Потреба в вимірювачі температури обумовлена багатьма обставинами. В побуті, наприклад, необхідністю швидкого вимірювання температури тіла людини або води, для купання дитини, температури всередині або поза приміщенням, у парнику або теплиці, підвалі, якщо там зберігаються овочі, в камері холодильника або його морозильника, води в акваріумі і багатьох інших об'єктів.
До побутових термометрам зазвичай пред'являють такі вимоги, як точність вимірювання - не гірше 0,5 С в інтервалі температури від -50 до +100 °С (при вимірювання температури тіла людини - не гірше 0,1...0,2 °С), малогабаритність, економічність, автономність харчування, мала теплова інерційність і гігієнічна нешкідливість. Описуваний тут порівняно простий цифровий термометр в основному відповідає цим вимогам.
Чутливим елементом приладу служить температурний датчик, принцип дії якого заснований на властивості деяких матеріалів змінювати свій електричний опір при зміні температури. Датчики температури можуть бути різними. У промисловості, наприклад, часто використовують масивні металеві (мідні або платинові) термоперетворювачі.
Для побутових приладів найбільш підходять напівпровідникові малогабаритні терморезистори ММТ, КМТ, СТ1, СТ3, ТР-4,. ММТ-4, які у порівнянні з металевими перетворювачами значно менш теплоинерциониы, мають майже в десять разів більший температурний коефіцієнт опору (ТКС), більший електричний опір, дозволяє повністю знехтувати опором проводів, які з'єднують датчик з приладом. Найкращими характеристиками володіє мініатюрний каплевидної форми остеклованный терморезистор ТР-4 з зменшеним ТКС. Він має розміри 6х4х2,5 мм; гнучкі висновки довжиною 80 мм виготовлені з дроту з низькою теплопровідністю. Його маса-0,3 р.
Основні електричні характеристики терморезистора ТР-4: номінальний опір - 1 кОм ± 2 % при температурі +25 °З, ТКС - приблизно 2 %/°З, робочий температурний інтервал -60...+200 "З, постійна часу - 3 с.
Недолік напівпровідникових терморезисторів - нелінійність залежності опору від температури і значний розкид характеристик, що є основною причиною, що стримує їх широке застосування дм вимірювання температури. Графік ілюструє типову залежність опору напівпровідникових терморезисторів ТР-4 і ММТ-4 від температури. Однак відповідні схемотехнічні рішення лінеаризації характеристики дозволяють в значній мірі усунути ці недоліки.
Основні технічні характеристики термометра з використанням у ньому терморезистора ТР-4:
- Інтервал вимірюваної температури, °З . . . -50...+100
Роздільна здатність, °З . . . 0,1
Похибка вимірювання, °С,
на краях робочого інтервалу . . . ±0,5
у середній частині робочого інтервалу, не гірше . . . ±0,1...0,2
Напруга джерела живлення, В . . . 9
Споживаний струм, мА . . . 1
Габарити, мм . . . 175х65х30
Маса, р . . . 250
Принципова схема термометра зображена на рис. 1. Основа приладу - інтегруючий аналого-цифровий перетворювач (АЦП) DA3, до виходу якого підключений чотирирозрядний рідкокристалічний індикатор HG1. Така елементна база дозволила знизити енергоспоживання і забезпечити приладу малі габарити і масу.
Рис. 1. Принципова схема
Рис. 2. Друкована плата
Вимірювальну ланцюг приладу утворюють токозадающий резистор R1, резистори R2 і R3, формують зразкове напруга Uобр, терморезистор R4, напруга Uт, на якому змінюється в залежності від температури, і компенсуючий резистор, функцію якого виконують резистори R5, R6. Для зменшення похибки від самопрогрева терморезистора номінал токозадающего резистора R1 обраний таким, щоб струм у вимірювальній ланцюги був дорівнює приблизно 0,1 мА.
У приладі застосовано пряме вимірювання термоопору методом відносин - терморезистор R4 і зразковий резистор (R2+R3) включені послідовно і через них протікає однаковий струм. Падіння напруги, що виникає на терморезисторе, надходить на вхідні висновки 30 та 31, а падіння напруги на зразковому резисторі, що виконує функцію джерела зразкового напруги Uобр, - на висновки 35 і 36 АЦП DA3.
При такому способі вимірювання результат перетворення АЦП не залежить від струму в вимірювальної ланцюга, а отже, відпадає потреба в традиційно застосовуваних високоякісних джерелах струму і зразкового напруги, від яких багато в чому залежать точнісні характеристики вимірювача.
Для приладу, що працює в режимі вимірювання температури, типовою є завдання компенсації початкового значення термосопротявления при нульовій температурі. Для цього опір компенсаційного резистора (R5+R6) вибирають рівним опору терморезистора R4 при нульовій температурі, а щоб компенсувати суму значень напруги Uт+u к надходить на висновок 30 АЦП, на його висновок 31 подають напруга, рівне 2 u к, яке формує операційний підсилювач DA2 з коефіцієнтом підсилення K=(1+R14/R13)=2. Тоді з урахуванням того, що з підвищенням температури опір терморезистора зменшується, маємо Uвх ацп = U+вх - U вх = 2Uк-(Uт+u к) = u к-Uт.
Лінеаризацію нелінійної залежності термоопору від температури реалізують шунтуванням терморезистора резистором R4 R11 - грубо, а точно-введенням в пристрій ОУ DA1. Але шунтувальний резистор R11 лише частково спрямляет цю нелінійність, кілька розширюючи робочий температурний інтервал.
Принцип точної лінеаризації заснувавши на зміни коефіцієнта перетворення АЦП в залежності від зразкового напруги Uобр. Воно змінюється завдяки зворотного зв'язку через ОУ DA1. При такий зв'язок частина вхідної напруги Uвх, що визначається коефіцієнтом посилення ОУ DA1=[1+(R8+R9)/R7], додається до напруги Uобр. Чим більше збільшується опір терморезистора при зниженні температури, тим швидше зростає зразкове напруга, а це призводить до пропорційного зменшення коефіцієнта перетворення АЦП: Uобр=U+обр-U-обр=U0-В(u к-Uт), де U+обр-U-обр - напруги на виводах 36 і 35 АЦП відповідно.
Якщо прийняти ціну поділки молодшого розряду дорівнює 0,1 С, то в кінцевому вигляді показання цифрового індикатора НG1 визначиться виразом N=100Uвх/Uобр=100(u к-Uт)/[(U0-В(u к-Uт)]=100(R5+R6-R4)/[(R2+R3)-В(R5+R6-R4)]
Інші елементи термометра, що забезпечують роботу АЦП, типові. Транзистор VT1, включений інвертором, служить для індикації в цифровому індикаторі HG1 знака десяткового дробу.
Деталі приладу змонтовані на друкованій платі з фольгованого склотекстоліти товщиною 1,5 мм Мікросхема DA3 змонтована з боку друкованих провідників. Гнізда X1, Х2 (від роз'єму 2РМ) припаяні безпосередньо до друкованих майданчиків плати. Для кріплення перемикача SA1 також передбачено друковані майданчики. Постійні резистори - С2-29В, підстроювальні - СП3-38а. Конденсатори: С1 - К50-6, С3 і С7 - К22У, С5 - К73-17, С2 і С6 - К73-24. Перемикач SA1 - ПД9-2, батарея живлення GB1 - "Корунд". Індикатор ИЖКЦ1-4/8 можна замінити на ИЖЦ-5.
Конструктивне оформлення датчика довільне. Наприклад, в пластмасовому стержні діаметром 5 і довжиною 65-70 мм свердлять наскрізне осьовий отвір діаметром близько 3 мм, а потім в одному з його торців - поглиблення. На висновки терморезистора надягають тонкі ізоляційні трубки, висновки пропускають в отвір у стрижні, встановлюють терморезистор в поглиблення і герметизують його клеєм БОВ-1 їм лаком КО947. До висновків припаюють кінці гнучкого двупроводного кабелю і туго надягають на кінець стрижня, протилежний терморезистору, відрізок тонкостінної дюралюмінієвою трубки, яка служить ручкою датчика. Довжина з'єднувального кабелю - близько 1,5 м.
Із-за значного розкиду параметрів напівпровідникових терморезисторів в пристрій введені три підлаштування резистора: R5-для установки нуля, R2 - для встановлення масштабу шкали і R9-для лінеаризації характеристики терморезистора.
Найпростішу регулювання термометра зручно виконати по трьох контрольних значень температури: талої води (0 °С), тіла людини (36,6 °С) і кипіння води (100 °С). У першої з цих контрольних точок вимірюють температуру води в льоду, а не води з льодом, температура якою може бути більш 1 °С. У другій контрольній точці в якості зразкового приладу використовують медичний термометр. Температуру кипіння води необхідно скоригувати поправкою на атмосферне тиск. В П'ятигорську, наприклад, що знаходиться на висоті близько 500 м над рівнем моря, вода кипить при температурі 92,5 °С.
Регулювання починають, помістивши датчик в талу воду. Підлаштування резистором R5 встановлюють на індикаторі нульове показання. Потім, почергової регулюванням резисторів R2 і R9 домагаються показань індикатора, відповідних значень температури в двох інших контрольних точках. Далі датчик знову завадять в талу воду і повторюють всі контрольні вимірювання.
Більш точне регулювання приладу можна виконувати за промисловим ртутним термометрам з ціною поділки шкали 0,2 °С.
Замість терморезистора ТР-4 в датчику можна використовувати та інші терморезистори більш широкого застосування, але з обов'язковою коригуванням опору деяких резисторів приладу. Так, при ММТ-4 з номінальним опором 1,3 кОм опір резистора R11 повинне бути зменшене до 3,3 кОм, а при терморезисгоре СТ3-19 з номінальним опором 2,2 кОм - до 3 кОм.
Режими роботи АЦП при використання в приладі терморезисторів ТР-4 і ММТ-4 показані в таблиці. Якщо меж регулювання подстроечмыми резисторами, крім R11, не вистачає, то, можливо, доведеться підібрати резистори R3, R6, R8.
Автор; Ст. Суетин, р. П; Публікація: www.cxem.net