Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №5 - Журнал «Домашняя лаборатория»
Предлагаемый цифровой термометр имеет следующие технические характеристики:
— диапазон измеряемых температур 0…99.9 °C,
— разрешающая способность 0,1 °C;
— точность измерения: в диапазоне 10…90 °C — 0,1 °C;
— в диапазоне 0…10 °C — 0,5 °C;
— в диапазоне 90…99,9 °C — 0,3 °C.
— время измерения температуры 1 с;
— время индикации температуры 3 с.
— потребляемая мощность 1 Вт.
— габариты 136х100х50 мм, масса 0,3 кг.
Функциональная схема термометра показана на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема термометра
Прибор состоит из пяти основных блоков: преобразователя температура — частота (блок 1), генератора прямоугольных импульсов (блок 2), счетчика импульсов с дешифратором (блок 3), блока питания (4) и индикатора (блок 5).
Блок 1 преобразует прямое падение напряжения на датчике (диоде) в частоту. Импульсы с выхода преобразователя-интегратора заполняют прямоугольные импульсы, идущие с генератора, и далее поступают на счетчик — блок 3, который преобразует эти пакеты импульсов в код управления семисегментными индикаторами. Во время счета импульсов индикаторы не горят — они заперты сигналом, приходящим с генератора, который также вырабатывает сигнал сброса показаний в конце цикла индикации. Блок питания 4 вырабатывает все необходимые напряжения для питания блоков термометра.
Принципиальная схема термометра изображена на рис. 2.
Рис. 2. Принципиальная схема термометра
За основу устройства взят преобразователь температура — частота в электронном термометре с непосредственным отсчетом. Температурная зависимость падения напряжения на р-n переходе при фиксированном токе через него и малая нелинейность характеристики температура — напряжение позволяют применять полупроводниковые диоды в качестве датчиков температуры. С такими датчиками можно изготавливать электронные термометры, не вводя в приборы специальные линеаризующие устройства. В преобразователе используется датчик — диод VD5, падение напряжения на котором необходимо для работы интегратора. Интегратор собран на операционном усилителе DA2 К574УД1Б, имеющем большую скорость нарастания выходного напряжения, чем обеспечивается высокая скорость отслеживания и достигается точность преобразования, равная 0,1 °C: Когда интегрирующий конденсатор С3 заряжается до напряжения — 10 В, интегратор сбрасывается однопереходным транзистором VT2. Опорное напряжение, задающее порог отпирания однопереходного транзистора и стабилизирующее ток через датчик VD5, обеспечивается термостабилизированным стабилизатором VD3, VD4. Выходное напряжение интегратора через дифференцирующую цепочку C4R16 поступает на токовый ключ — транзистор VT3, формирующий пакеты импульсов. На базу VT3 приходят сигналы преобразователя и генератора прямоугольных импульсов. Генератор собран на операционном усилителе DA1 КНОУД8Б, обеспечивающем выходное напряжение прямоугольной формы с периодом 4 с. Скважность импульсов устанавливается резистором R2 так, что отношение длительности импульса к паузе равно 1:3. За время длительности импульса, равное 1 с, на вход счетчика поступают импульсы, количество которых пропорционально измеряемой температуре; за время паузы, равное 3 с, эта информация высвечивается индикатором. Во время счета индикаторы заперты напряжением — 15 В, приходящим с генератора. После подсчета количества импульсов, пропорционального измеряемой температуре, ключ VT3 закрывается, лампы HL1-HL3 в течение 3 с высвечивают информацию, хранящуюся в счетчиках DD1-DD3. В конце периода индикации транзистор VT1 и дифференцирующая цепочка C2R9 формируют импульс сброса показаний счетчиков. Для улучшения стабильности работы генератора в качестве конденсатора С1 применяется конденсатор К73П-3 с малыми токами утечки и хорошей термостабильностью.
Блок питания (рис. 3) собран по распространенной схеме. Опорные напряжения формируются стабилитронами VD2-VD6. Сердечник трансформатора питания имеет сечение 2,5 см2. Его первичная обмотка намотана проводом ПЭВ 0,1 и содержит 5000 витков. Вторичные обмотки II и III намотаны проводом ПЭВ 0,14 и содержат 2х400 витков; обмотка IV — 20 витков провода ПЭВ 0,31.
Рис. 3. Принципиальная схема блока питания от
Для увеличения точности измерения во всем диапазоне 0…99,9 °C можно использовать кварцевый генератор секундных импульсов, схема которого показана на рис. 4.
Рис. 4. Принципиальная схема кварцевого генератора
Задающий генератор собран на микросхеме DD1 в одном корпусе с двумя делителями частоты. Коэффициент деления первого делителя равен 29, а второго 26. Генератор с кварцевым резонатором Z1 формирует последовательность импульсов частотой 215 Гц (32 768 Гц). Эти импульсы подаются на 15-разрядный делитель частоты. На выходе 5 микросхемы DD1 частота генератора понижается до 1 Гц. Для получения прямоугольных импульсов со скважностью 2 и периодом 2 с применен делитель частоты на D-триггере (микросхеме DD2). С выхода 1 этой микросхемы снимается сигнал частотой 0,5 Гц. Этот сигнал подается на сетки ламп HL1-HL3 и резистор R5, сопротивление которого необходимо уменьшить до 10 кОм. Генератор, собранный по приведенной схеме, имеет хорошую временную и температурную стабильность. В случае использования кварцевого генератора следует переделать печатную плату с учетом изменения схемы (удаляются детали DA1, VD1-VD2, R1-R4, С1). Использование кварцевого генератора и термокомпенсированного конденсатора С3 в преобразователе температура — частота позволяет снизить погрешность измерения в диапазоне 0…99,9 °C до 0,1 °C и менее. Время индикации показаний в этом варианте составляет 1 с.
Конструкция и детали. В термометре применены постоянные резисторы MЛT 0,125, подстроечные резисторы R13, R14 — СП5-3 проволочные, многооборотные. Применение однооборотных резисторов нежелательно, так как пороги срабатывания интегратора должны быть выставлены очень точно. Резистор R15 — СПЗ-1Б или СПЗ-22. Конденсатор С3 — К10-23 или КМ4, КМ5. Его лучше составить из нескольких конденсаторов, имеющих ТКЕ разных знаков, так, чтобы суммарный ТКЕ был близок к нулю. Эти меры необходимы для обеспечения максимальной точности измерения температуры. Для этой же цели в преобразователе используется ОУ К574УД1Б. Если достаточна точность измерения не более 0,3…0,5 °C, можно использовать ОУ КНОУД8Б. Конденсатор С1 в генераторе может быть заменен другим, имеющим изоляцию из фторопласта или тефлона, соответствующей емкости и габаритов. Транзисторы блока питания VT1, VT2 могут быть КТ502, КТ503; КТ201, КТ203. Счетчик может быть построен на ИС серии К155, но тогда возрастет потребляемая мощность, потребуется внести изменения в блок питания и блок индикации прибора. Датчик прибора — германиевый точечный диод Д9. Его выводы согнуты в одну сторону, припаяны к кабелю с фторопластовой изоляцией, на половину корпуса надета трубка из полихлорвинила. Когда датчик опускается в токопроводящую среду, нужно следить, чтобы он не погружался более чем на половину длины корпуса. Для работы в агрессивных средах, с кислотами и щелочами, датчик следует защитить эпоксидной смолой, обеспечивающей его изоляцию и хорошую теплопроводность. Если возникает необходимость использования нескольких датчиков, расположенных в разных местах при точности измерения не более 0,3…0.5 °C, можно использовать датчики КД518А, предварительно отобрав их по одинаковому падению напряжения при токе через диод 1 мА, также потребуется установить переключатель П2К на необходимое количество
