Общая характеристика и принцип действия электронного термометра, его назначение и сферы использования, разработка принципиальной схемы. Разработка термометра, обоснование выбора датчиков температуры, расчет узла схемы питания и фактической себестоимости.
Аннотация к работе
Существует множество разновидностей термометров: ртутный, где указателем уровня измеряемой температуры является ртуть, у которой коэффициент линейного расширения изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, также нашел применение термометр, датчиком температуры у которого служит термопара и много других. В нижние плечи измерительного моста включены медный терморезистор RK1 и резистор RЗ, в верхние - стабилизаторы токов этих резисторов на транзисторах VT1 и VT2, а в его измерительную диагональ - термопара ВК1 и неинвертирующие входы микросхем DA1, DA2 усилителя напряжения. Чтобы нуль на шкале измерительного прибора РА1 соответствовал температуре ОС и показания термометра не зависели от температуры напряжение на резисторе RЗ устанавливается равным UR3=URK10=К/LRK1(1.1), где URK10 - напряжение на RK1 при ТК=0 °С; К - коэффициент ТЕРМОЭДС термопары; LRK1 - температурный коэффициент сопротивления резистора RK1. Это же напряжение будет приложено к резистору R8 (в диапазоне измеряемых температур 0…10СГС) или к резистору R9 (в диапазоне 0… 1000 °С), поскольку ОУ DA1 включен по схеме повторителя напряжения, а ОУ DA2 - по схеме неинвертирующего усилителя. Делитель из резисторов R4, R7, R10 - R13 снижает напряжение до 600 мв, что по величине соответствует напряжению на диоде VD1 при температуре 0С; подстроечный резистор R10 обеспечивает его небольшую регулировку.При замене их резисторами сопротивлением 6,2 КОМ режим работы прибора (токи через датчик VD1 и резисторы RЗ, R4) практически не изменится. Поэтому темой дипломного проекта является электронный измеритель-регулятор температуры, датчиком температуры у которого является микросхема К1019ЕМ1, которая имеет линейную зависимость выходного напряжения от температуры. Для этого напряжение подается на пороговое устройство, где оно сравнивается с напряжением, соответствующим температуре 38,1С и если оно будет превышать его, то пороговое устройство срабатывает и падает сигнал на управляющий элемент, который отключает или включает нагревательное устройство. Поскольку площади эмиттерного перехода этих транзисторов различаются в 10 раз, для балансирования усилителя на его вход с резистора RЗ должно быть подано напряжение: UБЭ=Тк(kln10)/q. Эта связь устанавливает на выводах 2 и 3 микросхемы напряжение, пропорциональное разности падений напряжения на эмиттерном переходе транзисторов VT1 и VT2, с коэффициентом пропорциональности (R2 RЗ R4)/RЗ.Разработанный в данном дипломном проекте электронный измеритель-регулятор температуры нашел широкое применение.
Введение
Электроника является универсальным и исключительным средством при решении проблем в самых различных областях. Сфера ее применения постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без нее. Функции устройств становятся все более разнообразными. Наилучшим радиотехническим устройством является то, которое можно и не замечать, но оно при этом само будет выполнять все необходимые функции. Одним из таких является электронный термометр.
Очень важно не только контролировать температуру, но и управлять ею. Например, в промышленности для получения качественного асфальта нужно постоянно поддерживать температуру на уровне 500С. В сельском хозяйстве при сушке зерна и травяной муки также актуален контроль за температурой окружающей среды. В птицеводстве в инкубаторах изменение температуры даже на один градус может привести к порче огромного числа яиц, что приведет к значительным финансовым потерям. Тоже самое может произойти и, например, с продуктами если температура в холодильной камере станет повышаться. А в медицине скачки температуры в стерелязационной камере и вовсе могут привести к печальным последствиям.
Существует множество разновидностей термометров: ртутный, где указателем уровня измеряемой температуры является ртуть, у которой коэффициент линейного расширения изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, также нашел применение термометр, датчиком температуры у которого служит термопара и много других. Каждый из них имеет ряд недостатков. Например, ртутный недостаточно точен, а в случае раскола колбы произойдет утечка ртути, которая очень опасна для здоровья людей. Поэтому темой настоящего дипломного проекта является разработка безопасного термометра, который предназначен для измерения температуры объекта и управления нагревательными элементами при достижении температуры порогового значения. Применение аналого-цифрового преобразователя КР572ПВ2А позволило создать довольно несложное устройство способное регулировать температуру в широком интервале значений и поддерживать ее с высокой точностью.
1. Обоснование выбора электронного термометра
1.1 Обзор возможных вариантов построения принципиальной схемы электронного термометра
Обзор начнем с универсального электронного термометра, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.1.
Датчиком температуры термометра служит термопара «хромель-алюмель», сваренная из проволочек диаметром 0,2 мм. Величина создаваемой термопарой ЭДС пропорциональна, как известно, разности температур «горячего» и «холодных» ее концов. В электронном термометре, о котором идет речь, предусмотрена автоматическая компенсация температуры холодных концов термопары ТК («комнатной») с тем, чтобы измерительный прибор показывал температуру объекта t, а не ее разность: t-tk.
Он состоит из измерительного моста (VT1, VT2, RK1, R1-R5), стабилизатора напряжения его питания (VТЗ, VT4, R6), термопары ВК1, усилителя напряжения (DA1, DA2, R7-R11, SA1), микроамперметра РА1, выключателя питания SA2 и источника питания GB1.
В нижние плечи измерительного моста включены медный терморезистор RK1 и резистор RЗ, в верхние - стабилизаторы токов этих резисторов на транзисторах VT1 и VT2, а в его измерительную диагональ - термопара ВК1 и неинвертирующие входы микросхем DA1, DA2 усилителя напряжения. Благодаря очень большому входному сопротивлению усилителя ток в измерительной диагонали практически отсутствует, и на его входное напряжение (Uвх) не влияет падение напряжения на резисторах RЗ, RK1 и проводниках термопары. Холодный спай термопары должен находиться в корпусе термометра.
При изменении температуры тк (при постоянной t) напряжение на терморезисторе RK1 (URK1) и ЭДС термопары Е меняются в противофазе так, что их сумма всегда остается постоянной. Чтобы нуль на шкале измерительного прибора РА1 соответствовал температуре ОС и показания термометра не зависели от температуры напряжение на резисторе RЗ устанавливается равным UR3=URK10=К/LRK1(1.1), где URK10 - напряжение на RK1 при ТК=0 °С; К - коэффициент ТЕРМОЭДС термопары; LRK1 - температурный коэффициент сопротивления резистора RK1. Зависимость (1.1) справедлива при соблюдении неравенства: LRK1>> LR3 (1.2). Это условие легко выполнить, если RK1 намотать медным проводом, а в качестве RЗ использовать резистор МЛТ. При соблюдении требований (1.1) и (1.2) входное напряжение Uвх=К*1 (1.3). Это же напряжение будет приложено к резистору R8 (в диапазоне измеряемых температур 0…10СГС) или к резистору R9 (в диапазоне 0… 1000 °С), поскольку ОУ DA1 включен по схеме повторителя напряжения, а ОУ DA2 - по схеме неинвертирующего усилителя. Следовательно, ток в цепи обратной связи РА1, R10 будет равен: Іос=Uвх/R, где R - сопротивление резистора R8 или R9. С учетом равенства (1.33) Іос=К*t/R, т.е. ток через микроамперметр РА1 прямо пропорционален температуре объекта t.
В качестве РА1 использован микроамперметр на 100 МКА. Резистор RK1 намотан на пластинке из текстолита 20x10 мм толщиной 1 мм изолированным медным проводом диаметром 0,1 мм до сопротивления 60…100 Ом. Транзистор VТЗ включен как стабилизатор напряжения измерительного моста. Его функции может выполнять любой маломощный кремниевый транзистор с напряжением пробоя перехода база - эмиттер ниже 7 В. Транзисторы VT1, VT2, VT4 - любые маломощные полевые транзисторы с р-п переходом. Напряжение отсечки VT1, VT2 - не более 4 В, а VT4 - не более 2В. Сумма напряжения отсечки транзистора VT4 и напряжения стабилизации транзистора VТЗ должна быть меньше напряжения батареи GB1 и чем меньше эта сумма, тем при более глубоком разряде батареи термометр сохранит работоспособность.
Микромощные ОУ применены только из соображений минимального энергопотребления. При питании термометра от сети в качестве DA1, DA2 желательно применить прецизионные ОУ. Подстроечные резисторы R2, R5, R8, R9 - многооборотные - СП5-2В или другие им подобные. Остальные резисторы-МЛТ - 0,125.
Налаживание термометра начинают с расчета напряжения UR3. Для термопары «хромель-алюмель» К=4,065*10-2МВ/°С. Для меди LRK1=4,3-10-3/°С. Пользуясь равенством (1.1), получаем UR3 =4,065 - 10-2/ 4,3-10-3=9,453 МВ. Далее, замкнув выключатель SA2, параллельно резистору RЗ подключают вольтметр (желательно цифровой) и резистором R5 устанавливают рассчитанное напряжение с максимально возможной точностью. После этого переключатель SA1 переводят в положение «100:", опускают спай термопары в сосуд с тающим льдом и резистором R2 устанавливают стрелку микроамперметра РА1 на 0. Если у резистора R2 или R5 не хватает пределов регулирования, то следует заменить соответственно резистора R1 или R4. Затем опускают спай термопары в сосуд с кипящей водой и резистором R8 устанавливают стрелку РА1 на последнее деление шкалы - 100 МКА. Далее, не вынимая термопару из кипящей воды, переводят переключатель SA1 в положение «1000°» и резистором R9 устанавливают стрелку РА1 в положение 10 МКА. На этом налаживание заканчивают.
При эксплуатации прибора зашкаливание стрелки РА1 на пределе измерения 100 °С при комнатной температуре говорит о разрядке батареи питания GB1 и необходимости ее замены. Максимальное напряжение питания термометра определяется допустимым напряжением питания ОУ (для микросхем К140УД12 UMAX=15В) или допустимым напряжением сток-затвор транзистора VT4 плюс напряжение стабилизации перехода база-эмиттер транзистора VТЗ Минимальное напряжение питания равно сумме напряжения стабилизации VТЗ и напряжения отсечки транзистора VT4 (у автора UMINСОСТАВЛЯЛО 7,5 В). Ток, потребляемый термометром, - 0,6…0,9 МА.
При измерении отрицательных температур следует поменять местами концы подключения термопары к термометру.
Термопара «хромель-алюмель» применена автором изза ее высокой рабочей температуры (до 1300 °С). Если предел измеряемых температур не превышает 500С, то можно взять термопару «хромель-копель» или сварить термопару из другой, имеющейся в наличии, пары металлов (сплавов). Очевидно, что новая пара будет иметь уже другую величину коэффициента ТЕРМОЭДС К и соответственно другое значение UR3 Величину коэффициента К можно рассчитать, взяв из справочника величины ТЕРМОЭДС этих металлов в паре с платиной и вычесть их друг из друга, или определить значение К экспериментально. Для этого термопару следует подключить к цифровому милливольтметру и поместить ее спай сначала в сосуд с тающим льдом, а затем в сосуд с кипящей водой, записывая каждый раз показания вольтметра (с учетом знака). Затем нужно найти разность полученных значений и разделить ее на 100.
Еще одной разновидностью термометров является простой цифровой термометр, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.2.
Термометр может измерять температуру от -60 до 120 °С, погрешность не превышает ±0,2 °С в диапазоне О…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. 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 560…650 МВ и линейно уменьшается с ростом температуры.
Для питания датчика использован имеющийся в микросхеме DD2 источник опорного напряжения величиной 2,8±0,4В Внутри микросхемы он соединен плюсом с выводом 1 питания микросхемы. Вывод 32 опорного напряжения обозначен - Ua и соединен с общим проводом.
Делитель из резисторов R4, R7, R10 - R13 снижает напряжение до 600 мв, что по величине соответствует напряжению на диоде VD1 при температуре 0С; 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 Uоб микросхемы DD2, оно может быть тоже подстроено резистором R12.
Элементы R5, R6, С2 определяют частоту задающего генератора (50 КГЦ), цепочка R8СЗ сглаживает наводки и шумы и способствует защите от статического электричества. Конденсатор С6 служит для хранения образцового напряжения, резистор R14 и конденсатор С9 являются элементами интегратора микросхемы, С10 входит в цепь автокоррекции куля.
Конденсаторы С1, С5, С7, С8 - блокировочные а 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 НЗ и контроля разрядки батареи. При напряжении питания более 8 В напряжение на выводе 6 микросхемы DD1 ниже порога переключения, поэтому запятая Н4 невидима. При разрядке батареи напряжение питания микросхемы DD1 остается постоянным, а напряжение на ее входе 6 относительно вывода 7 возрастает. При напряжении батареи менее 8 В напряжение на входе 6 становится выше порога переключения и запятая Н4 становится видимой.
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 свежезаряжениой батареи 7Д-0.125Д с 9,8 В до 8 В (неполная разрядка). Для использования в цифровом мультиметре с разрядностью 3 1/2 такая нестабильность допустима. В описываемом термометре это изменение опорного напряжения приводит к ошибке в 0,6 МВ или в 0,3 °С, что заметно. Частично можно скомпенсировать эту погрешность подбором резистора R9, уменьшив ошибку до 0,1 °С.
Следующим расмотренным типом термометра будет бортовой термометр-вольтметр, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.3.
Основой прибора служат аналого-цифровой преобразователь (АЦП) DD1 и три микросхемных датчика температуры DA1-DA3. Датчики можно рассматривать как стабилитроны с малым дифференциальным сопротивлением (менее 1 Ом) и напряжением стабилизации, пропорциональным абсолютной температуре. Рабочий ток через них (около 1 МА) задан резистором R4. Точку измерения температуры (а значит, тот или иной датчик) выбирают переключателем SA1 (секция SA1.2).
Для того чтобы показания термометра были нулевыми при нулевом значении измеряемой температуры, на вход АЦП следует подать разность между напряжением на датчике и образцовым напряжением 2,732 В. Образцовое напряжение должно быть высокостабильным (температурный коэффициент напряжения источника, встроенного в микросхему КР572ПВ2А, слишком велик). Поэтому в приборе в качестве источника образцового напряжения использован микросхемный стабилизатор КР142ЕН19А (DA6) с весьма малой температурной зависимостью выходного напряжения.
Микросхема DA6 работает в режиме регулируемого прецизионного стабилитрона. Необходимое напряжение стабилизации 2,732В устанавливают подстроечным резистором R9, а ток стабилизации (около 6МА) задает резистор R13.
Измеряемой температуре 100 °С соответствует напряжение 1 В между входами АЦП 1Uвх и - Uвх. Для того, чтобы при этом на табло HG1-HG4 появилось показание «100,0», необходимо подать образцовое напряжение 1 В на входы Uобр и - Uобр АЦП. Это напряжение снимают с движка подстроечного резистора R15.
Частота работы генератора АЦП выбрана из стандартного ряда - 50 КГЦ, ее задают элементы С12R18. Указанным параметрам соответствуют номиналы элементов интегратора R17 и C11 и емкость конденсатора C10 автокоррекции «нуля». Конденсатор С5 уменьшает влияние наводок на датчики, а С8 исключает паразитную генерацию внутреннего источника образцового напряжения АЦП (-2,9 В).
Индикатор HG1 указывает знак и первую цифру наибольшего значения измеряемой температуры - «единицу». Через горизонтальный элемент индикатора течет ток (определяемый резистором R19, изза чего элемент постоянно высвечивает знак «минус». Полярность напряжения, подаваемого на входы Uвх АЦП, противоположна обычной, поэтому при плюсовой температуре на выходе g1 АЦП действует низкий логический уровень, включающий дополнительно два вертикальных элемента индикатора HG1, формируя знак «плюс». «Единица» включается на на индикаторе HG1, лишь когда измеряемая температура достигает 100 С и более.
Напряжение питания прибора в целом стабилизировано микросхемным стабилизатором DA4. Пятивольтное напряжение для питания индикаторов HG1-HG4 сформировано стабилизатором DA5. Значения напряжения на схеме указаны относительно верхнего по схеме плюсового проводника (подключаемого к плюсовому выводу аккумуляторной батареи через контакты секции SA1.1 переключателя и дроссель L1).
Для измерения напряжения аккумуляторной батареи служит делитель R5-R8. С резисторов R6 и R7 напряжение, равное 0,01 напряжения батареи, подано на вход АЦП во втором сверху по схеме положении переключателя SA1 (цифрами обозначены номера его контактов). Напряжению батареи 12В соответствуют напряжение 120 МВ на входе АЦП и показания табло «12,0». Если желательно иметь точность измерений до 10 МВ, делитель R5-R8 должен обеспечивать на резисторах R6 и R7 напряжение, равное 0,1 напряжения батареи, и, кроме того, необходима еще одна секция переключателя SA1 для управления положением десятичной запятой.
Еще одним типом рассмотренных термометров будет цифровой термометр, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.4.
Датчиком температуры описываемого прибора служит кремниевый диод. При этом используется линейная зависимость падения напряжения на нем от температуры при фиксированном прямом токе смещения. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) для кремниевых диодов практически постоянен в диапазоне -60… 100С и составляет -2… - 2,5 МВ/С - в зависимости от типа диода и значения тока смещения. Как показали исследования, практически любой кремниевый диод или транзистор может быть использован как линейный температурный преобразователь в диапазоне от -55С до 125С
Вывод
Разработанный в данном дипломном проекте электронный измеритель-регулятор температуры нашел широкое применение. Например, на птицефабрике теперь не нужно беспокоиться об изменении температуры в инкубаторе и постоянно подбегать к термометру и следить за тем, чтобы температура была постоянной, ведь в случае ее изменения срабатывает управляющий элемент, которое отключает нагревательные элементы. Уже этот один пример говорит о том, что старания при разработке этого устройства прошли не зря, а позволили создать довольно простое и надежное устройство.