ТЕРМОМЕТР ЦИФРОВОЙ

May 26, 2010 by admin Комментировать »

А. Шамов, Г. Шик

Цифровой термометр предназначен для измерения температуры в диапазоне от 0 до 99,9 °С. От известных конструкций, например [1 — 3], его отличает довольно широкий диапазон измеряемых температур, простота конструкции и налаживания. Недостатком термометра является невозможность измерения отрицательных тем­ператур. Термометром можно быстро и точно измерить температуру тела человека, температуру растворов, во­ды, воздуха, фоторастворов, что особенно важно при цветной фотопечати.

Предлагаемый цифровой термометр имеет следующие техниче­ские характеристики: диапазон измеряемых температур 0…99.9 °С, разрешающая способность 0,1 °С; точность измерения: в диапазоне 1О…9О°С — 0,1 °С; в диапазоне О…1О°С — 0,5 °С; в диапазоне 90…99,9 °С — 0,3 °С. Время измерения температуры 1 с; время инди­кации температуры 3 с. Потребляемая мощность 1 Вт. Габариты 136X100X50 мм, масса 0,3 кг.

Функциональная схема термометра показана на рис. 1. Прибор состоит из пяти основных блоков: пре­образователя температура — частота (блок 1), генерато­ра прямоугольных импульсов (блок 2), счетчика импуль­сов с дешифратором (блок 3), блока питания (4) и инди­катора (блок 5). х

Блок 1 преобразует прямое падение напряжения на датчике (диоде) в частоту. Импульсы с выхода преобразователя-интегратора заполняют прямоугольные импульсы, идущие с генератора, и далее поступают на счет­чик — блок 3, который преобразует эти пакеты им­пульсов в код управления семисегментными индикато­рами. Во время счета импульсов индикаторы не горят — они заперты сигналом, приходящим с генератора, кото­рый также вырабатывает сигнал сброса показаний в конце цикла индикации. Блок питания 4 вырабатывает все необходимые напряжения для питания блоков тер­мометра.

clip_image002

Рис. 1. Функциональная схема термометра

Принципиальная схема термометра изображена на рис. 2. За основу устройства взят преобразователь температура — частота в электронном термометре с непосредственным отсчетом [4]. Температурная зависи­мость падения напряжения на р-n переходе при фикси­рованном токе через него и малая нелинейность харак­теристики температура — напряжение позволяют при­менять полупроводниковые диоды в качестве датчиков температуры. С такими датчиками можно изготавливать электронные термометры, не вводя в приборы специаль­ные линеаризующие устройства. В преобразователе используется датчик — диод VD5, падение напряжения на котором необходимо для работы интегратора. Интегратор собран на операционном усилителе DA2 К574УД1Б, имеющем большую скорость нарастания вы­ходного напряжения, чем обеспечивается высокая ско­рость отслеживания и достигается точность преобразо­вания, равная 0,1 °С: Когда интегрирующий конденса­тор СЗ заряжается до напряжения — 10 В, интегратор сбрасывается однопереходным транзистором VT2. Опор­ное напряжение, задающее порог отпирания однопере-ходного транзистора и стабилизирующее ток через дат­чик VD5, обеспечивается термостабилизированным стабилизатором VD3, VD4. Выходное напряжение инте­гратора через дифференцирующую цепочку C4R16 посту­пает на токовый ключ — транзистор VT3, формирующий пакеты импульсов. На базу VT3 приходят сигналы пре­образователя и генератора прямоугольных импульсов. Генератор собран на операционном усилителе DA1 КН0УД8Б, обеспечивающем выходное напряжение пря­моугольной формы с периодом 4 с. Скважность импуль­сов устанавливается резистором R2 так, что отношение длительности импульса к паузе равно 1:3. За время длительности импульса, равное 1 с, на вход счетчика поступают импульсы, количество которых пропорционально измеряемой температуре; за время паузы, равное 3 с, эта информация высвечивается индикатором. Во время счета индикаторы заперты напряжением — 15 В, приходящим с генератора. После подсчета ко­личества импульсов, пропорционального измеряемой температуре, ключ VT3 закрывается, лампы HL1 — HL3 в течение 3 с высвечивают информацию, храня­щуюся в счетчиках DD1 — DD3. В конце периода инди­кации транзистор VT1 и дифференцирующая цепочка C2R9 формируют импульс сброса показаний счетчиков. Для улучшения стабильности работы генератора в ка­честве конденсатора С1 применяется конденсатор К73П-3 с малыми токами утечки и хорошей термостабильностью.

Блок питания (рис. 3) собран по распространенной схеме. Опорные напряжения формируются стабилитро­нами VD2 — VD6. Сердечник трансформатора питания имеет сечение 2,5 см2. Его первичная обмотка намотана проводом ПЭВ 0,1 и содержит 5000 витков. Вторичные обмотки II и III намотаны проводом ПЭВ 0,14 и содер­жат 2X400 витков; обмотка IV — 20 витков провода ПЭВ 0,31.

clip_image004

Рис. 2. Принципиальная схема термометра

clip_image006

Рис. 3. Принципиальная схема блока питания

clip_image008

Рис. 4. Принципиальная схе­ма кварцевого генератора

Для увеличения точности измерения во всем диапа­зоне О…99,9 °С можно использовать кварцевый генератор секундных импульсов, схема которого показана на рис. 4. Задающий генератор собран на микросхеме DDI в одном корпусе с двумя делителями частоты. Коэффи­циент деления первого делителя равен 29, а второго 26. Генератор с кварцевым резонатором Z1 формирует по­следовательность импульсов частотой 215 Гц (32 768 Гц). Эти импульсы подаются на 15-разрядный делитель частоты. На выходе 5 микросхемы DD1 частота генератора понижается до 1 Гц. Для получения прямоугольных импульсов со скважностью 2 и периодом 2 с применен делитель частоты на D-триггере (микросхеме DD2). С выхода 1 этой микросхемы снимается сигнал частотой 0,5 Гц. Этот сигнал подается на сетки ламп HL1 — HL3 и резистор R5, сопротивление которого необходимо уменьшить до 10 кОм. Генератор, собранный по приве­денной схеме, имеет хорошую временную и температур­ную стабильность. В случае использования кварцевого генератора следует переделать печатную плату с учетом изменения схемы (удаляются детали DAI, VD1 — VD2, R1 — R4, С1). Использование кварцевого генератора и термокомпенсированного конденсатора СЗ в преобразо­вателе температура — частота позволяет снизить погреш­ность измерения в диапазоне О…99,9°С до 0,1 °С и менее. Время индикации показаний в этом варианте состав­ляет 1 с.

clip_image010

Рис. 5. Печатная плата генератора, счетчика и индикатора

Конструкция и детали. В термометре при­менены постоянные резисторы МЛТ 0,125, подстроечные резисторы R13, R14 — СП5-3 проволочные, многооборот­ные. Применение однооборотных резисторов нежела­тельно, так как пороги срабатывания интегратора долж­ны быть выставлены очень точно. Резистор R15 — СПЗ-1Б или СПЗ-22. Конденсатор СЗ — К10-23 или КМ4, КМ5. Его лучше составить из нескольких конденсаторов, имеющих ТКЕ разных знаков, так, чтобы суммарный ТКЕ был близок к нулю. Эти меры необходимы для обеспечения максимальной точности измерения темпе­ратуры. Для этой же цели в преобразователе использует­ся ОУ К574УД1Б. Если достаточна точность измерения не более 0,3…0,5°С, можно использовать ОУ КН0УД8Б. Конденсатор С1 в генераторе может быть заменен другим, имеющим изоляцию из фторопласта или тефло­на, соответствующей емкости и габаритов. Транзисторы блока питания VT1, VT2 могут быть КТ502, КТ503; КТ201, КТ203. Счетчик может быть построен на И С серии К155, но тогда возрастет потребляемая мощность, потребуется внести изменения в блок питания и блок индикации прибора. Датчик прибора — германиевыйточечный диод Д9. Его выводы согнуты в одну сторону, припаяны к кабелю с фторопластовой изоляцией, на по­ловину корпуса надета трубка из полихлорвинила. Когда датчик опускается в токопроводящую среду, нужно сле­дить, чтобы он не погружался более чем на половину длины корпуса. Для работы в агрессивных средах, с кислотами и щелочами, датчик следует защитить эпо­ксидной смолой, обеспечивающей его изоляцию и хоро­шую теплопроводность. Если возникает необходимость использования нескольких датчиков, расположенных в разных местах при точности измерения не более 0,3… 0.5 °С, можно использовать датчики КД518А, предвари­тельно отобрав их по одинаковому падению напряжения при токе через диод 1 мА, также потребуется установить переключатель П2К на необходимое количество датчи­ков- Для измерения температуры фоторастворов на корпусе датчика можно закрепить кусочек пробки или пенопласта так, чтобы подводящие концы датчика были изолированы, а корпус касался измеряемой среды и пла­вал на ее поверхности.

Весь термометр собран на трех печатных платах из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. На одной из них, с габаритами 130X40 мм, из двусторонне­го стеклотекстолита собран генератор прямоугольных импульсов Со счетчиком и индикаторами (рис. 5). На второй, с габаритами 80×40 мм, собран преобразователь температура — частота (рис. 6) и на третьей, с габари­тами 130X40 мм, собран блок питания, включая и транс­форматор (рис. 7). Платы с помощью уголков крепятся к основанию из гетинакса толщиной 3 и размером 130X1 Х90 мм. Все три платы размещены в корпусе размером 135X100X50 мм, спаянном из фольгированного стекло­текстолита толщиной 2 мм. Корпус оклеен пленкой, имитирующей ценные породы дерева. Окно для считы­вания показаний на лицевой стороне корпуса термометра закрыто оргстеклом сине-зеленого цвета. Кабель датчика наматывается на выступы на задней стенке термометра. Там же выводится и кабель питания прибора. Для ка­либровки термометра использовались цифровой часто­томер 43-32 и цифровой промышленный термометр. При использовании простых термометров и частотомеров точ-ность настройки может достигать 0,3…0,5 °С.

clip_image012

Рис. 6. Печатная плата преобразователя температура — частота

clip_image014

Рис. 7. Печатная плата блока питаяия

Для калибровки преобразователя от базы транзисто­ра VT3 отсоединяют генератор и к выходу преобразова­теля (коллектор VT3) присоединяют частотомер. Пред­варительно резистором R15 устанавливают ток через датчик VD5, равный 1,0 мА. Затем датчик помещают в среду, имеющую температуру 100°С (кипящая вода), одновременно контролируя температуру термометром. Резистором R14 устанавливают выходную частоту 1000 Гц. Затем датчик охлаждают до 0°С (тающий снег) и резистором R13 срывают колебания интеграто­ра — частота 0 Гц. Эти операции повторяют 3 — 4 раза для устранения взаимного влияния резисторов R13 и R14. Затем присоединяют генератор к базе транзистора VT3 и резистором R2 устанавливают показания счетчика при температуре 99,9 °С, равным 99,9. После этого проверяют линейность устройства во всем диапазоне. При необхо­димости настройку повторяют.

Литература

1. Алексиев Д. Медицинский термометр. — Радио, 1981, № 9, с. 68.

2. Цифровой термометр. — Радио, 1982, № 4, с. 58.

3. Бронштейн Б., Борбич М. Цифровой термо­метр. — В помощь радиолюбителю. Вып. 79, с. 50 — 51.

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

5. Майзульс Р. Электронные часы на микромощных интегральных схемах. — В помощь радиолюбителю. Вып. 72, с. 57.

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