Простой цифровой термометр
Измерения 11:32 / 10.07.2008 8 788
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. 1).
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 R12. 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 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 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. 2,а приведено расположение деталей и проводников на стороне размещения микросхем, а на рис. 2,б - 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 R10, R12 - СПЗ-19а.
Плата установлена в пластмассовый корпус промышленного изготовления с габаритами 30х72х132 мм. Оформление датчика температуры зависит от предполагаемых областей использования термометра. Возможен, например, вариант, показанный на рис. 3. 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 [6]. 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%/°C 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. 4 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 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 R14 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 R17. Недостатками такого варианта термометра является необходимость подключения датчика, включающего в себя микросхему и диод, трехпроводным кабелем и относительно большие габариты датчика.
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 R12. 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 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 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. 2,а приведено расположение деталей и проводников на стороне размещения микросхем, а на рис. 2,б - 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 R10, R12 - СПЗ-19а.
Плата установлена в пластмассовый корпус промышленного изготовления с габаритами 30х72х132 мм. Оформление датчика температуры зависит от предполагаемых областей использования термометра. Возможен, например, вариант, показанный на рис. 3. 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 [6]. 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%/°C 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. 4 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 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 R14 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 R17. Недостатками такого варианта термометра является необходимость подключения датчика, включающего в себя микросхему и диод, трехпроводным кабелем и относительно большие габариты датчика.