Описаний тут термометр дозволяє вимірювати температуру в окремих точках двигуна, трансформатора, корпусу транзистора, діода, жала паяльника і інших пристроїв. Діапазони вимірюваних температур 0...100°С та 0...1000°С .
Датчиком температури термометра служить термопара "хромель-алюмель", зварена з зволікання діаметром 0.2 мм Величина створюваної термопарою ЕРС пропорційна, як відомо, різниці температур "гарячого" і "холодних" її - решт. В електронному термометрі, про який йде мова, передбачена автоматична компенсація температури холодних кінців термопари t. ("кімнатної"). щоб вимірювальний прилад показував температуру об'єкта t. а не її різниця: t - t.
Принципова схема термометра показана на малюнку.
Він складається з вимірювального моста (VT1, VT2, RK1, R1-R5). стабілізатора напруги його живлення (VT3, VT4, R6), термопари ВК 1. підсилювача напруги (DA1, DA2, R7 - R11, SA1), мікроамперметра РА1, вимикача живлення SA2 і джерела живлення GB1.
В нижні плечі вимірювального моста включені мідний терморезистор RK1 і резистор R3, верхні - стабілізатори струмів цих резисторів на транзисторах VT1 і VT2. а в його вимірювальну діагональ - термопара ВК 1 і неинвертирующио входи мікросхем DA1, DA2 підсилювача напруги. Завдяки дуже великим вхідного опору підсилювача струм у вимірювальній діагоналі практично відсутня, і на його вхідна напруга (Uw) не впливає падіння напруги на резисторах R3. RK1 і провідниках термопари. Холодний спай термопари повинен знаходитися в корпусі термометра.
При зміні температури t (при постійній t) напруга на терморезисторе RK1 (Urk1) і ЕРС термопари Е змінюються б протифазі так, що їх сума завжди залишається постійною. Щоб нуль на шкалі вимірювального приладу РА1 відповідав температурі 0°С і показання термометра не залежали від температури tk, напруга на резисторі R3 встановлюється рівним URз = UПк10 = K/LRx. (1). де Urk1o - напруга на RK1 при t.=0°C; До - коефіцієнт термоерс термопари: LRK1 - температурний коефіцієнт опору резистора RK1. Залежність (1) справедлива при дотриманні нерівності: LRk1 " LR3 (2). Ця умова легко виконати, якщо RK1 намотати мідним дротом, а в якості R3 використовувати резистор МЛТ. При дотриманні вимог (1) і (2) вхідна напруга Uk = K·t (3). Це ж напруга буде прикладена до резистора R8 (в діапазоні вимірюваних температур 0...10СГС) або до резистору Р9 (у діапазоні 0... 1000Х). оскільки ОУ DA1 включений по схемі повторювача напруги, а ОУ DA2 - за схемою неінвертувального підсилювача. Отже, струм в ланцюзі зворотного зв'язку РА1. R10 буде дорівнює: loc=Uвх/R, де R - опір резистора R8 або R9. З урахуванням рівності (3) ╡ос = К · t/R, тобто струм через мікроамперметр РА1 прямо пропорційний температурі об'єкта t.
Як РА1 використаний мікроамперметр на 100 мкА. Резистор RK1 намотаний але пластинці з текстоліту 20x10 мм товщиною 1 мм ізольованим мідним дротом діаметром 0.1 мм до опору 60... 100 Ом. Транзистор VT3 включений як стабілізатор напруги вимірювального моста. Його функції може виконувати будь-який малопотужний кремнієвий транзистор з напругою пробою переходу база-емітер нижче 7 Ст. Транзистори VT1, VT2, VT4 - будь-які малопотужні польові транзистори з р-n переходом Напруга відсічення VT1. VT2 - не більше 4 Ст. a VT4 - не більше 2 Ст. Сума напруги відсічки транзистора VT4 і стабілізації напруги транзистора VT3 повинна бути менше напруги батареї GB1. і чим менше ця сума, тим при більш глибокому розряді батареї термомеф збереже працездатність.
Мікропотужні ОУ застосовані тільки з міркувань мінімального енергоспоживання. При харчуванні термометра від мережі в якості DAI, DA2 бажано застосувати прецизійні ОУ. Підстроювальні резистори R2, R5, R8, R9 - багатооборотні - СП5-2В або інші їм подібні. Інші резистори - МЛТ-0.125.
Налагодження термометра начичают з розрахунку напруги UR3. Для термопари "хромель - алюмель" К = 4.065·10-2 мВ/°С. Для міді LRK1 = 4.3·10-3/°С. Користуючись рівністю (1). отримуємо URc =4.065·10-2/ 4.3' 10-3 = 9,453 мВ. Далі, замкнувши вимикач SA2. паралельно резистору R3 підключають вольтметр (бажано цифровий) і резистором R5 встановлюють напругу розраховане з максимально можливою точністю. Після цього перемикач SA1 переводять у положення "100°". опускають спай термопари в посудину з тане льодом і резистором R2 встановлюють стрілку мікроамперметра РА1 на 0. Якщо у резистора R2 або П5 не вистачає меж регулювання, то слід замінити відповідно резистора R1 або R4. Потім опускають спай термопари в посудину з киплячою водою і резистором R8 встановлюють стрілку РА1 на останнє поділка шкали - 100 мкА. Далі, не виймаючи з термопару киплячої води, переводять перемикач SA1 в положення "1000°" і резистором R9 встановлюють стрілку РА1 в положення 10 мкА. На цьому налагодження закінчують.
При експлуатації приладу зашкалювання стрілки РА1 на межі вимірювання 100°С при кімнатній температурі говорить про розрядження батареї живлення GB1 і необхідності її заміни. Максимальна напруга живлення термометра визначається допустимим напругою живлення ОУ (для мікросхем К140УД12 UMa.c=15 В) або допустимим напругою сток-затвор транзистора VT4 плюс напруга стабілізації переходу база-емітер транзистора VT3. Мінімальна напруга живлення різно сумі напруги стабілізації VT3 і напруги відсічки транзистора VT4 (у автора Uмин становило 7,5 В) Струм, споживаний термометром, - 0,6...0,9 мА.
При вимірюванні негативних температур слід поміняти місцями кінці підключення термопари до термометру.
Термопара "хромель-алюмель" застосована автором з-за її високої робочої температури (до 1300°С). Якщо межа вимірюваних температур не перевищує 500°С, то можна взяти термопару "хромель-копель" або зварити термопару з іншої, є в наявності, пари металів (сплавів). Очевидно, що нова пара буде мати вже іншу величину коефіцієнта термоерс і відповідно До іншого значення Ug. Величину коефіцієнта К можна розрахувати, взявши з довідника величини термоерс цих металів у парі із платиною і відняти їх один з одного, або визначити значення До експериментально. Для цього слід термопару підключити до цифрового милливольтметру і помістити її спай спочатку в посудину з тане льодом, а потім у посудину з киплячою водою, записуючи кожен раз свідчення вольтметра (з урахуванням знака). Потім потрібно знайти різниця отриманих значень і розділити її на 100.
На закінчення хотілося б відзначити переваги термопари перед іншими датчиками температури. По-перше, малі габарити (діаметр кульки спаю термопари, звареної з дроту діаметром 0,2 мм, не перевищує 0,5 мм; якщо дріт тонше, то і кулька буде менше). По-друге, взаємозамінність, тобто можливість періодичного підключення до одного термометру будь-якого числа термопар, встановлених на різних об'єктах або в різних точках одного об'єкта. З напівпровідниковими терморезисторами або діодами це неможливо через розкиду їх параметрів. По-третє, висока робоча температура, що робить термопару незамінною при вимірюванні температур вище 15°Пн. по-четверте, незначна вартість і простота виготовлення і ремонту. По-п'яте, в переважній більшості випадків відсутність необхідності ізоляції термопари від навколишнього середовища, навіть при вимірюванні температури електролітів. Із-за малої величини термоерс електрохімічний процес в термопарі неможливий, тому електроліт її не замикає, природно, за умови, що матеріали самої термопари хімічно не взаємодіють з даними електролітом.
Автор: Ст. Бурков, р. Іваново