Простой цифровой термометр

Термометр может измерять температуру от -60 до +120⁰ С, погрешность не превышает 0,2⁰ С в диапазоне 0…40⁰ С и в два раза больше за его пределами. Рабочая температура корпуса прибора 15…25⁰ С. Термометр питается от встроенной батареи 7Д-0,125Д и потребляет ток не более 1 мА.

Основой предлагаемого устройства служит аналого-цифровой преобразователь на микросхеме DD2 с жидкокристаллическим индикатором HG1 (рис.3). В качестве параметрического датчика использован кремниевый диод VD1, для которого температурный коэффициент напряжения (ТКН) примерно равен -2мВ/⁰ С. Падение напряжения на прямосмещенном диоде при токе 0,1…1мА имеет величину в пределах 550…650 мВ и линейно уменьшается с ростом температуры.

Для питания датчика использован имеющийся в микросхеме DD2 источник опорного напряжения величиной 2,8 В. Внутри микросхемы он соединен полюсом с выводом 1 питания микросхемы. Вывод 32 опорного напряжения обозначен –U_a 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 0⁰ 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 100⁰С. Это напряжение подается на входы U_обр на микросхемы DD2, оно может быть тоже подстроено резистором R12.

Элементы R5,R6,C2 определяют частоту задающего генератора (50 кГц), цепочка R8C3 сглаживает наводки и шумы и способствует защите от статистического электричества. Конденсатор С6 служит для хранения образцового напряжения, резистор R14 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 H3 и контроля разрядки батареи. При напряжении питания более 8В 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 8В 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 свежезаряженной батареи 7Д-0,125Д с 9,8 В до 8 В (неполная разрядка). Для использования в цифровом мультиметре с разрядностью 3,5 такая нестабильность допустима. В описываемом термометре это изменение опорного напряжения приводит к ошибке в 0,6 мВ или 0,3⁰ С, что заметно. Частично можно скомпенсировать эту погрешность подбором резистора R9, уменьшив ошибку до 0,1⁰С.

Все элементы конструкции, кроме батареи, выключателя и датчика, установлены с обеих сторон двусторонней печатной платы из фольгированного стеклотестолита. На рис. 4,а приведено расположение деталей и проводников на стороне размещения микросхем, а на рис. 4,б-с противоположной стороны.

Следует иметь в виду, что на поверхности платы под микросхемой DD2 и ниже на рис. 4,а сохранен сплошной слой металлизации, выполняющий роль общего провода и соединенный с выводами 32 и 35 этой микросхемы. Поэтому отверстия в печатных платах со стороны установки деталей раззенкованы. Места подпайки выводов к фольге общего провода на рис. 4,а помечены крестиками. Проводники, соединяющие резистор R16 и конденсаторы С9 и С10 с целью уменьшения влияния паразитных емкостей на результат преобразования, окружены защитным проводником, соединенным с выводом 27 микросхемы DD2. Для этой же цели фольга со стороны установки микросхем под указанными элементами отделена от общего провода и соединена с тем же выводом .

В качестве датчика температуры практически пригоден любой кремниевый маломощный диод, предпочтение следует отдать приборам с наименьшими габаритами. Конденсаторы С6 иС9 - 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, R11, R13, входящие в делители, желательно использовать стабильные, например С2-29, резисторы R10, R12 –СП3-19а. плата установлена в пластмассовый корпус промышленного изготовления с габаритами 30*72*132 мм .

 

 

Рис. 3 Принципиальная схема термометра

 

Он задуман как универсальный для использования в конструкциях различных радиолюбительских приборов. Отсек под батарею «Крона» для аккумулятора 7Д-0,125Д оказался маловат, однако его можно использовать для хранения датчика.

 

 

 

б)

Печатная плата термометра: а-со стороны установки микросхем б- с противоположной стороны

а)

Рис.4

 

 

Оформление датчика температуры зависит от предполагаемых областей использования термометра. Возможен, например, вариант, показанный на рис.5. 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 подогнать к его корпусу, к обоим выводам подпаять два провода МГТФ-0,07 длиной по 0,5 м, одеть на каждый из них по два отрезка поливинилхлоридной или фторопластовой трубки 4 и 5. Диод с проводами вставить в стеклянную трубку и закрепить провода на 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.

 

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 тающий 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…40⁰ С, контролируемой ионным термометром, резистором R12 установить соответствующие показания на индикаторе. Использование кипящей воды для калибровки нежелательно, так как температура кипения воды 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 0,1⁰ 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. Датчик представляет из себя двухполюсник с малым дифференциальным сопротивлением, падение напряжения на котором при токе 1 мА и температуре 0⁰ С составляет 2932 мВ и изменяется пропорционально абсолютной температуре корпуса датчика.

Абсолютный ТКН такого датчика, в отличие от диода, положителен и составляет 10 мВ/⁰С. 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.6 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 R19 - R21 напряжение с датчика DA1 уменьшенного примерно в пять раз и приведено к напряжению на диоде VD1 при температуре 0⁰С. Разность этих величин, подаваемая на измерительный вход АЦП, изменяется с ТКН 4 мВ/⁰C. Температуре 100⁰ С соответствует напряжение 400 мВ, такой же величины должно быть и напряжение, подаваемое на образцовый вход и напряжение АЦП DD2, оно снимается с делителя R16 – R18.

 

 

Рис. 6 Схема совместного включения микросхемы К1019ЕМ1 и кремниевого диода

 

 

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 0,1⁰ С на 100⁰ С, причем не влияя на показания при 0⁰ С. Поскольку образцовое напряжение составляет 400 мВ, сопротивление резистора R14 интегратора должно быть увеличено до 229 кОм.

Настройка термометра заключается в установке подстроечным резистором R20 нулевого показания при температуре 0⁰ С и показаний, соответствующих температуре, близкой к верхней границе используемого диапазона, подстроечным резистором R17. Недостатками такого варианта термометра является необходимость подключения датчика, включающего в себя микросхему и диод, трехпроводным кабелем и относительно большие габариты датчика.

 

 

 

 

Список использованных источников:

1) Спектор, С.А. Электрические измерения : Средства и методы измерений (общий курс) / Учебное пособие для вузов / Москва, «Высшая школа» , 1972. - С. 451-461.

2) Электрические измерения неэлектрических величин. Под ред. Новицкого. Изд. 6-е, перераб. и доп. Л.:»Энергия»,1983.

3) Бирюков С. Цифровой мультиметр.– Радио, 1990, №9, с. 55-58.

4) Бирюков С. Цифровой измеритель.- Радио, 1996, № 3, с. 34-37.

5) Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение.- М.: Энергоатомиздат, 1992, 320 с.

6) Бирюков С. Микросхемы К1019ЕМ1, К1019ЕМ1А,- Радио, 1996, №7, с. 59, 60.

7) Цибин В. Цифровой термометр. – Радио, 1996, № 10, с. 40, 41.