Описувані в статті термометри побудовані незвично: у першому з них термочутливий елемент (терморезистор) включений в інтегруючу ланцюг, у другому - диференціюючу. Зміна постійних часу цих ланцюгів під дією нв термістор температури навколишнього середовища перетворюється у зміну шпаруватості прямокутних імпульсів, у результаті чого змінюється ефективне напруга на виході пристрою, яке реєструється микроамперметром. Прилади виконані на широко поширених цифрових мікросхемах і доступні для повторення навіть початківцям радіоаматорам.
Термочутливий елемент в аналогових термометрах частіше всього включають у вимірювальний міст. Такий датчик температури має істотний недолік, пов'язаний з необхідністю обмеження струму через міст значеннями, що виключають саморозігрів утворюють його резисторів. Крім того, нерідко пред'являються досить високі вимоги до стабільності напруги, що подається на вимірювальний міст. Для посилення сигналу, що знімається з мосту, і стабілізації подається на нього напруги у багатьох аналогових термометрах використовують операційні підсилювачі. Це ускладнює конструкцію і налагодження подібних пристроїв.
Від названих недоліків вільний пропонований імпульсний термометр. Він містить генератор прямокутних імпульсів, інтегруючу ланцюг з термочутливим елементом, формувач імпульсів і стрілочний індикатор, реєструючий ефективна напруга, пропорційне шпаруватості імпульсів. Найбільш підходять для такого приладу КМОП цифрові мікросхеми: у них напруга низького рівня практично не відрізняється від 0, а високого - від напруги живлення.
Принципова схема термометра зображена на рис. 1.
На елементах DD1.1, DD1.2 зібраний генератор прямокутних імпульсів з частотою проходження близько 60 кГц та шпаруватістю 2. Від генератора коливання поступають на інтегруючу ланцюг RK1R2C2. В залежності від опору терморезистора (далі термістора) RK1 змінюється постійна часу інтегруючої ланцюга і, відповідно, тривалість імпульсів, надходять на вхід формувача, виконаного на елементах DD1.3 і DD1.4. Тривалість імпульсів на виході елемента DD1.4 пропорційна температурі і визначає ефективне напруження, що реєструється приладом РА1. Подстроенный резистор R1 служить для установки "нуля", R2 - для регулювання чутливості (вона максимальна при мінімальному опорі). При номіналі термістора не більше 5 кОм залежність опору від температури близька до лінійної в інтервалі від -20 до +50 °С. Похибка вимірювання не перевищує ±1 °С.
Стабільність напруги живлення (а отже, і амплітуди імпульсів) забезпечує параметричний стабілізатор на елементах VD1 і R3. Споживаний термометром струм не перевищує 7 мА.
Всі деталі, крім термістора RK1 і мікроамперметра РА1, розміщують на друкованій платі, виготовленої відповідно до рис. 2.
Плата розрахована на застосування постійних резисторів МЛТ, дротяних підлаштування резистор СП5-3, конденсаторів КМ-6 (С1 і С2 - бажано групи М47 або М75). Термістор RK1 - КМТ17 з негативним ТКС. Мікроамперметр РА1 - М4387 або будь-який інший з струмом повного відхилення стрілки до 1 мА і внутрішнім опором не менше 500 Ом.
При налагодженні термістор поміщають у ванну з тане льодом і підлаштування резистором R1 встановлюють стрілку приладу РА1 на нульову відмітку шкали. Потім датчик переносять у воду, нагріту до температури +50 °С, і підлаштування резистором R2 добиваються відхилення стрілки до останньої позначки.
Для вимірювання температури в більш широкому інтервалі, наприклад, від -60 до +150 °З, паралельно термистору опором R або послідовно з ним слід включити резистор опором 3R або 1/3R відповідно. Чутливість пристрої після такого доопрацювання, зрозуміло, зменшиться, а похибка вимірювання може зрости до ±3...5 °с. Якщо необхідна більш висока точність, вказаний діапазон вимірюваних температур слід розбити на два-три піддіапазони і провести лінеаризацію термістора в кожному поддиапазоне. В цьому випадку похибка вимірювання можна зменшити до ±1 ...1,5 °С.
У мікросхем ТТЛ, ТТЛШ, в порівнянні з мікросхемами серії КМОП, логічні рівні істотно відрізняються від ідеальних значень. Крім того, у базових елементів мікросхем цих серій досить значні вхідні струми. Тому термометр на таких мікросхемах слід зібрати за схемою, показаної на рис. 3.
Коливання прямокутної форми з частотою повторення 60 кГц, вироблювані генератором на елементах DD1.1, DD1.2, надходять на входи буферних елементів DD1.3 і DD1.4. Вони усувають взаємний вплив диференціюючих ланцюгів і C2R3RK1 C3R4 і зменшують навантаження на генератор, що сприятливо позначається на стабільності його частоти. Елемент DD1.6 формує послідовність, в якій тривалість імпульсів визначається "зразковою" диференціюючою ланцюгом R4C3, a DD1.5 - послідовність, в якій вона залежить від опору терморезистора RK1, що входить у вимірювальну диференціюючу ланцюг RK1R3C2. В результаті через прилад РА1 тече пульсуючий струм, ефективне значення якого пропорційно температурі навколишнього середовища. При номіналах елементів диференціюючих ланцюгів, зазначених на схемі, діоди VD1, VD2 можна виключити. Однак, якщо використовуються резистори менших номіналів і конденсатори С1 - C3 більшої ємності, для захисту інверторів DD1.5, DD1.6 від пробою ці діоди необхідні.
В термометрі використовують деталі тих же типів, що і в попередньому. Замість К555ЛН1 допустимо застосування мікросхем К155ЛН1, К155ЛНЗ, К155ЛН5, К1533ЛН6. Діод КД521А можна замінити діодом цієї серії, а також серії КД522.
Всі деталі, крім термістора RK1 і мікроамперметра РА1, розміщують на друкованій платі (рис. 4). Налаштування термометра зводиться до встановлення резистором R3 максимальної температури, а резистором R4 - нульовий. В інтервалі температур від -20 до +50 °С похибка вимірювання не перевищує ±1 °С.
Цим термометром можна вимірювати температуру тіла. Попередньо прилад необхідно відкалібрувати в інтервалі +36. ..+40°С. Для цього поміщають термістор у підігріте до +36 °С вазелінове масло і підлаштування резистором R4 встановлюють стрілку мікроамперметра на нульову відмітку шкали. Потім, підвищивши температуру масла до +40°С, резистором R3 встановлюють стрілку на останнє поділ шкали. Ці операції необхідно повторити два-три рази для кращої відтворюваності результатів вимірювання. (При калібруванні цього приладу слід використовувати саме вазелінове масло, а не воду, оскільки із-за високої електропровідності водних розчинів результати вимірювань суттєво спотворюються).
Після калібрування термістор поміщають в скляну трубку, запаяну з одного боку, і заливають епоксидною смолою. Така конструкція датчика виключає похибку при вимірюванні температури, викликану електричним контактом термістора з шкірою пацієнта.
В інтервалі температур від +36 до +40 °С температурна залежність опору термістора практично лінійна. При використанні в якості С1-C3 термостабільних конденсаторів (наприклад, слюдяних або фторопластовых) похибка вимірювання в цьому інтервалі не перевищить ±0,1°С.
Автор: І. Цаплін, р. Краснодар