ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР С АВТОМАТИЧЕСКИМ КОНТРОЛЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ

May 26, 2010 by admin Комментировать »

Цифровой термометр предназначен для измерения температуры газообразных, сыпучих и жидких сред, автоматического контроля за величиной температуры и формирования информационных сигна­лов («Максимум», «Норма», «Минимум» — температуры) относитель­но установленных с панели прибора ее максимального и минималь­ного значений для контролируемой среды. Прибор позволяет изме­рять температуру в диапазоне 0…60 °С с разрешающей способностью 0,1 °С — погрешность измерений при этом не превышает ±0,2 °С. Длительность измерения температуры — 1 с; время индикации — не­прерывно; период обновления информации на индикаторах о значе­нии температуры — 2 с. Диапазон контролируемых значений О 4-49°С Установка допусков температуры для контролируемой среды производится- переключателями с передней панели прибора. Дискретность установки — ГС. Максимальная ширина полос конт­роля температуры — по 5 °С.

clip_image001

Рис. 1. Цифровой термометр с автоматическим контролем темпера­туры

В зависимости от величины температуры прибор формирует сле­дующие информационные сигналы:

температура в допуске, формируются световой и потенциальный сигналы «Норма»;

температура больше (меньше) допуска, формируются звуковой, световой и потенциальный сигналы «Максимум» («Минимум»).

Потенциальные сигналы в виде постоянных напряжений +5 В подаются на выходной разъем прибора. Их можно использовать для управления устройствами изменения температуры среды — венти­ляционными и холодильными установками, калориферами, кондицио­нерами И Т. Д. ел т-

Прибор питается от сети напряжением 220 В частоты 50 1ц. Потребляемая мощность не превышает 15 ВА. Размеры корпуса при­бора — 280Х 170X125 мм. Масса — 2900 г.

Внешний вид готового образца показан на рис. 1. Длина кабеля, соединяющего датчик температуры с прибором, — 5 м.

Для изготовления цифрового термометра использовались широ­ко распространенные детали. Он обеспечивает сравнительно большую точность и быстроту замеров, прост в настройке и эксплуатации. Датчик температуры можно установить практически в любом месте контролируемого участка. Перед измерениями необходимо подго­товить блок программирования к эксплуатации. Процесс подготовки заключается в установке перемычек на специальной плате в зави­симости от допустимой температуры для контролируемой среды.

Структурная схема цифрового термометра, приведен­ная на рис. 2, включает основные блоки прибора:

clip_image002

Рис. 2. Структурная схема цифрового термометра

У1. Преобразователь температуры в частоту.

У2. Блок образцовой частоты. Состоит из кварцево­го генератора и пяти декадных делителей.

УЗ. Блок управления прибора. Включает устройство формирования временного интервала для подсчета час­тоты и дифференцирующую цепь формирования импуль­са переписи кода температуры со счетных декад в память.

У4. Блок счетных декад с памятью и двоично-деся­тичными дешифраторами. Память предназначена для исключения мерцания цифр на индикаторах в процессе подсчета и устойчивой работы схемы контроля.

clip_image003

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема преобразователя «температура — частота»

У5. Блок индикации температуры. Состоит из диод­ных дешифраторов и вакуумных люминесцентных ин­дикаторов.

У6. Программный блок. Дает возможность устанав­ливать пределы контроля температуры среды и форми­рует исходную информацию о значении температуры для блока У7.

У7. Блок формирования информационных сигналов. Вырабатывает световой, потенциальный и звуковой си­гналы «Максимум», «Норма», «Минимум» о температу­ре контролируемой среды.

У8. Блок питания. Обеспечивает прибор необходимы­ми напряжениями питания.

В работе прибора можно выделить две основные функции.

1. Измерение температуры среды. Основано на прин­ципе преобразования температура — напряжение — час­тота [2] с последующим измерением частоты при помо­щи специализированного частотомера. Указанную функ­цию выполняют блоки У1 — У5.

2. Контроль температуры. Основан на совпадении цифрового кода температуры среды и заранее установ­ленных кодов минимального или максимального значе­ний температуры для контролируемой среды. При совпа­дении кодов (понижение или повышение температуры относительно допуска) устройствами .контроля У6, У7 вырабатываются информационные сигналы, назначение которых рассмотрено выше.

clip_image004

Рис. 4. Схема блоков образцовой частоты и управления счетными декадами прибора

Работа измерителя температуры. В преобразователе температура — частота по схеме рис. 3 датчиком темпе­ратуры служит диод VD1 типа Д2В. Операционный уси­литель DA1 совместно с конденсатором СЗ выполняет функцию интегратора [2]. Разряд конденсатора осуще­ствляется через однопереходный транзистор VT1. Пре­цизионный стабилитрон VD2 формирует опорное напря­жение, которое определяет порог открывания однопере-ходного транзистора VT1, обеспечивает постоянный уровень напряжения на инвертирующем входе ОУ и зада­ет стабильный ток, протекающий через датчик темпера­туры. Входное напряжение ОУ интегрируется до момента открывания транзистора VT1. Периодичность этого про­цесса зависит от температуры, поскольку от нее изме­няется падение напряжения на диоде VD1 и соответ­ственно на неинвертирующем входе интегратора. При настроенном преобразователе приращение температуры датчика на 1 °С вызывает увеличение выходной частоты преобразователя на 10 Гц.

Транзистор VT2 выполняет функцию согласования уровней выходных импульсов преобразователя и ТТЛ-микросхем. Длительность импульсов на его коллекторе около 6 мкс и зависит от емкости дифференцирующего конденсатора С4.

Схемы блоков образцовой частоты и управления счетными декадами прибора показаны на рис. 4. Задающий генератор выполнен на элементах DD1.1 — DD1.4 и кварцевом резонаторе Z1. Конденсатор С6 предназначен для точной настройки частоты генератора. Элементы DD2 — DD6 образуют делитель частоты. Выходные им­пульсы делителя с периодом 1 с задают режим работы блока управления. За основу блока управления взят временной селектор (элементы DD7, DD8, VT1), опи­санный в [5].

clip_image005

Рис. 5. Схема счетных декад

Триггер Шмитта DD9.1, DD9.2 формирует прямо­угольные импульсы с крутыми фронтами, что необходи­мо для устойчивой работы счетчиков DD11 — DD13. Светодиод HL1 «Счет» выведен на переднюю панель при­бора и предназначен для индикации времени счета час­тоты преобразователя. Элементы DD10.1 — DD10.4 вы­рабатывают короткий импульс, который через инвертор

DD9.4 производит запись содержимого счетчиков DD11 — DD13 в промежуточную память DD14 — DD16 (рис. 5).

Десятичный код температуры с выходов дешифрато­ров DD17 — DD19 используется в устройстве контроля температуры и для индикации ее величины. Преобразо­ватели десятичного кода в код для семисегментных инди­каторов выполнены на диодах VD19 — VD54 (рис. 6). Для развязки по постоянному току между преобразова­телями кода и программным блоком устройства контро­ля включены диоды VD4 — VD18.

В индикаторе HG2, индицирующем значение единиц градусов температуры, желательно подсвечивать точку, символизирующую запятую между целыми и десятыми значениями градусов. Для этого выводы 2 и 4 индика­тора HG2 необходимо соединить вместе.

В целях компактности и простоты изготовления вмес­то диодных дешифраторов можно применить дешифра­торы К514ИД1 с индикаторами АЛС324А. Схема их подключения приведена на рис. 7. При этом диоды VD4 — VD18, а также обмотки V, VI сетевого трансфор­матора Т1 не нужны.

Работа устройства контроля температуры. Принци-циальная схема устройства показана на рис. 8. В его состав входит программный блок и блок формирования информационных сигналов.

clip_image006

Рис. 6. Схема узла индикации

clip_image007

Рис. 7. Схема подключения деши­фратора

Программный блок установки максимального допус­ка температуры контролируемой среды состоит из дио­дов VD55 — VD66, переключателей SA1, SA2 и транзи­стора VT4, которые образуют (при наличии перемычек Х2 — Х6) схему 2ИЛИ — 5 ИЛИ — 2И — НЕ. При совпаде­нии кодов на выходе дешифраторов DD18, DD19 и на­бранного переключателями SA1, SA2 на коллекторе VT4 появляется сигнал превышения допуска, имеющий уровень логической 1. Аналогично работает программный блок (элементы SA3, SA4, VD67 — VD78, VT5) для минимального допуска температуры.

В формировании информационных сигналов участву­ют элементы: DD20, DD21 — выработка звукового си­гнала; DD22.1, DD22.2 — запоминание сигналов откло­нения от допусков температуры; VT7 — VT9 — транзи­сторные ключи светового и потенциального сигналов.

clip_image009

Рис. 8. Схема программного блока контроля температуры

В случае увеличения температуры сигнал превыше­ния допуска через инвертор DD23.1 переводит триггер DD22.1 в единичное состояние. Если переключатель В2 «Автомат» в исходном положении, то нулевым уровнем с выхода 6 триггера DD22.1 открывается ключ VT7, за­горается лампочка HL2 «Максимум» и на выводе 1 разъема XS1 устанавливается потенциал +5В (до того был ноль). Этот же нулевой уровень поступает на эле­менты DD21.2 и DD23.3, формируя на их выходах логи­ческую 1, которая разрешает прохождение сигнала час­тотой 500 Гц на базу транзистора VT6 и соответственно на динамическую головку ВА1, а также закрывает ключ VT8, при этом лампочка HL3 «Норма» гаснет. Потен­циометром R52, выведенным, на переднюю панель при­бора, регулируется громкость звукового сигнала. Выда­ча информационных сигналов будет продолжаться и после снятия сигнала превышения допуска (температу­ра среды уменьшилась) до тех пор, пока кнопкой SB1 «Сброс» триггер DD22.1 не будет возвращен в нулевое состояние.

Когда переключатель SB2 «Автомат» нажат, дли­тельность подачи информационных сигналов будет опре­деляться нулевым уровнем на выходе DD23.1 и соответ­ственно совпадением кодов температуры на выходах дешифраторов DD19, DD18 и установленного переклю­чателями SA1, SA2.

При наличии перемычек Х2 — Х5, Х7 — Х10 схема со­впадения для единиц градусов температуры блока про­граммирования образует элемент 5ИЛИ, для десятков градусов с перемычками XI, Хб — элемент 2ИЛИ. Сле­довательно, сигнал превышения максимального допуска температуры, установленного переключателями SA1, SA2 по принципиальной схеме на рис. 8, будет выдава­ться при +22… + 26°С, минимального, установленного переключателями SA3, SA4,—–h 17,9…+13 °С.

Конструкция программного блока с использованием многопозиционных переключателей SA1 — SA4 на 2 и 5 направлений обусловлена возможностью превышения температурой среды ее допуска на 1…2°С после того, как будет подан информационный сигнал включения устройства изменения температуры.

При эксплуатации прибора в условиях, когда допус­тимые значения температуры находятся в разных десят­ках градусов (например, 18…22°С, 5…12°С, 10…22°С и т. д.), все перемычки могут быть запаяны. Полоса контроля температуры по обоим допускам в таком слу­чае по 5 °С. Если же допустимый диапазон изменения температуры в пределах одного десятка градусов, могут появляться неоднозначности при формировании схема­ми совпадения сигнала максимума или минимума тем­пературы. Такую ситуацию целесообразно рассмотреть на следующем примере. Пусть допустимый диапазон температуры для контролируемой среды — +24… + 27°С.

Сигнал максимума будет выдаваться при следующих значениях кода температуры — 27, 28, 29, 30, 31, 20, 21. Сигнал минимума — 23,9, 22, 21, 20, 19, 13, 12, 11, 10. Следовательно, при значениях температуры среды +20 и 21 °С будут одновременно выдаваться сигналы макси­мума и минимума. Для устранения такой неоднознач­ности необходимо удалить перемычки Х4, Х5 или Х8, Х9 (согласно рис. 8). Полоса контролируемых температур после настройки будет: для максимума — +27…29°C, для минимума — 23,9…19°С или +27…31 °С для макси­мума и + 23,9…22 °С для минимума. Аналогично рассуж­дая, можно определить ненужные перемычки для любых других значений температуры.

clip_image010

Рис. 9. Блок питания прибора

Блок питания прибора, стабилизаторы которого со­браны по распространенной схеме, показан на рис. 9. Транзистор VT12 необходимо установить на теплоотвод площадью около 100 см2. Желательно использовать не­большие тешюотводы и для транзисторов VT10, VT11. Конденсатор С19 — для защиты цепей питания цифро­вых микросхем от импульсных помех. Развязывающие конденсаторы С22 — СЗЗ необходимо равномерно распре­делить по всей площади печатных плат. Сегменты лю­минесцентных индикаторов питаются от однополупери-одного выпрямителя на диоде VD95.

Переключатель SB3 «Индикация» дает возможность подключать индикаторы по необходимости, чем достига­ется продление их срока работы. Включение устройства контроля за величиной температуры осуществляется переключателем SB4 «Контроль», после чего необходимо нажатием кнопки SB1 «Сброс» обнулить триггеры DD22.1, DD22.2.

Конструкция и детали. В цифровом термо­метре применены резисторы МЛТ-0,125, МЛТ-0,25, МЛТ-0,5, за исключением сопротивлений Rl, R4, R7, ко­торые могут быть типов С2-29В, С2-13, С2-14, С2-31. Сопротивление R51 — четыре резистора МЛТ-0,125 20 Ом, соединенных параллельно. Потенциометр R52 — типа СПО-0,5 или СП2-3. Переменные резисторы R3, R5 должны обеспечивать стабильность своих параметров во времени и при настройке иметь высокую угловую разрешающую способность. Этим задачам наиболее пол­но удовлетворяют многооборотные резисторы со спи­ральным резистивным элементом СП5-14, СП5-3, СП5-16 или СП5-2.

Конденсатор СЗ — слюдяной, типа СГМ-3 или КСО группы Г. Его можно составить из нескольких керами­ческих конденсаторов, имеющих ТКЕ разных знаков, та­ким образом, чтобы суммарный ТКЕ был близок к ну­лю. Подстроечный конденсатор С6 типа КПК-МН, остальные — КЛС, КМ5, КМ6. Электролитические кон­денсаторы типа К50-6, С8 — К53-4. Его можно заменить на конденсатор К50-6 емкостью 100 мкФ на напряже­ние б В.

Вместо ОУ К140УД8А целесообразно использовать ОУ К574УД1Б. Все цифровые микросхемы серии 155 можно заменить на микросхемы серии 133. Возможные варианты замены диодов и транзисторов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Тип прибора

Возможная замена

Д818Г

Д818Е, Д; КС191П, Р

КД503А

КД509А; КД510А; Д219А; Д220; Д223

КД109А

КД105; КД106; КЦ407; Д7А

КД202А

КД201; Д302 — Д305; КЦ402Д, Е

Д7А

Д226В

КС162 А

КС168А заменять нужно одновременно

Д814А

Д814Б- Д809 заменять нужно одновременно

КТ117Г

КТ117В, Б

ГТ404А

КТ815А

ГТ402А

КТ814А

КТ815А

КТ817А, Б; П701А

КТ361Е

КТ203; КТ208; КТ361; МП39 — МП42 с любым буквенным индексом

Переключатели SA1, SA3 — типа 5П2Н-ПМ, SA2, SA4 — 11П5Н-ПМ; Ql, SB1 — SB4 — типа П2К- Разъемы МРН4-1, используемые в приборе, можно заменить на ОЦН-КГ-4-5/16р (СНЦ19) или другие с соответствую­щим числом контактов. Головка громкоговорителя ВА1 — 0,5ГД21. Подойдет любая другая мощностью не менее 0,25 Вт и сопротивлением катушки 8…10 Ом. Лам­почки HL2 — HL4 СМИ 9X60 размещены на передней панели прибора в держателях МФС-1. Трансформатор блока питания выполнен на магнитопроводе Ш20Х20. Все обмотки намотаны проводом ПЭВ-2. Их данные приведены в табл. 2.

Таблица 2

Данные намотки трансформатора Т1

Обмотка

Число витков

Диаметр провода, мм

I

3000

0,15

11+ HI

210+210

0,23

IV

100

0,8

V

400

0,15

VI

22

6,41

Платы цифровой части прибора (блоки У2 — У7) из­готовлены из двустороннего, а преобразователя, стаби­лизаторов и перемычек из одностороннего фольгирован-ного стеклотекстолита. Расположение проводников и деталей на печатных платах показаны на рис. 10 — 15. Поскольку узел индикации можно реализовать различ­ными способами, печатная плата его не приводится. После запайки всех элементов в плату преобразователя все ее токопроводящие дорожки желательно тщательно обез­жирить и покрыть влагостойким лаком УР-231 или ЭП-730

clip_image012

Рис. 10. Плата преобразователя «температура — частота» (блок У1)

clip_image014

Рис. 11. Плата генератора и делителей частоты (блок У2): а — вид со стороны печатных проводников; б — вид со стороны установки де­талей

clip_image016

Рис. 12. Плата блока управления и счетных декад (блоки УЗ и У4):

а — вид со стороны печатных проводников; б — вид со стороны установки де­талей

clip_image018

clip_image020

Рис. 13. Плата устройства контроля температуры (блоки У6 и У7):

а — вид со стороны печатных проводников; б — вид со стороны установки де­талей

clip_image021

Рис. 14. Плата стабилизатора напряжений ±15В

clip_image022

Рис. 15. Плата стабилизатора напряжения ±5 В

clip_image024

Рис. 16. Размещение деталей и блоков в корпусе прибора

Все перемычки Х2 — XII необходимо разместить на отдельной плате. Конструкция платы может быть про­извольной, главное, что нужно обеспечить, — это быст­рую смену перемычек и надежность образованного ими контакта. В зависимости от частоты смены перемычек плату можно разместить внутри корпуса цифрового тер­мометра или на внешней стороне его задней стенки.

Платы прибора укрепляют вертикально внутри кор­пуса (рис. 16), изготовленного из листового алюминия. Толщина шасси — 2 мм, П-образной крышки и передней панели — 1 мм. В шасси и крышке высверлены венти­ляционные отверстия.

Используемый в качестве датчика температуры диод VD1 — германиевый, типа Д9 или Д2 с любым буквен­ным индексом. При замене VD1 на кремниевый, напри­мер КД503А, КД510А, и уменьшении сопротивления ре­зистора R7 до 3…5 кОм измерять температуру среды можно будет в диапазоне 0…+ 100 °С. Погрешность за­меров может возрасти из-за меньшей зависимости вольт-амперных характеристик кремниевых диодов от темпера­туры по сравнению с германиевыми.

clip_image025

Рис. 17. Датчик температуры

Для предохранения от механических повреждений дкод VD1 помещен в защитный экран из металлической (медь, бронза) сетки. Внешний вид и конструкция дат­чика в сечении показаны на рис. 17. Датчик подсоеди­няется к цифровому термометру через экранированный кабель и разъем ХТ1. Анод диода 2 посредством пайки соединяется с центральным проводом 4; катод — с за­щитной металлической сеткой 1, которая, в свою оче­редь, припаивается по всему периметру до экрана 5 со­единительного кабеля. Место соединения анода с цент­ральной жилой кабеля заливается эпоксидной смолой 3. Тем самым достигается изоляция выводов датчика друг от друга при измерении им температур жидкостей. Весь датчик заливать эпоксидной смолой не рекомендуется, поскольку ухудшается его теплопроводность.

Соединительный кабель должен обладать минималь­ным сопротивлением. Автором кабель был изготовлен следующим образом. В экранирующую оплетку пропу­щены три многожильных изолированных провода с боль­шим сечением. Два из них соединены с анодом и обра­зовали центральный проводник, а третий соединен с экраном кабеля и катодом датчика. На изготовленный таким образом экранированный соединительный провод была надета полихлорвиниловая трубка 6.

Настройку прибора начинают с блока питания. Подбором R63, R68 или R62, R67 напряжение на выхо­де двухполярного стабилизатора устанавливают равным ±15 В. Защита от перегрузок в стабилизаторе +5 В должна срабатывать при токе 0,5…0,6 А. Если значение тока другое — подбирают резистор R71.

Цифровая часть прибора при безошибочном монта­же настройки не требует. Следует только проверить час­тоту задающего генератора и при необходимости уста­новить ее равной 100 000 Гц.

Прежде чем приступить к калибровке преобразова­теля температуры, подбором резистора R2 устанавлива­ется ток, протекающий через стабилитрон VD2, равным 10 мА. Датчик VD1 при этом подключен. Вольтметром с большим входным сопротивлением замеряют величи­ны напряжений на входах 3, 4 ОУ DA1. На инвертирую­щем входе напряжение должно быть на 0,15…0,4 В боль­ше. В противном случае нужно подстроить резистор R3. Если преобразователь не работает (интегратор не сбра­сывается), а на выводе 7 ОУ DA1 напряжение — 12… — 14 В, необходимо уменьшить порог отпирания тран­зистора VT1, увеличивая сопротивление резистора R6. При правильно подобранном пороге отпирания однопе-реходного транзистора амплитуда пилообразного напря­жения на выходе интегратора должна быть в пределах — 8,5… — 9,5 В.

Калибровку преобразователя желательно произво­дить с помощью высокоточных лабораторных термомет­ров ТЛ-4 или других, имеющих цену деления 0,1 °С и по­грешность не более ±0,05°С. При калибровке датчик помещают в среду (например, вода) с температурой + 60°С, после чего подстроечным резистором R5 уста­навливают выходную частоту преобразователя, равную 600 Гц (60,0 °С на индикаторах HG1 — HG3). В случае необходимости увеличивают сопротивление резистора R4 до 7…10 кОм. Затем датчик охлаждают до О °С и ре­зистором R3 устанавливают частоту, близкую к 0 Гц. Указанную процедуру повторяют несколько раз до тех пор, пока не будет исключено взаимное влияние регу­лировок. Для увеличения точности настройки можно охлаждать датчик второй раз до +2(3) °С, при этом выходная частота преобразователя будет 20(30) Гц.

Литература

1. Алексеенко А. Г., Коломбет Е. А., Стародуб Г. И. Применение прецизионных аналоговых ИС. — М. : Радио и связь, 1981.

2. Уильяме, Дургович. — Электроника, 1975, с. 48, № 7, с. 54 — 55.

3. Бирюков С. А. Радиолюбительские цифровые устройства. — М. : Радио и связь, 1982.

4. Бирюков С. А. Цифровые устройства на интегральных микорсхе-мах. — М.: Радио и связь, 1984.

5. Евсеев А. Способы измерения электрических величин в цифровых приборах. — В сб.: В помощь радиолюбителю. — М. : ДОСААФ, вып. 85, с. 30 — 32.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты