Описанный здесь термометр позволяет измерять температуру в отдельных точках двигателя, трансформатора, корпуса транзистора, диода, жала паяльника и других устройств. Диапазоны измеряемых температур - 0...100°С и 0...1000°С .
Датчиком температуры термометра служит термопара "хромель-алюмель", сваренная из проволочек диаметром 0.2 мм. Величина создаваемой термопарой ЭДС пропорциональна, как известно, разности температур "горячего" и "холодных" ее концов. В электронном термометре, о котором идет речь, предусмотрена автоматическая компенсация температуры холодных концов термопары t. ("комнатной") с тем. чтобы измерительный прибор показывал температуру объекта t. а не ее разность: t - t.
Принципиальная схема термометра показана на рисунке.
Он состоит из измерительного моста (VT1, VT2, RK1, R1-R5). стабилизатора напряжения его питания (VT3, VT4, R6), термопары ВК1. усилителя напряжения (DA1, DA2, R7- R11, SA1), микроамперметра РА1, выключателя питания SA2 и источника питания GB1.
В нижние плечи измерительного моста включены медный терморезистор RK1 и резистор R3, в верхние - стабилизаторы токов этих резисторов на транзисторах VT1 и VT2. а в его измерительную диагональ - термопара ВК1 и неинвертирующио входы микросхем DA1, DA2 усилителя напряжения. Благодаря очень большому входному сопротивлению усилителя ток в измерительной диагонали практически отсутствует, и на его входное напряжение (Uw) не влияет падение напряжения на резисторах R3. RK1 и проводниках термопары. Холодный спай термопары должен находиться в корпусе термометра.
При изменении температуры t (при постоянной t) напряжение на терморезисторе RK1 (Urk1) и ЭДС термопары Е меняются б противофазе так, что их cумма всегда остается постоянной. Чтобы нуль на шкале измерительного прибора РА1 соответствовал температуре 0°С и показания термометра не зависели от температуры tk, напряжение на резисторе R3 устанавливается равным URз = UПк10 = K/LRx. (1). где Urk1o - напряжение на RK1 при t.=0°C; К - коэффициент термоЭДС термопары: LRK1 - температурный коэффициент сопротивления резистора RK1. Зависимость (1) справедлива при соблюдении неравенства: LRk1 " LR3 (2). Это условие легко выполнить, если RK1 намотать медным проводом, а в качестве R3 использовать резистор МЛТ. При соблюдении требований (1) и (2) входное напряжение Uk = K·t (3). Это же напряжение будет приложено к резистору R8 (в диапазоне измеряемых температур 0...10СГС) или к резистору Р9 (в диапазоне 0... 1000Х). поскольку ОУ DA1 включен по схеме повторителя напряжения, а ОУ DA2 - по схеме неинвертирующего усилителя. Следовательно, ток в цепи обратной связи РА1. R10 будет равен: loc=Uвх/R, где R - сопротивление резистора R8 или R9. С учетом равенства (3) ╡ос = К · t/R, т. е. ток через микроамперметр РА1 прямо пропорционален температуре объекта t.
В качестве РА1 использован микроамперметр на 100 мкА. Резистор RK1 намотан но пластинке из текстолита 20x10 мм толщиной 1 мм изолированным медным проводом диаметром 0.1 мм до сопротивления 60... 100 Ом. Транзистор VT3 включен как стабилизатор напряжения измерительного моста. Его функции может выполнять любой маломощный кремниевый транзистор с напряжением пробоя перехода база-эмиттер ниже 7 В. Транзисторы VT1, VT2, VT4 - любые маломощные полевые транзисторы с р-n переходом Напряжение отсечки VT1. VT2 - не более 4 В. a VT4 - не более 2 В. Сумма напряжения отсечки транзистора VT4 и напряжения стабилизации транзистора VT3 должна быть меньше напряжения батареи GB1. и чем меньше эта сумма, тем при более глубоком разряде батареи термомеф сохранит работоспособность.
Микромощные ОУ применены только из соображений минимального энергопотребления. При питании термометра от сети в качестве DAI, DA2 желательно применить прецизионные ОУ. Подстроечные резисторы R2, R5, R8, R9 - многооборотные - СП5-2В или другие им подобные. Остальные резисторы - МЛТ-0.125.
Налаживание термометра начичают с расчета напряжения UR3. Для термопары "хромель- алюмель" К = 4.065·10-2 мВ/°С. Для меди LRK1 = 4.3·10-3/°С. Пользуясь равенством (1). получаем URc =4.065·10-2/ 4.3' 10-3 = 9,453 мВ. Далее, замкнув выключатель SA2. параллельно резистору R3 подключают вольтметр (желательно цифровой) и резистором R5 устанавливают рассчитанное напряжение с максимально возможной точностью. После этого переключатель SA1 переводят в положение "100°". опускают спай термопары в сосуд с тающим льдом и резистором R2 устанавливают стрелку микроамперметра РА1 на 0. Если у резистора R2 или П5 не хватает пределов регулирования, то следует заменить соответственно резистора R1 или R4. Затем опускают спай термопары в сосуд с кипящей водой и резистором R8 устанавливают стрелку РА1 на последнее деление шкалы - 100 мкА. Далее, не вынимая термопару из кипящей воды, переводят переключатель SA1 в положение "1000°" и резистором R9 устанавливают стрелку РА1 в положение 10 мкА. На этом налаживание заканчивают.
При эксплуатации прибора зашкаливание стрелки РА1 на пределе измерения 100°С при комнатной температуре говорит о разрядке батареи питания GB1 и необходимости ее замены. Максимальное напряжение питания термометра определяется допустимым напряжением питания ОУ (для микросхем К140УД12 UMa.c=15 В) или допустимым напряжением сток-затвор транзистора VT4 плюс напряжение стабилизации перехода база-эмиттер транзистора VT3. Минимальное напряжение питания разно сумме напряжения стабилизации VT3 и напряжения отсечки транзистора VT4 (у автора Uмин составляло 7,5 В) Ток, потребляемый термометром, - 0,6...0,9 мА.
При измерении отрицательных температур следует поменять местами концы подключения термопары к термометру.
Термопара "хромель-алюмель" применена автором из-за ее высокой рабочей температуры (до 1300°С). Если предел измеряемых температур не превышает 500°С, то можно взять термопару "хромель-копель" или сварить термопару из другой, имеющейся в наличии, пары металлов (сплавов). Очевидно, что новая пара будет иметь уже другую величину коэффициента термоЭДС К и соответственно другое значение Ug. Величину коэффициента К можно рассчитать, взяв из справочника величины термоЭДС этих металлов в паре с платиной и вычесть их друг из друга, или определить значение К экспериментально. Для этого термопару следует подключить к цифровому милливольтметру и поместить ее спай сначала в сосуд с тающим льдом, а затем в сосуд с кипящей водой, записывая каждый раз показания вольтметра (с учетом знака). Затем нужно найти разность полученных значений и разделить ее на 100.
В заключение хотелось бы отметить преимущества термопары перед другими датчиками температуры. Во-первых, малые габариты (диаметр шарика спая термопары, сваренной из проволоки диаметром 0,2 мм, не превышает 0,5 мм; если проволока тоньше, то и шарик будет меньше). Во-вторых, взаимозаменяемость, т. е. возможность периодического подключения к одному термометру любого числа термопар, установленных на разных объектах или в разных точках одного объекта. С полупроводниковыми терморезисторами или диодами это невозможно из-за разброса их параметров. В-третьих, высокая рабочая температура, что делает термопару незаменимой при измерении температур выше 15°С. В-четвертых, ничтожная стоимость и простота изготовления и ремонта. В-пятых, в подавляющем большинстве случаев отсутствие необходимости изоляции термопары от окружающей среды, даже при измерении температуры электролитов. Из-за малой величины термоЭДС электрохимический процесс в термопаре невозможен, поэтому электролит ее не замыкает, естественно, при условии, что материалы самой термопары химически не взаимодействуют с данным электролитом.
Автор: В.Бурков, г.Иваново