Материал: Цифровой термометр

Весь термометр собран на трех печатных платах из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. На одной из них, с габаритами 130х40 мм, из двустороннего стеклотекстолита собран генератор прямоугольных импульсов со счетчиком и индикаторами (рис. 5).

На второй, с габаритами 80Х40 мм, собран преобразователь температура - частота (рис. 6)

Платы с помощью уголков крепятся к основанию из гетинакса толщиной 3 и размером 130Х Х90 мм. Все три платы размещены s корпусе размером 135х100х50 мм, спаянном из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм. Корпус оклеен пленкой, имитирующей ценные породы дерева. Окно для считывания показаний яа лицевой стороне корпуса термометра закрыто оргстеклом сине-зеленого цвета. Кабель датчика наматывается на выступы на задней стенке термометра. Там же выводится и кабель питания прабора. Для калибровки термометра использовались цифровой частотомер Ч3-32 и цифровой промышленный термометр. При использовании простых термометров и частотомеров точность настройки может достигать 0,3...0,5°С.

Для калибровки преобразователя от базы транзистора VT3 отсоединяют генератор и к выходу преобразователя (коллектор VT3) присоединяют частотомер. Предварительно резистором R15 устанавливают ток через датчик VD5, равный 1,0 мА. Затем датчик помещают в среду, имеющую температуру 100 °С (кипящая вода), одновременно контролируя температуру термометром, Резистором R14 устанавливают выходную частоту 1000 Гц. Затем датчик охлаждают до 0°С (тающий снег) и резистором R13 срывают колебания интегратора - частота 0 Гц. Эти операции повторяют 3-4 раза для устранения взаимного влияния резисторов R13 и R14. Затем присоединяют генератор к базе транзистора VT3 и резистором R2 устанавливают показания счетчика при температуре 99,9 °С, равным 99,9. После этого проверяют линейность устройства во всем диапазоне. При необходимости настройку повторяют.

.3.Бытовой цифровой термометр

Потребность в измерителе температуры обусловлена многими обстоятельствами. В быту, например, необходимостью быстрого измерения температуры тела человека или воды для купания ребенка, температуры внутри или вне помещения, в парнике или оранжерее, в подвале, если там хранятся овощи, в камере холодильника или его морозильника, воды в аквариуме и многих других объектов. К бытовым термометрам обычно предъявляют такие требования, как точность измерения - не хуже 0,5 ° С в интервале температуры от -50 до +100 ° С -(при измерении температуры тела человека - не хуже 0,1...0,2 °С), малогабаритность, экономичность, автономность питания, малая тепловая инерционность и гигиеническая безвредность. Описываемый здесь сравнительно простой цифровой термометр в основном отвечает этим требованиям. Чувствительным элементом прибора служит температурный датчик, принцип действия которого основан на свойстве некоторых материалов изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Датчики температуры могут быть различными. В промышленности, например, часто используют массивные металлические (медные или платиновые) термопреобразователи. Для бытовых приборов наиболее подходят полупроводниковые малогабаритные терморезисторы ММТ, КМТ, СТ1, СТЗ, ТР-4, ММТ-4, которые по сравнению с металлическими преобразователями, значительно менее теплоинерционны, имеют почти в десять раз больший температурный коэффициент сопротивления (ТКС), большее электрическое сопротивление, позволяющее полностью пренебречь сопротивлением проводов, которые соединяют датчик с прибором. Наилучшими характеристиками обладает миниатюрный каплевидной формы остеклованный терморезистор ТР-4 с уменьшенным ТКС. Он имеет размеры 6Х4Х2,5 мм; гибкие выводы длиной 80 мм изготовлены из проволоки с низкой теплопроводностью. Его масса - 0,3 г. Основные электрические характеристики терморезистора ТР-4: номинальное сопротивление - 1 к0м±2 % при температуре +25 ° С, ТКС - примерно 2 %/°С, рабочий температурный интервал -60...+200 °С, постоянная времени - 3с [ 1 ]. Недостаток полупроводниковых терморезисторов - нелинейность зависимостти сопротивления от температуры и значительный разброс характеристик, что является основной причиной, сдерживающей их широкое применение для измерения температуры. Рис. 1 иллюстрирует типовую зависимость сопротивления полупроводниковых терморезисторов ТР-4 и ММТ-4 от температуры. Однако соответствующие схемотехнические решения линеаризации характеристики позволяют в значительной мере устранить эти недостатки.

Основные технические характеристики с терморезистором ТР-4

Интервал измеряемой температуры, °С ...............-50...+100

Разрешающая способность, °С, ......................0,1

Погрешность измерения, °С,

на краях рабочего интервала ................... ±0,5

в средней части рабочего интервала, не хуже ... +_0,1...0,2

Напряжение источника питания, В....................9

Потребляемый ток,мА ...............................1

Габариты, мм...................................... 175х65х30

Масса, г.......................................... 250

Принципиальная схема термометра изображена на рис. 2. Основа прибора - интегрирующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) DA3, к выходу которого подключен четырехразрядный жидкокристаллический индикатор HG1. Такая элементная база позволила снизить энергопотребление и обеспечить прибору малые габариты и массу. Измерительную цепь прибора образуют токозадающий резистор R1, резисторы R2 и R3, формирующие образцовое напряжение Uобр терморезистор R4, .напряжение Uт на котором изменяется в зависимости от температуры, и компенсирующий резистор [2], функцию которого выполняют резисторы R5, R6. Для уменьшения погрешности от самопрогрева терморезистора номинал токозадающего резистора R1 выбран таким, чтобы ток в измерительной цепи был равен примерно 0,1 мА. В приборе примедено прямое измерение термосопротивления методом отношений - терморезистор R4 и образцовый резистор (R2+R3) включены последовательно и через них протекает одинаковый ток. Падение напряжения, возникающее на терморезисторе, поступает на входные выводы 30 и 31, а падение напряжения на образцовом резисторе, выполняющем функцию источника образцового напряжения Uобр- на выводы 35 и 36 АЦП DA3. При таком способе измерения результат преобразования АЦП не зависит от тока в измерительной цепи, а значит, отпадает надобность в традиционно применяемых высококачественных источниках тока и образцового напряжения, от которых во многом зависят точностные характеристики измерителя.

Для прибора, работающего в режиме измерения температуры, типичной является задача компенсации начального значения термосопротивления при нулевой температуре. Для этого сопротивление компенсационного резистора (R5+R6) выбирают равным сопротивлению терморезистора R4 при нулевой температуре, а чтобы скомпенсировать сумму значений напряжения Uт+Uк, поступающую на вывод 30 АЦП, на его вывод 31 подают напряжение, равное 2 Uк, которое формирует операционный усилитель DA2 с коэффициентом усиления K=(1+R14/R13)=2. Тогда с учетом того, что с повышением температуры сопротивление терморезистора уменьшается, имеем Uвх ацп = Uвх+ --Uвх -=2Uк - (Uт+Uк)=Uк --Uт Линеаризацию нелинейной зависимости термосопротивления от температуры реализуют шунтированием терморезистора R4 резистором R11-грубо, а точно- введением в устройство ОУ DA1. Но шунтирующий резистор R11 лишь частично спрямляет эту нелинейность, несколько расширяя рабочий температурный интервал. Принцип точной линеаризации основан на изменении коэффициента преобразования АЦП в зависимости от образцового напряжения Uобр. Оно изменяется благодаря обратной связи через ОУ DA1. При такой связи часть входного напряжения UВХ, определяемая коэффициентом усиления ОУ DA1 B=[l+(R8+R9)/R7] Добавляется к напряжению Uобp [З]. Чем больше увеличивается сопротивление терморезистора при снижении температуры, тем быстрее растет образцовое напряжение, а это приводит к пропорциональному уменьшению коэффициента преобразования АЦП: Uобp=Uобр+ -Uобр-=U0-B(Uк-Uт),где Uобр+-Uобр- - напряжения на выводах 36 и 35 АЦП соответственно. Если принять цену деления младшего разряда равной 0,1 ° С, то в конечном виде показание цифрового индикатора HG1 определится выражением:

Другие элементы термометра, обеспечивающие работу АЦП, типовые. Транзистор VT1, включенный инвертором, служит для индикации в цифровом индикаторе HG1 знака десятичной точки. Детали прибора смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 3). Микросхема DA3 смонтирована со стороны печатных проводников. Гнезда XI, Х2 (от разъема 2РМ) припаяны непосредственно к печатным площадкам платы. Для крепления переключателя SA1 также предусмотрены печатные площадки. Постоянные резисторы - С2-29В, подстроечные - СПЗ-38а. Конденсаторы: С1 - К50-6, СЗ и С7 - К22У, С5 - К73-17, С2 и С6 - К73-24. Переключатель SA1 - ПД9-2, батарея питания GB1 - "Корунд". Индикатор ИЖКЦ1-4/8 можно заменить на ИЖЦ-5. Монтажная плата помещена в пластмассовый корпус от бытового дозиметра "Белла" (см. фото в "Радио", 1990, № 10, с. 25). Конструктивное оформление датчика произвольное. Например, в пластмассовом стержне диаметром 5 и длиной б5... 70 мм сверлят сквозное осевое отверстие диаметром около 3 мм, а затем в одном из его торцев - углубление. На выводы терморезистора надевают тонкие изоляционные трубки, выводы пропускают в отверстие в стержне, устанавливают терморезистор в углубление и герметизируют его клеем БОВ-1 или лаком К0947.

К выводам припаивают концы двупроводного гибкого кабеля и туго надевают на конец стержня, противоположный терморезистору, отрезок тонкостенной дюралюминиевой трубки, служащей ручкой датчика. Длина соединительного кабеля - около 1,5 м. Из-за значительного разброса параметров полупроводниковых терморезисторов в устройство введены три подстроечных резистора: R5- для установки нуля, R2 - для установки масштаба шкалы и R9 - для линеаризации характеристики терморезистора. Простейшую регулировку термометра удобно выполнить по трем контрольным значениям температуры: талой воды (0 °С), тела человека (36,6 °С) и кипения воды (100 °С). В первой из этих контрольных точек измеряют температуру воды во льду, а не воды со льдом, температура которой может быть более 1 °С. Во второй контрольной точке в качестве образцового прибора используют медицинский термометр.

Температуру кипения воды необходимо скорректировать поправкой на атмосферное давление. В Пятигорске, например, находящемся на высоте около 500 м над уровнем моря, вода кипит при температуре 92,5 °С. Регулировку начинают, поместив датчик в талую воду. Подстроечным резистором R5 устанавливают на индикаторе нулевое показание. Затем поочередной регулировкой резисторов R2 и R9 добиваются показаний индикатора, соответствующих значениям температуры в двух остальных контрольных точках. Далее датчик снова помещают в талую воду и повторяют все контрольные измерения. Более точную регулировку прибора можно выполнить по промышленным ртутным термометрам с ценой деления шкалы 0,2 °С. Вместо терморезистора ТР-4 в датчике можно использовать и другие терморезисторы более широкого применения, но с обязательной корректировкой сопротивления некоторых резисторов прибора. Так, при замене его терморезистором ММТ-4 с номинальным сопротивлением 1,3 кОм сопротивление резистора R11 должно быть уменьшено до 3,3 кОм, а при терморезисторе СТЗ-19 с номинальным сопротивлением 2,2 кОм - до 3 кОм. Режимы работы АЦП при использовании в приборе терморезисторов ТР-4 и ММТ-4 показаны в таблице. Если пределов регулировки подстроечными резисторами, кроме R11, не хватает, то, возможно, придется подобрать резисторы R3, R6, R8. Входную часть прибора можно использовать в цифровом мультиметре, выполненном на микросхеме КР572ПВ5.

Глава 2. Методика калибровки прибора

Основные технические данные и характеристики

Цифровой универсальный термометр ТЦ-1У конструктивно выполнен в виде двух блоков, показывающего и выносного зонда, соединенных между собой кабелем.

Габаритные размеры цифрового универсального термометра ТЦ-1У, не более:

Показывающий блокдлина, мм.    135

ширина, мм.       70

высота, мм.         24

Выносной зонддлина, мм     430

диаметр щупа, мм        6

длина щупа, мм  305

длина соединительного кабеля*, мм 850

*Габаритные размеры выносного зонда и длина кабеля могут быть изменены по специальному заказу.

Разрешающая способность, °С     0.1

Погрешность измерения температуры, °С, в диапазонах:        

… +10        ±0.5

+10 … +50 ±0.1

+50 … +125        ±0.5

Максимальный ток потребления цифровым универсальным термометром, мА, не более          20

Напряжение питания (батарея типа "Крона"), В      9 ± 0.5

Рабочие условия применения измерителя температуры ТЦ-1У

атмосферное давление, кПа (от 630 до 800 мм рт. ст.)      84 - 106,7

относительная влажность окружающей среды, %(без конденсации влаги)          10 - 98

температура окружающего воздуха, oС         -40…+85

Атмосферный воздух не должен содержать механических примесей, аэрозолей и паров масел, превышающих санитарные нормы для производственных помещений.

Методика калибровки прибора

Настоящая методика устанавливает методы и средства первичной и периодической калибровки цифрового универсального термометра ТЦ-1У. ТЦ-1У подвергаются периодической калибровке один раз в год.

Операции и средства калибровки. При проведении калибровки должны выполняться операции и применяться средства калибровки, перечисленные в таблице.

Примечание. Допускается оборудование и средства калибровки заменять аналогичными, обеспечивающими требуемую точность измерения.

При проведении калибровки должны соблюдаться следующие условия:

температура воздуха, °С      20±5

относительная влажность, %         45-80

атмосферное давление, КПа 84-106,7

Внешний осмотр.

При внешнем осмотре должно быть установлено соответствие проверяемого изделия следующим требованиям:

соответствие комплектности поверяемого измерителя температуры данным паспорта;

четкость маркировки;

исправность механизмов и крепежных деталей;

наличие товарного знака завода-изготовителя, типа, номера;

защитные и защитно-декоративные покрытия не должны иметь дефектов.

Определение метрологических характеристик.

Подготовка к калибровке.

Перед проведением калибровки должны быть выполнены следующие подготовительные работы:

подготовка к работе установки УТТ-6 в соответствии с ее инструкцией по эксплуатации;

установка измерительных зондов поверяемых измерителей температуры в термостатируемую ванну установки УТТ-6.

Определение погрешности измерения температуры.

Для определения погрешности измерения температуры измерительный зонд испытываемого измерителя температуры помещают в термостатируемую ванну установки УТТ-6. Контроль температуры в ванне производить с помощью термометров стеклянных ртутных лабораторных ТЛ-4, III разряда.

Определение основной абсолютной погрешности температуры производить сравнением показаний - значений температуры не менее, чем в пяти точках диапазона измерения, определенных с помощью термометров стеклянных ртутных лабораторных типа ТЛ-4, III разряда.

Обработка результатов измерения. Основную абсолютную погрешность измерения температуры определить по формуле:

Т=Тr - Tд ,

где Tr - значение температуры по калибруемому измерителю температуры; Тд - действительное значение температуры, измеренное с помощью термометра ТЛ-4. Измеритель температуры считается годным, если значение основной абсолютной погрешности измерения температуры не превышает значений, указанных в паспорте.

Оформление результатов калибровки.

Положительные результаты калибровки оформляют свидетельством о калибровки.

При отрицательных результатах калибровки изделие признают непригодным. Свидетельство о калибровке аннулируют и на забракованное изделие выдают извещение о непригодности с указанием причины.

После ремонта забракованные изделия вновь подвергаются калибровке.

Глава 3. Оценка неопределенности результатов измерения

Неопределенность- это параметр, связанный с результатом измерений, который характеризует разброс значений, которые могли бы быть обоснованно приписаны измеряемой величине.

В качестве параметра, связанный с результатом измерений, который характеризует разброс значений, обычно используют среднее квадратичное отклонение результата наблюдений.

Если информация о величине является статистической, то есть получена экспериментально путем многократных измерений, то стандартные неопределенности входных величин оценивают по типу А.

Если мы имеем следующие данные, то

Так как ,мы имеем серию результатов измерения с использованием цифрового термометра, то приведем оценку неопределенности результатов измерения по типу А

U_A(X) =S_X=

Если мы не имеем статистику результатов измерения, то неопределенность результатов измерения определяется по типу В. Например, Х₁=10.1 и Х₂=10.3. тогда

U=A/K, где А-полуширина интервала распределения вероятности результата измерения; К-коэффициент охвата значений которого определяются видом (законом) распределения вероятности; U- стандартные неопределенности входных величин по типу В.

U₁=(10.1+10.3)/2/3=5.1/ - если функция распределения вероятности равновероятная;

U₂=5.1/ -если функция распределения вероятности по Симпсону;

U₃=5.1/ -если функция распределения вероятности по Гауссу.

Литература

цифровой термометр температура бытовой

1. Алексиев Д. Медицинский термометр. -Радио, 1981, № 9, с. 68.

. Цифровой термометр. -Радио, 1982, № 4, с. 58.

. Бронштейн Б„ Борбич М. Цифровой термометр. - В помощь радиолюбителю. Вып. 79, с. 50-51.

. Уильямс, Дургович. - Электроника, 1975, т. 48, № 7, с. 54-55.

. Майзульс Р. Электронные часы на микромощных интегральных схемах.- В помощь радиолюбителю. Вып. 72, с. 57.