Побутовий цифровий термометр

  • Час 10-08-2015, 19:58
  • Автор admin
  • Коментарів 0 Комент.
  • Силка url

Потреба в вимірювачі температури обумовлена багатьма обставинами. В побуті, наприклад, необхідністю швидкого вимірювання температури тіла людини або води, для купання дитини, температури всередині або поза приміщенням, у парнику або теплиці, в підвалі, якщо там зберігаються овочі, в камері холодильника або його морозильника, води в акваріумі і багатьох інших об'єктів.

До побутових термометрам зазвичай пред'являють такі вимоги, як точність вимірювання - не гірше 0,5 С в інтервалі температури від -50 до +100 °С (при вимірювання температури тіла людини - не гірше 0,1...0,2 °С), малогабаритність, економічність, автономність харчування, мала теплова інерційність і гігієнічна нешкідливість. Описуваний тут порівняно простий цифровий термометр в основному відповідає цим вимогам.

Чутливим елементом приладу служить температурний датчик, принцип дії якого заснований на властивості деяких матеріалів змінювати свій електричний опір при зміні температури. Датчики температури можуть бути різними. У промисловості, наприклад, часто використовують масивні металеві (мідні або платинові) термоперетворювачі.

Для побутових приладів найбільш підходять напівпровідникові малогабаритні терморезистори ММТ, КМТ, СТ1, СТ3, ТР-4,. ММТ-4, які у порівнянні з металевими перетворювачами значно менше теплоинерциониы, мають майже в десять разів більший температурний коефіцієнт опору (ТКС), більший електричний опір, що дозволяє повністю знехтувати опором проводів, що з'єднують датчик з приладом. Найкращими характеристиками володіє мініатюрний каплевидної форми остеклованный терморезистор ТР-4 зі зменшеним ТКС. Він має розміри 6х4х2,5 мм; гнучкі висновки довжиною 80 мм виготовлені з дроту з низькою теплопровідністю. Його маса-0,3 р.

Основні електричні характеристики терморезистора ТР-4: номінальний опір - 1 кОм ± 2 % при температурі +25 °С, ТКС - приблизно 2 %/°З, робочий температурний інтервал -60...+200", постійна часу - 3 с.

Побутовий цифровий термометр

Недолік напівпровідникових терморезисторів - нелінійність залежності опору від температури і значний розкид характеристик, що є основною причиною, що стримує їх широке застосування дм вимірювання температури. Графік ілюструє типову залежність опору напівпровідникових терморезисторів ТР-4 і ММТ-4 від температури. Однак відповідні схемотехнічні рішення лінеаризації характеристики дозволяють в значній мірі усунути ці недоліки.

Основні технічні характеристики термометра з використанням в ньому терморезистора ТР-4:

Інтервал вимірюваної температури, °З . . . -50...+100
Роздільна здатність, °З . . . 0,1
Похибка вимірювання, °С,
   на краях робочого інтервалу . . . ±0,5
   у середній частині робочого інтервалу, не гірше . . . ±0,1...0,2
Напруга джерела живлення, В . . . 9
Споживаний струм, мА . . . 1
Габарити, мм . . . 175х65х30
Маса, р . . . 250

Принципова схема термометра зображена на рис.1. Основа приладу - інтегруючий аналого-цифровий перетворювач (АЦП) DA3, до виходу якого підключений чотирирозрядний рідкокристалічний індикатор HG1. Така елементна база дозволила знизити енергоспоживання і забезпечити приладу малі габарити і масу.

Побутовий цифровий термометр

Рис.1 Принципова схема

 

Побутовий цифровий термометр

Рис.2 Друкована плата

Вимірювальну ланцюг приладу утворюють токозадающий резистор R1, резистори R2 і R3, формують зразкове напруга Uобр, терморезистор R4, напруга Uт, на якому змінюється в залежності від температури, і компенсуючий резистор, функцію якого виконують резистори R5, R6. Для зменшення похибки від самопрогрева терморезистора номінал токозадающего резистора R1 обраний таким, щоб струм в вимірювальної ланцюга дорівнює приблизно 0,1 мА.

У приладі застосовано пряме вимірювання термоопору методом відносин - терморезистор R4 і зразковий резистор (R2+R3) включені послідовно і через них протікає однаковий струм. Падіння напруги, що виникає на терморезисторе, надходить на вхідні висновки 30 та 31, а падіння напруги на зразковому резисторі, що виконує функцію джерела зразкового напруги Uобр, - на висновки 35 і 36 АЦП DA3.

При такому способі вимірювання результат перетворення АЦП не залежить від струму в вимірювальної ланцюга, а отже, відпадає потреба у традиційно застосовуваних високоякісних джерелах струму і зразкового напруги, від яких багато в чому залежать точнісні характеристики вимірювача.

Для приладу, що працює в режимі вимірювання температури, типовою є завдання компенсації початкового значення термосопротявления при нульовій температурі. Для цього опір компенсаційного резистора (R5+R6) вибирають рівним опору терморезистора R4 при нульовій температурі, а щоб компенсувати суму значень напруги Uт+u к надходить на висновок 30 АЦП, на його висновок 31 подають напругу, рівну 2 u к, яке формує операційний підсилювач DA2 з коефіцієнтом підсилення K=(1+R14/R13)=2. Тоді з урахуванням того, що з підвищенням температури опір терморезистора зменшується, маємо Uвх ацп = U+вх - U вх = 2Uк-(Uт+u к) = u к-Uт.

Лінеаризацію нелінійної залежності термоопору від температури реалізують шунтуванням терморезистора R4 резистором R11 - грубо, а точно-введенням в пристрій ОУ DA1. Але шунтувальний резистор R11 лише частково спрямляет цю нелінійність, кілька розширюючи робочий температурний інтервал.

Принцип точної лінеаризації заснувавши на зміни коефіцієнта перетворення АЦП в залежності від зразкового напруги Uобр. Воно змінюється завдяки зворотного зв'язку через ОУ DA1. При такій зв'язку частина вхідної напруги Uвх, що визначається коефіцієнтом підсилення ОУ DA1=[1+(R8+R9)/R7], додається до напруги Uобр. Чим більше збільшується опір терморезистора при зниженні температури, тим швидше зростає зразкове напруга, а це призводить до пропорційного зменшення коефіцієнта перетворення АЦП: Uобр=U+обр-U-обр=U0-В(u к-Uт), де U+обр-U-обр - напруги на висновках 36 і 35 АЦП відповідно.

Якщо прийняти ціну поділки молодшого розряду дорівнює 0,1 С, то в кінцевому вигляді показання цифрового індикатора НG1 визначиться виразом N=100Uвх/Uобр=100(u к-Uт)/[(U0-В(u к-Uт)]=100(R5+R6-R4)/[(R2+R3)-В(R5+R6-R4)]

Інші елементи термометра, що забезпечують роботу АЦП, типові. Транзистор VT1, включений інвертором, служить для індикації в цифровому індикаторі HG1 знака десяткового дробу.

Деталі приладу змонтовані на друкованій платі з фольгованого склотекстоліти товщиною 1,5 мм Мікросхема DA3 змонтована з боку друкованих провідників. Гнізда X1, Х2 (від роз'єму 2РМ) припаяні безпосередньо до друкованих майданчиків плати. Для кріплення перемикача SA1 також передбачено друковані майданчики. Постійні резистори - С2-29В, підстроювальні - СП3-38а. Конденсатори: С1 - К50-6, С3 і С7 - К22У, С5 - К73-17, С2 і С6 - К73-24. Перемикач SA1 - ПД9-2, батарея живлення GB1 - "Корунд". Індикатор ИЖКЦ1-4/8 можна замінити на ИЖЦ-5.

Конструктивне оформлення датчика довільне. Наприклад, в пластмасовому стержні діаметром 5 і довжиною 65-70 мм свердлять наскрізне осьовий отвір діаметром близько 3 мм, а потім в одному з його торців - поглиблення. На висновки терморезистора надягають тонкі ізоляційні трубки, висновки пропускають в отвір у стрижні, встановлюють терморезистор в поглиблення і герметизують його клеєм БОВ-1 їм лаком КО947. До висновків припаюють кінці двупроводного гнучкого кабелю і туго надягають на кінець стрижня, протилежний терморезистору, відрізок тонкостінної дюралюмінієвою трубки, яка служить ручкою датчика. Довжина з'єднувального кабелю - близько 1,5 м.

Із-за значного розкиду параметрів напівпровідникових терморезисторів в пристрій введені три підлаштування резистора: R5-для установки нуля, R2 - для встановлення масштабу шкали і R9-для лінеаризації характеристики терморезистора.

Найпростішу регулювання термометра зручно виконати за трьома контрольним значенням температури: талої води (0 °С), тіла (36,6 °С) і кипіння води (100 °С). У першої з цих контрольних точок вимірюють температуру води в льоду, а не води з льодом, температура якої може бути більш 1 °С. У другій контрольній точці в якості зразкового приладу використовують медичний термометр. Температуру кипіння води необхідно скоригувати поправкою на атмосферний тиск. В П'ятигорську, наприклад, що знаходиться на висоті близько 500 м над рівнем моря, вода кипить при температурі 92,5 °С.

Регулювання починають, помістивши датчик в талу воду. Підлаштування резистором R5 встановлюють на індикаторі нульове показання. Потім, почергової регулюванням резисторів R2 і R9 домагаються показань індикатора, відповідних значень температури в двох інших контрольних точках. Далі датчик знову завадять в талу воду і повторюють всі контрольні вимірювання.
Більш точне регулювання приладу можна виконувати за промисловим ртутним термометрам з ціною поділки шкали 0,2 °С.

Замість терморезистора ТР-4 в датчику можна використовувати і інші терморезистори більш широкого застосування, але з обов'язковим коригуванням опору деяких резисторів приладу. Так, при ММТ-4 з номінальним опором 1,3 кОм опір резистора R11 повинне бути зменшене до 3,3 кОм, а при терморезисгоре СТ3-19 з номінальним опором 2,2 кОм - до 3 кОм.

Режими роботи АЦП при використання в приладі терморезисторів ТР-4 і ММТ-4 показані в таблиці. Якщо меж регулювання подстроечмыми резисторами, крім R11, не вистачає, то, можливо, доведеться підібрати резистори R3, R6, R8.

Радіо №10, 1991, стор 28

Список радіоелементів

Позначення Тип Номінал Кількість DA1, DA2 DA3 VT1 C1 C2, C4, C6 C3 C5 C7 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7, R13, R14 R8 R9 R10, R15, R16, R18, R20 R11 R12 R17 R19 HG1 SA1 GB1
МікросхемаКР140УД122
МікросхемаКР572ПВ51
Біполярний транзисторКТ315В1
Електролітичний конденсатор10 мкФ 101
Конденсатор0.1 мкФ3
Конденсатор0.01 мкФ1
Конденсатор0.47 мкФ1
Конденсатор75 пФ1
Резистор22 кОм1
Підлаштування резистор1 кОм1
Резистор2.2 кОм1
Терморезистор1 кОм1
Підлаштування резистор470 Ом1
Резистор1 кОм1
Резистор20 кОм3
Резистор5.1 кОм1
Підлаштування резистор2.2 кОм1
Резистор1 МОм5
Резистор5.6 кОм1
Резистор10 кОм1
Резистор200 кОм1
Резистор100 кОм1
ІндикаторИЖКЦ1-4/81 Можна ИЖЦ-5
Вимикач1
Батарея живлення9 Вольт1
Tags

Коментарі до новини