Практическая схема термометра

June 27, 2010 by admin Комментировать »

Теперь, вооружившись всеми этими знаниями, приступим, наконец, к наше­му термометру. И сначала нам надо будет посчитать — что мы имеем на вхо­де и что мы хотим при этом получить на выходе?

Начнем с выхода— температура традиционно демонстрируется в виде «ХХ,Х». Таким образом, мы должны использовать только три младших разряда, при этом диапазон температур получится от -99,9 до +99,9 °С. Собственно говоря, такой диапазон чересчур широкий, практически для «погодного» термометра хватило бы и диапазона от -50 до +50 °С. В чем и состоит, как мы уже говорили, недостаток использования готовых микро­схем — мы вынуждены устанавливать диапазон в соответствии с возмож­ностями отображения чисел с помощью ПВ2. И при этом мы теряем ровно два двоичных разряда, ужимая диапазон в 4 раза. Никто нам, конечно, не запретит подключить все четыре индикатора и демонстрировать темпера­туру от -199,9 до 199,9 °С. Но если диапазон выше 100 °С еще может при­годиться в быту (скажем, признаком готовности варенья служит темпера­тура 105—106 °С), то отрицательный диапазон аж до -200 °С вряд ли потребуется даже для самых специфических производственных нужд, а для научных задач такие температуры измеряются своими способами. Но, ко­нечно, никто не запрещает вам использовать, например, половину диапазо­на со сдвигом, от -50 до +150 "^С — все будет определяться соотношением резисторов, как мы увидим, и наличием индикаторов. Калибровку для про­стоты будем производить от О до 50 градусов, полагая (и это оправдывается на практике), что термодатчик при не слишком большом углублении в от­рицательную область ведет себя линейно.

О выборе датчиков мы говорили в главе 13. Так как мы собираемся делать более-менее точный прибор, то выберем не полупроводниковый, а медный резистивный датчик и прикинем, какое было бы желательно иметь его сопро­тивление. Обычные токи через датчик должны составлять порядка 1—3 мА, иначе медная катушка приемлемых размеров будет сама нагреваться. Проще всего в качестве датчика использовать обмотку малогабаритного реле из се­рий, например, РЭС-60, РЭС-80, РЭС-79 или РЭС-49 — какое окажется под рукой, и чем старше возрастом, тем лучше, так как медь при хранении стаби­лизирует свои характеристики. Нет проблем использовать и любое другое реле, только крупные конструкции будут иметь значительную тепловую инерцию, к тому же многие, особенно старые, реле не герметизированы. Ука­занные мной типы имеют полностью герметизированный металлический корпус, остается только изолировать от внешней среды выводы. У меня «под рукой» оказалось реле типа РЭС-60 с обмоткой 800± 120 Ом (паспорт РС4.569.435-01). Изменения на диапазон 100 °С составят в среднем 320 Ом (напомним, что у меди температурный коэффициент сопротивления равен 0,4%Л). Выберем Uon = 0,5 В, тогда ток через датчик-обмотку должен соста­вить 0,5 В/320 Ом « 1,5 мА. Так как рабочие напряжения здесь не превышают по абсолютной величине 0,5 В, то мы сможем обойтись для АЦП одним пи­танием +5 В, только надо будет максимально приблизить эти напряжения к середине питания.

clip_image002

Рис. 17.9. Прецизионный цифровой термометр на микросхеме 572ПВ2

Общая схема термометра показана на рис. 17.9. Рассмотрим сначала включе­ние датчика. Для того чтобы при нуле градусов термометр показывал О, нуж­но на вход АЦП подавать разность текущего напряжения на датчике и значе­ния его при нулевой температуре. В данном случае это делается с помощью мостовой схемы. Два идентичных источника тока 1,5 мА (ОУ DA1, транзи­сторы VT1—VT2 и резисторы R16—R19) образуют верхнюю половину мос­та, а нижняя состоит из датчика температуры Rt и опорного резистора R20, сопротивление которого равно сопротивлению датчика при О *^С. Разность этих напряжений подается на АЦП в качестве входного напряжения. Фильтр R22—С6 нужен для лучшего сглаживания помех (конденсатор С6 может быть керамическим). ОУ МАХ478, как указывалось в главе 12, можно заме­нить, например, на ОР293 (или, с небольшой переработкой схемы, на счетве­ренный ОР493). Так как в этой схеме общее питание не превышает 5 В, то выбор ОУ с хорошими характеристиками несколько расширяется (ОР296, AD8607, А08616идр.).

Обратим теперь внимание на хитрую схему включения самого датчика, кото­рая носит название «трехпроводной». Такая схема позволяет избежать влия­ния соединительных проводов и, главное, помех, которые наводятся на них. Сами по себе провода влияют слабо, так как в данном случае достаточно, чтобы они имели сопротивление, меньшее, чем 1/2000 сопротивления датчи­ка,^ что составляет примерно 0,4 Ом, Это вполне обеспечит провод МГТФ-0,35, если его суммарная длина не превысит 40 м. Однако в этой схеме и столь малые изменения нивелируются тем, что два одинаковых провода, со­единяющие опорный резистор с датчиком и датчик с источником тока, ока­зываются включенными в разные плечи моста, потому их изменения взаимно компенсируются. Наведенные на этих проводах помехи ведут себя точно так же. А третий провод, соединяющий датчик с «землей», оказывается вклю­ченным в оба плеча сразу и создает чисто синфазную помеху, которая игно­рируется преобразователем. Дополнительный резистор R23, включенный в этот провод, «подтягивает» напряжение разбаланса моста к середине напря­жения питания (падение напряжения на R23 составляет около 1 В). При воз­можном изменении напряжения питания опорное напряжение и сигнал с вы­хода моста будут меняться пропорционально, поэтому ошибки не возникнет.

Цепочка R21—С7 есть дополнительный фильтр по питанию ОУ в источниках тока. Остальные компоненты схемы вызвать вопросов не должны. Все рези­сторы, выделенные темным, должны быть с точностью не хуже 1%, напри­мер, типа С2-29В. Номиналы их, естественно, необязательно должны быть именно такими, как указано на схеме, и могут меняться в очень широких пределах, но соотношения должны быть выдержаны точно. При ином сопро­тивлении датчика соотношения этих резисторов, а также сопротивления ре­зисторов R20 и R23 придется пересчитать, при этом желательно приблизи­тельно сохранить значения напряжений в схеме, особенно это касается близости к середине напряжения питания.

Индикаторная часть также не должна вызвать вопросов. Питание индикаторов в этой схеме обязательно должно осуществляться от отдельной обмотки трансформатора. Индикаторы зеленого свечения (с буквой G) можно заменить любыми другими, по вкусу. Так как мы четвертый разряд не используем, то не имеет смысла ставить целый индикатор для одного только знака минус, и его индикация производится с помощью одного плоского светодиода. Они бывают разных размеров, и чтобы прибор выглядел красиво, следует подогнать светя­щуюся полоску по ширине сегментов индикатора. В данном случае светодиод L113 имеет размеры 5×2 мм, но сегменты заметно уже, поэтому часть торцевой поверхности нужно аккуратно закрасить любой непрозрачной краской. Залить такой краской следует и боковые поверхности светодиода, иначе вместо мину­са вы получите неопределенное светящееся пятно.

Если яркость минуса, запятой (вывод 5 индикатора Н2) и индикаторов Н4— Н5, постоянно демонстрирующих знак «°С», будет отличаться от яркости ос­новных разрядов, нужно подобрать резисторы R1—R10. Источник питания нужно рассчитывать на 250 мА по напряжению –6,3 В (по напряжению +5 В потребление не достигает и 10 мА). Конечно, в целях экономии места, стои­мости и потребления тока индикаторы Н4—^Н5 можно исключить.

clip_image004

Рис. 17.10. Конструкция датчика на основе реле РЭС-49, РЭС-60, РЭС-79, РЭС-80 и аналогичных: 1 — реле; 2 — места пайки выводов; 3 — пластмассовая трубка; 4 — эпоксидная смола; 5 — кембрик

Датчик можно изготовить следующим образом (рис. 17.10). Берется трубка (лучше пластмассовая) длиной примерно 10 см и такого диаметра, чтобы все

выводы реле, в том числе выводы обмотки с припаянными проводами, сво­бодно помещались внутри. Места пайки на всякий случай следует изолиро­вать термоусадочным кембриком. Затем нужно пропустить провода через трубку и обязательно в месте выхода из трубки также надеть на них отрезок кембрика, чтобы ограничить радиус перегиба (позиция 5 на рис. 17.10). По­том нужно залепить пластилином щели между корпусом реле и торцом труб­ки и залить ее внутренность эпоксидной смолой. Пластилин удаляется начис­то с помощью бензина. Если датчик будет расположен снаружи помещения, его лучше покрыть атмосферостойким лаком или краской.

Схему следует собрать всю сразу (проверив отдельно, конечно, источник пи­тания). Измерив величину сопротивления датчика при комнатной температу­ре, следует рассчитать необходимую величину резистора R20 (на схеме дана его величина, исходя из сопротивления датчика ровно 800 Ом при 20 °С). За­тем на место калибровочных резисторов R14 и R20 следует впаять резисторы большего номинала, а параллельно им— переменные резисторы с таким значением сопротивления, чтобы вместе они составляли номинал примерно на 5—10% больший расчетного. Наладку надо начинать с того, что прове­рить правильность разводки индикаторов. Для этого вывод «TEST» следует замкнуть с напряжением питания — индикаторы должны загореться все, по­казав значение «888».

Затем можно приступать к процедуре калибровки. Набейте термос толче­ным льдом (зимой лучше использовать для этой цели снег) пополам с во­дой — это будет первая калибровочная точка. Вторая может быть обеспе­чена просто теплой водой с температурой от 40 до 60 градусов, причем поддерживать точную температуру необязательно, только за ней нужно все время следить (хотя, разумеется, наличие термостата предпочтительнее). Помещая датчик в смесь льда и воды, с помощью резистора R20 устанавли­вают нулевые показания термометра. Затем датчик помещают в теплую во­ду вместе с образцовым термометром, и с помощью резистора R14 устанав­ливают показания, соответствующие показаниям этого термометра. В обоих случаях размещать датчик нужно так, чтобы и он, и эталонный термометр не касались стенок, причем воду и смесь в термосе при этом следует обяза­тельно перемешивать. Не забывайте, что каждый раз датчик следует вы­держивать при соответствующей температуре не менее нескольких ми­нут — до установления показаний.

Так как у нас при 0° мост находится в равновесии, то в принципе корректи­ровки нуля и крутизны независимы, и одной итерации достаточно, но на вся­кий случай следует несколько раз перенести датчик из нулевой температуры в теплую воду и обратно и при необходимости подкорректировать показания. Окончательно переменные резисторы заменяют на постоянными, которые подпаивают прямо к выводам основных (на схеме они показаны пунктиром). Эти дополнительные резисторы могут быть типа МЛТ — при условии, что основной резистор не слишком отличается от окончательного номинала. Ес­ли все сделано аккуратно, то погрешность такого термометра не превысит приблизительно 0,2 °С во всем диапазоне от -50 до +50 °С.

clip_image006

Рис. 17.11. Варианты организации отрицательного напряжения питания для 572ПВ2

При использовании иных типов датчиков, например, полупроводниковых, отрицательное напряжение питания в 572ПВ2 может все же понадобиться. Лучший способ, безусловно, — сделать нормальный двуполярный источник ±5 В. На рис. 17.11 приведены различные варианты паллиативных решений.

Первый вариант (рис. 17.11, а) представляет собой однополярный источник +10 В с искусственным расщеплением. Расщепитель представляет собой про­сто повторитель напряжения на ОУ с умощненным выходом на комплемен­тарных транзисторах. Обратите внимание на схему включения стабилизатора LM78L09, которая позволяет получить напряжение несколько большее, чем номинальное. Излишне предупреждать, что питание индикаторов при такой схеме обязательно должно осуществляться от отдельного источника.

Вторая схема (рис. 17.11,6) представляет собой инвертор-преобразователь положительного питания +5 В в отрицательное. Различных типов таких ин­верторов выпускается очень много, здесь выбран простейший нестабилизи-рованный вариант. Преимущество преобразователя 1168ЕП1 (1CL7660, МАХ 1044)— в простоте включения, недостаток— высокое выходное со­противление, так что при входном напряжении +5 В уже при потребляемом токе 20 мА отрицательное выходное напряжение снижается по абсолютной величине до 4,0 В (величина -4,4 В показана условно). Однако для нужд микросхемы 572ПВ2 этого вполне достаточно. Это вполне иллюстрирует рис. 17.11, в, на котором приведена схема инвертора напряжения, рекомен­дуемая самими разработчиками АЦП. Это на самом деле просто ухудшенный вариант того же инвертора, только работающий от тактовой частоты АЦП. Микросхема CD4009 может быть заменена на 561ПУ4 (CD4050) или на 561ЛН2 с соответствующей коррекцией разводки выводов. Подобные схемы могут особенно пригодиться для ПВ5 в случае батарейного питания, ведь обеспечить напряжение порядка 12—14 В, требующееся для нормального двуполярного источника ±5 В, в этом случае непросто.

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