секция переключателя SА1 для управления положением десятичной запятой.

Ещё одним типом рассмотренных термометров будет цифровой термометр, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.4.

Датчиком температуры описываемого прибора служит кремниевый диод. При этом используется линейная зависимость падения напряжения на нем от температуры при фиксированном прямом токе смещения. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) для кремниевых диодов практически постоянен в диапазоне –60…+100С и составляет –2… – 2,5 мВ/С – в зависимости от типа диода и значения тока смещения. Как показали исследования, практически любой кремниевый диод или транзистор может быть использован как линейный температурный преобразователь в диапазоне от –55С до +125С

Основные технические характеристики термометра

Интервал измеряемой температуры, С…………………………… – 50…+120

Разрешающая способность, С………………………………………………. 0,1

Погрешность измерения, С

На краях рабочего интервала……………………………………… +0,7

В средней части рабочего интервала, не хуже……………………+-0,3

Диапазон измерения температуры окружающего воздуха, С…………0….50

Напряжение источника питания………………………………………………9

Потребляемый ток, мА, не более……………………………………………1,5

 

Рис. 1.4. Принципиальная схема цифрового термометра

 

Датчиком термометра, функцию которого выполняет диод VD1, питается от источника тока, выполненного на полевом транзисторе VT1. С анода датчика сигнал, линейно зависящий от измеряемой температуры, через фильтр помех R5C1 поступает на вывод 30 инвертирующего входа микросхемы DD1 (поскольку ТКН диодного датчика отрицателен). В качестве источника стабильного напряжения, питающего цепи, определяющие точность термометра, используется разность напряжений между выводами 1 и 32 DD1, которая поддерживается внутренним стабилизатором АЦП на уровне 2,8+-0,4В. Температурный коэффициент этой разности напряжений равен примерно 10^-4К^-1. Чтобы свести к минимуму влияние этого ТКН на процесс измерения, в прибор введен еще один источник тока – на транзисторе VТ2. Он питает подстроенные резисторы RЗ и R4, служащие для калибровки термометра.

Транзистор VТЗ обеспечивает индикацию десятичной точки во втором разряде ЖКИ НG1. Источником питания прибора может быть батарея «Корунд» или аккумуляторная батарея 7Д-0.125. Работоспособность термометра и все его параметры сохраняются при снижении напряжения источника питания до 6,8 В

Резисторы R1 и R2 лучше ваять типа С2–29В; подстроенные RЗ и R4 – СП5–2, остальные – МЛТ – 0,125. Конденсаторы СЗ и С4 – К71–5, К72–9, К73–16; С6 – оксидный К52–16; остальные могут быть любого типа.

Перед установкой транзисторов VT1 и VТ2 желательно найти их термостабильные рабочие точки. Для этого транзистор вместе с резистором между затвором и стоком нужно подключить через миллиамперметр к источнику стабилизированного напряжения 2,8 8 и изменить температуру транзистора, касаясь его корпуса сначала горячим, затем холодным металлическим предметом. Подбором резистора добиться наименьшего изменения тока стока в диапазоне температуры 0…50 °С. Номиналы подбираемых резисторов R1 и R2 могут значительно отличаться от указанных на схеме. Ток стока транзисторов VT1 и VT2 должен быть в пределах 200..300 мкА.

В домашних условиях настраивать термометр удобнее всего по температуре таяния льда и кипения воды. Предварительно движок резистора RЗ следует установить в положение, соответствующее напряжению на нем 0,57…0,6 В, а движок резистора R4 – 0,21…0,23 В. Измеряя датчиком температуру воды тающего льда, установите резистором RЗ нулевые показания индикатора прибора. Затем, поместив датчик в кипящую воду, резистором R4 устанавливают показания, равные температуре кипения воды при данном атмосферном давлении. Такую процедуру настройки следует повторить несколько раз.

Если термометр не предполагается использовать в условиях значительных колебаний температуры окружающего воздуха, то без особого ущерба для точности измерений можно исключить источник тока VТ2R2. А если и интервал измеряемых температур будет значительно уже, чем указанный в технических характеристиках, то можно исключить и источник тока VТ1R1. При замене их резисторами сопротивлением 6,2 кОм режим работы прибора (токи через датчик VD1 и резисторы RЗ, R4) практически не изменится. Такое упрощение термометра вполне приемлемо для измерения, например, температуры воздуха внутри жилого помещения. Можно также значительно (в 10… 15 раз) увеличить сопротивление этих резисторов, но тогда придется пропорционально увеличить и сопротивление подстроенных резисторов RЗ, R4.

Экспериментируя с термометром, не следует забывать, что неточность в выборе режимов транзисторов VТ1, VТ2 ухудшает его стабильность работы значительно больше, чем при замене их резисторами.

К сожалению, в случае замены датчика, например, из-за выхода его из строя, неизбежна повторная настройка термометра. Объясняется это значительным разбросом параметров р-п переходов полупроводниковых диодов, Некоторые зарубежные фирмы выпускают диоды и транзисторы специально для использования в качестве датчика температуры. У них хорошая повторяемость параметров и нормированная нелинейность вольт-градусной характеристики. Однако можно заранее подобрать несколько диодов с близкими характеристиками и проверить их на работающем термометре.

Работоспособность описанного термометра в области отрицательных температур окружающего воздуха ограничена только особенностями используемого ЖКИ. Вариант его, собранный на микросхеме КР572ПВ2 и люминесцентных индикаторах, нормально функционировал при температуре -20 °С.

Все рассмотренные виды термометров имеют свои недостатки. Например, в универсальном электронном термометре датчиком служит термопара и несмотря на её большой температурный диапазон, необходимую точность она не обеспечивает. Простой цифровой, цифровой термометры и бортовой термометр-вольтметр хоть и обеспечивают достаточную точность, но в качестве датчика температуры у них применён диод, недостатком которого является большое удельное сопротивление. Поэтому темой дипломного проекта является электронный измеритель-регулятор температуры, датчиком температуры у которого является микросхема К1019ЕМ1, которая имеет линейную зависимость выходного напряжения от температуры.

 

1.2 Блок-схема ЭИРТ

 

Блок-схема электронного термометра приведена на рис. 1.5. и фактически состоит из 3 основных составляющих: датчика, непосредственно схемы термометра и естественно схемы питания. Так как прибор расчитан и на аварийное управление влажностью и температурой, то исходя из этого применено два датчика: сухой, который находится в обычной среде и влажный, который находится во влажной среде. Сигнал с выхода одного из датчиков поступает на цифровой вольтметр, который предназначен для преобразования напряжения аналогового сигнала в цифровую форму. Помимо сигнала с датчика на цифровой вольтметр поступает образцовое напряжение с формирователя опорных сигналов. Для отображения результирующего сигнала, напряжение с выхода цифрового вольтметра поступает на четырёхразрядные жидкокристалические цифровые индикаторы. Помимо контроля за температурой электронный термометр ещё и управляет ею. Для этого напряжение подаётся на пороговое устройство, где оно сравнивается с напряжением, соответствующим температуре 38,1С и если оно будет превышать его, то пороговое устройство срабатывает и падаёт сигнал на управляющий элемент, который отключает или включает нагревательное устройство.