Простейшие электронные термометры на батарейке

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Как ни странно, но такое распространенное устройство, как бытовой термо­метр, требует достаточно высокой точности: не хуже 0,1—0,2 °С, хотя бы по той причине, что не очень красиво, когда изобретенный вами прибор показы­вает +1 градус, в то время как лужи вокруг стойко покрылись льдом. Для обычного диапазона уличных термометров от -50 до +50 °С такая точность эквивалентна относительной погрешности в 0,1%, что достаточно низкая ве­личина для того, чтобы отнестись к ней со всем возможным уважением: сравните с погрешностью не самых дешевых серийных мультиметров, лежа­щей в лучшем случае в пределах 0,5%.

Легальный путь замять проблему— не демонстрировать десятые градуса, как это делают на уличных табло, тогда допустимая погрешность повышает­ся по крайней мере до 0,5%. Однако мое убеждение состоит в том, что де­монстрировать температуру без десятых градуса все равно, что девать наруч­ные часы без секундной стрелки— вроде бы «по жизни» и не слишком требуется, но как-то… несолидно. Первое наше детское представление о температуре заключается в магическом числе «36,6», и три цифры эти навсе­гда переплетаются с самим понятием.

Но мы пока не знаем, как делать точные аналого-цифровые схемы, и оконча­тельно освоимся в этой области только в главах 17 и 22. Поэтому здесь мы разберем пару вариантов простейших реализаций электронного измерителя температуры, не обращая особого внимания на погрешности. Наши конст­рукции будут иметь свою изюминку, которая компенсирует нам факт их не­высокой точности, а именно они малопотребляющие и будут работать от од­ной 9-вольтовой батарейки типа «Крона».

Электронный термометр со стрелочным индикатором…

Схема со стрелочным индикатором показана на рис. 13.3. В качестве показы­вающего устройства здесь используется измерительная головка типа М903 с током полного отклонения 50 мкА. Можно использовать любую другую го­ловку магнитоэлектрической системы, но если ток полного отклонения отли­чается от указанной величины, то придется пересчитать резистор R7. Головку придется доработать: с нее надо снять переднюю крышку со стеклом и очень аккуратно, чтобы не повредить весьма чувствительную стрелку с очень неж­ным поворотным механизмом, наклеить поверх имеющейся шкалы новую. Шкалу эту можно изготовить, напечатаэ ее на плотной бумаге с помощью струйного или лазерного принтера, а для наклейки следует использовать про­зрачный синтетический клей (скажем, «Момент-кристалл») или тонкий дву­сторонний скотч.

Крайние деления на шкале должны совпадать с делениями на оригинальной шкале (положение ограничителей хода стрелки не должно совпадать с край­ними делениями, у стрелки должен оставаться небольшой свободный ход за пределы шкалы). Крайнее левое деление будет соответствовать -50°, а край­нее правое +50°, ноль в этом случае должен быть расположен ровно по цен­тру шкалы. Так как длина шкалы равна всего нескольким сантиметрам, то нанести разборчивые деления с шагом меньше, чем через 2 градуса, вряд ли получится, и именно этот параметр будет определять максимальную тре­бующуюся точность — снижать погрешность ниже половины деления шка­лы, то есть в данном случае менее 1 °, не имеет смысла. Заметим, что нет ни­каких проблем в том, чтобы отградуировать шкалу на любой другой диапазон, скажем, от -30° до 70° или от 0° до 100°, для этого нужно будет только подобрать величину резистора R2.

clip_image002

Датчиком температуры здесь служит транзистор в диодном включении. Можно использовать любой маломощный кремниевый л-/>-л-транзистор (за исключением «супербета»-разновидностей), единственное, что желательно (но необязательно), чтобы он был в металлическом корпусе. Для изготовле­ния датчика подбирают подходящую по диаметру пластмассовую трубку и заклеивают в нее эпоксидной смолой транзистор с заранее подпаянными вы­водами так, чтобы металлический корпус соприкасался с окружающей сре­дой — чувствительность и скорость реакции термометра сильно возрастут в сравнении с заделкой его внутрь трубки. Можно использовать и транзистор /7-л-/7-типа, тогда в схеме его придется перевернуть (что может быть даже предпочтительнее, так как соединенный с коллектором корпус окажется под потенциалом «земли»). Можно использовать и кремниевый диод, но заделы­вать его придется способом, показанным на рис. 12.9, и прогреваться он бу­дет значительно медленнее.

Ток через датчик будет равен примерно 1 мА, а падение напряжения на нем, естественно, около 0,6 В. Наклон температурной характеристики отрицате­лен и равен примерно, как мы говорили, 2,3 мВ на один градус, поэтому об­щее изменение напряжения на датчике составит 230 мВ на диапазон 100 °С. Выходное напряжение ОУ при максимальном сигнале мы хотим сделать как можно больше, чтобы минимизировать ошибки, как связанные с собствен­ным падением напряжения на измерительной головке, так и погрешности схемы вообще. Максимум, что мы можем получить от ОУ в данной схеме — это напряжение несколько ниже напряжения питания, равного 5 В (именно из этого условия подбирается R7), поэтому выбираем коэффициент усиления, приблизительно равный 20 (с округлением в меньшую сторону).

От ОУ здесь не требуется особо высокой точности, зато требуется малое по­требление, низкое питающее напряжение и «умение» работать с выходными напряжениями, равными напряжению «земли». Кроме указар^ного ОР193, по­дойдут OF 196, МАХ406, МАХ409 (они даже совпадают по цоколевке) и мно­гие другие типы.

Общее потребление схемы определяется здесь в основном потреблением це­пи датчика, равного приблизительно 1 мА. Потребление стабилизатора, ОУ и делителя R1—R2 добавят еще примерно 0,5 мА, и суммарное потребление составит около 1,5 мА. Емкость щелочной батарейки «Крона» составляет по­рядка 600 мА-ч, и наша схема сможет проработать от одного элемента в не­прерывном режиме около 17—20 суток. Отметим, что если вместо стабили­затора LM2931 поставить обычный 78L05, то время работы резко снизится.

При отладке вместо резисторов R2 и R5 сначала устанавливаются подстроеч­ные резисторы соответствующего номинала (R5 несколько больше указан­ных на схеме). Настройку схемы надо начинать с того, что погрузить датчик в среду с температурой О °С (тающий снег или мелкоизмельченный лед в равновесии с водой, лучше всего поместить эту смесь в термос и в процессе работы периодически перемешивать) и установить с помощью резистора R2 стрелку головки на 0°. После этого датчик переносится в среду с температу­рой 40—50° (вот тут пригодится термостат) и путем изменения R5 устанав­ливаются соответствующие показания стрелки. Ноль градусов у нас тоже при этом «уйдет», потому указанную процедуру следует повторить несколько раз (обычно достаточно 3—4 раза), перенося датчик из среды с температурой 0° в среду с более высокой температурой и обратно.

Точность калибровки будет тем выше, чем больше разница между темпера­турами в калибровочных точках, однако одну из точек обязательно надо вы­бирать равной или близкой к нулю градусов, потому что это критичное для практики значение. После этого переменные резисторы выпаивают и поме­щают на их место постоянные резисторы с точно такими же номиналами, при необходимости составляя их из нескольких параллельно и/или последова­тельно включенных. Особую точность при этом надо соблюдать при подборе R2 (ноль градусов). На плате лучше заранее предусмотреть места для под­ключения параллельных и последовательных резисторов (показаны на схеме пунктиром для R2, аналогично следует поступить и для R5). Резисторы мож­но использовать обычные, типа МЛТ, прецизионных резисторов типа С2-29В здесь не требуется.

… И С цифровым индикатором

Другую конструкцию, с цифровой индикацией, вы можете видеть на рис. 13.4. Внешний вид используемого индикатора типа PMLCD фирмы Velleman показан на рис. 13.4 вверху. Он представляет собой фактически го­товый вольтметр с диапазоном входного напряжения в пределах ±199,9 мВ (знак минус высвечивается автоматически). Соответственно входному диапа­зону, индикатор имеет четыре десятичных цифры, которые могут показывать число до 1999, причем положение запятой выбирается заранее перестановкой джампера на самом индикаторе. Чтобы индикатор показывал именно градусы температуры, нам придется подогнать шкалу выходных напряжений так, чтобы диапазону в 50° соответствовала величина 50 мВ на выходе ОУ (тогда, при соответствующей установке джампера, показания будут высвечиваться с десятыми, как на рисунке) — фактически нам придется ослабить напряжение с датчика более, чем в два раза и использование ОУ нецелесообразно: усили­вать нечего.

Сам индикатор питается от нестабилизированного напряжения 9 В прямо с батарейки, ток потребления — около 1 мА. Отказаться от стабилизатора для измерительной части здесь нельзя: напряжение на /^-«-переходе сильно зави­сит от тока. Общее потребление схемы здесь будет примерно вдвое выше, чем у стрелочного термометра.

clip_image004

Рис. 13.4. Электронный термометр с цифровым индикатором

Напряжение с датчика подается на делитель R2—R3, которым ослабляется в нужное количество раз, и подается на вход (+Vin) индикатора (разводка вы­водов индикатора на рис. 13.4 не приводится, так как все указано на его кор­пусе). Другой способ установки нужного наклона характеристики — измене­ние делителя в самой схеме индикатора, согласно примерам, приведенным в техническом описании индикатора, тогда от делителя R2—R3 можно изба­виться. Ноль показаний (соответствующий нулю температуры) устанавлива­ется с помощью делителя R4—R5. Таким образом, процедура калибровки здесь аналогична описанной ранее: вы устанавливаете на индикаторе ноль (подбирая резистор R5) и некоторое значение температуры (меняя резистор R3 или соотношение делителя индикатора), попеременно погружая датчик в воду с разной температурой.

Учтите, что сам индикатор имеет погрешность измерения напряжения поряд­ка 5%, так что отражение десятых градуса тут есть бутафория вдвойне — по­грешность составила бы примерно градусов 10, если бы не наша процедура калибровки, которая позволяет избавиться от систематической составляющей и снижает погрешность раза в два-три. Если же уменьшить входное напряже­ние еще в десять раз, избавившись от десятых, то часть погрешности, обу­словленная индикатором, пропорционально возрастет: 5% отчитывается от полной шкалы входных напряжений (200 мВ), и термометр начнет показы­вать почти в прямом смысле слова «погоду на Марсе». Но в таких конструк­циях от погрешности не избавишься— в принципе, надо делать все по-иному, чем мы и займемся в главе 17,

В заключение остановимся еще на одной проблеме, которая имеет решающее значение для корректных измерений температуры воздуха (для воды все не­сколько проще). Напомним основополагающий физический принцип, со­гласно которому температуру воздуха можно измерять только в тени — «температура воздуха на солнце» не имеет никакого физического смысла, о чем часто забывают даже телевизионные ведущие. Это обусловлено тем, что воздух прозрачен и лучами солнца не прогревается, зато термометр и окру­жающие его поверхности на солнце прогреваются очень даже, и степень это­го прогрева зависит от материала, который освещается солнечными лучами. Заверните при 20-градусном морозе термометр в черную ткань при полном безветрии, и вы получите «температуру воздуха на солнце» градусов в два-дцать-тридцать тепла, что к действительности не имеет никакого отношения. Поэтому место расположения датчика надо выбирать очень тщательно: он не только не должен сам подвергаться воздействию прямых солнечных лучей, но и не должен располагаться вблизи поверхностей, которые такому воздей­ствию подвергаются (особенно над ними — скажем, в случае расположения под козырьком, но на освещенной стене дома козырек только усугубит си­туацию из-за того, что под ним будет скапливаться поднимающийся теплый воздух). Практически выбрать место установки датчика бывает очень непро­сто, и именно поэтому уличные термометры-табло часто врут.

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