Простой цифровой термометр.
Термометр может измерять
температуру от -60 до + 100°С, погрешность не превышает 0,2°С в диапазоне
0…40°С и в два раза больше за его пределами. Рабочая температура корпуса
прибора 15…25°С. Термометр питается от встроенной батареи 7Д-0,125Д и
потребляет ток не более 2 мА.
Основой предлагаемого устройства
служит аналого-цифровой преобразователь на микросхеме DD2 с жидкокристаллическим
индикатором HG1 (рис. 36). В качестве параметрического датчика использован кремниевый
диод VD1, для которого температурный коэффициент напряжения (ТКН) примерно равен
-2 мВ/°С. Падение напряжения на прямосмещенном диоде при токе 0,1…1 мА
имеет величину в пределах 550…650 мВ и линейно уменьшается с ростом температуры.
Для питания датчика использован
имеющийся в микросхеме DD2 источник опорного напряжения.
Делитель из резисторов
R4, R7, R10 - R13 снижает напряжение до 600 мВ, что по величине соответствует
напряжению на диоде VD1 при температуре 0°С; подстроечный резистор R10 обеспечивает
его небольшую регулировку. Делитель формирует также напряжение 200 мВ, соответствующее
разности напряжений, снимаемых с диода VD1 и движка резистора R11 при показании
термометра 100°С. Это напряжение подается на входы Uобр микросхемы DD2,
оно может быть тоже подстроено резистором R 12.
Элементы R5, R6, С2 определяют
частоту задающего генератора (50 кГц), цепочка R8C3 сглаживает наводки и шумы
и способствует
защите от статического
электричества. Конденсатор С6 служит для хранения образцового напряжения, резистор
R 14 и конденсатор С9 являются элементами интегратора микросхемы, С10 входит
в цепь автокоррекции нуля.
Конденсаторы С1, С5, С7,
С8 - блокировочные в цепях питания. Конденсатор С4 устраняет наводки переменного
напряжения с частотой сети, которые при его отсутствии детектируются на нелинейности
диода VD1 и существенно искажают показания.
Микросхема DD1 используется
для постоянного включения запятой Н3 и контроля разрядки батареи. Особо следует
отметить назначение резистора R9. Дело в том, что нестабильность источника опорного
напряжения микросхемы DD2 составляет примерно 0,01 %/°С и 0,1 % при снижении
напряжения свежезаряженной батареи 7Д-0.125Д с 9,8 В до 8 В (неполная разрядка).
Для использования в цифровом мультиметре такая нестабильность допустима. В описываемом
термометре это изменение опорного напряжения приводит к 
.
ошибке в 0,6 мВ или в 0,38°С,
что заметно. Частично можно скомпенсировать эту погрешность подбором резистора
R9, уменьшив ошибку до 0,1°С.
Все элементы конструкции,
кроме батареи, выключателя и датчика, установлены с обеих сторон двусторонней
печатной платы из фольгированного стеклотекстолита. На рис. 37,а приведено расположение
деталей и проводников на стороне размещения микросхем, а на рис. 37,6 - с противоположной
стороны. Конструктивные особенности платы - те же, что и платы мультиметра.
В качестве датчика температуры
практически пригоден любой кремниевый маломощный диод, предпочтение следует
отдать приборам с наименьшими габаритами. Конденсаторы С6 и С9 - К73-17 с допуском
±10% на рабочее напряжение 160 В, возможно применение и других пленочных
конденсаторов. Полярный конденсатор С4 - К53-4, остальные - КМ-5 или КМ-6. Резисторы
R7, Rll, R13, входящие в делители, желательно использовать стабильные, например
С2-29В, резисторы RIO, R12 - СПЗ-19а.
Плата установлена в пластмассовый
корпус промышленного изготовления с габаритами 30 х 72 х 132 мм.
Оформление датчика температуры
зависит от предполагаемых областей использования
термометра. Возможен, например,
вариант, показанный на рис. 38. Для его изготовления берут стеклянную трубку
1 диаметром 4…6 мм, конец ее, нагретый на огне газовой горелки или спиртовки,
оттягивают для уменьшения диаметра примерно до 3…3.5 мм. Затем тонкую часть
трубки следует разломить и запаять на том же пламени.
Один из выводов диода 6,
используемого как датчик, следует подогнуть к его корпусу, к обоим выводам подпаять
два провода 2 марки МГТФ-0,07 длиной по 0,5 м, одеть на каждый из них по два
отрезка (4 и 5) поливинилхлоридной или фторопластовой трубки. Диод с проводами
вставить в стеклянную трубку и закрепить провода в ее открытом конце каплей
эпоксидного клея 3. Для улучшения теплового контакта трубки и диода перед сборкой
датчика в утонченную часть
трубки с помощью тонкой трубки ввести небольшое количество жидкого масла, например
моторного.
Возможен и такой вариант.
К выводам диода подпаивают провода, затем на них одевают поливинилхлоридную
или фторопластовую трубку длиной около 300 мм так, чтобы диод был расположен
с небольшим смещением относительно ее середины, после чего трубку складывают
пополам и концы туго обматывают ниткой, предварительно заполнив их клеем. Если
предполагается использовать термометр для измерения температуры воздуха в помещении,
никакого специального оформления датчика не требуется - вполне достаточно установить
его в корпусе прибора, в котором сделать вентиляционные отверстия.
Налаживание термометра
несложно. Вначале подбирают резистор R5 для обеспечения частоты задающего генератора
микросхемы DD2 равной 50 кГц. Контроль производят на выводе 21 микросхемы -
на нем частота должна составлять 62,5 Гц.
Поместив датчик в таящий
лед или снег, подстроечным резистором R10 следует установить нулевые показания
на индикаторе, при необходимости подобрать резистор R4. Затем опустив датчик
в воду с температурой 35…40°С, контролируемой точным термометром, резистором
R12 установить соответствующие показания на индикаторе. Использование кипящей
воды для калибровки нежелательно, так как температура кипения зависит от атмосферного
давления.
Подключив термометр к источнику
регулируемого напряжения, подобрать резистор R9 так, чтобы при изменении напряжения
в пределах от 8 до 9,8 В показания отличались не более чем на 0,1°С. После
этого надо уточнить настройку в соответствии с предыдущим абзацем при напряжении
питания 8,8 В.
Существенно повысить точность
цифрового термометра и стабильность его показаний при изменении напряжения питания
и температуры корпуса прибора можно, использовав интегральный датчик температуры
К1019ЕМ1 [б]. Датчик представляет из себя двухполюсник с малым дифференциальным
сопротивлением, падение напряжения на котором при токе 1 мА и температуре 0°С
составляет 2932 мВ и изменяется пропорционально абсолютной температуре корпуса
датчика.
Абсолютный ТКН такого датчика,
в отличие от диода, положителен и составляет 10 мВ/°С. Сама по себе установка
датчика К1019ЕМ1 вместо диода не решает проблем с погрешностями, связанными
с зависимостью опорного напряжения от температуры и напряжения питания, поскольку
относительные ТКН датчика и диода практически равны и отличаются только знаком
(+ 0,3%/°С и -0,3%/°С соответственно).
Решением проблемы, связанной
с нестабильностью опорного напряжения, может быть одновременное использование
двух рядом расположенных датчиков - микросхемы К1019ЕМ1 и кремниевого диода.
На рис. 39 приведена возможная схема их совместного включения.
Датчик температуры DA1
питается током 1 мА от генератора тока на транзисторе VT1 и светодиоде HL1,
а диод VD1 -током 100 мкА от аналогичного генератора на том же светодиоде и
транзисторе VT2. Делителем R 19 - R21 напряжение с датчика DA1 уменьшено примерно
в пять раз и приведено к напряжению на диоде VD1 при температуре 0°С. Разность
этих величин, подаваемая на измерительный вход АЦП, изменяется с ТКН 4
мВ/°С. Температуре 100°С соответствует напряжение 400 мВ, такой же величины
должно быть и напряжение, подаваемое на образцовый вход АЦП DD2, оно снимается
с делителя R16 - R18.
Теперь нестабильность опорного
напряжения микросхемы DD2 не сказывается на величине сигнала, подаваемого на
измерительный вход АЦП, а нестабильность образцового напряжения в 0,1% приводит
к ошибке 0,1°С при 100°С, причем не влияя на показания при 0°С.
Поскольку образцовое напряжение составляет 400 мВ, сопротивление резистора R
14 интегратора должно быть увеличено до 220 кОм.
Настройка этого термометра
заключается в установке подстроечным резистором R20 нулевого показания при температуре
0°С и показаний, соответствующих температуре, близкой к верхней границе
используемого диапазона, подстроечным резистором R 17.
Недостатками такого варианта
термометра является необходимость подключения датчика, включающего в себя микросхему
и диод, трехпроводным кабелем и относительно большие габариты датчика.
|
