Меню

Блок схема для измерения температуры



Цифровой термометр для измерения температуры в диапазоне от 0 до 99,9°С

А. Шамов, Г. Шик
ВРЛ 93

Термометром можно быстро (за 1 секунду) и точно измерить температуру тела человека, температуру растворов, воды, воздуха, фоторастворов и т.д.

От известных конструкций его отличает довольно широкий диапазон измеряемых температур, простота конструкции и налаживания. Недостатком термометра является невозможность измерения отрицательных температур.

Технические характеристики:
диапазон измеряемых температур . 0. 99,9 °С,
разрешающая способность . 0,1 °С;
точность измерения: в диапазоне 10. 90°С .. 0,1 °С;
в диапазоне 0. 10°С . 0,5°С;
в диапазоне 0. 99,9 °С . 0,3 °С;
время измерения температуры . 1 с;
время индикации температуры . 3 с.
Потребляемая мощность . 1 Вт.
Габариты 136 Х 100 Х 50 мм, масса 0,3 кг.

Функциональная схема термометра показана на рис. 1. 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. За основу устройства взят преобразователь температура — частота в электронном термометре с непосредственным отсчетом [4]. Температурная зависимость падения напряжения на р-п 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 °С. 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 термостабилизированньш 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 К140УД8Б, 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 см 2 . Его первичная обмотка намотана проводом ПЭВ 0,1 и содержит 5000 витков. Вторичные обмотки II и III намотаны проводом ПЭВ 0,14 и содержат 2 х 400 витков; обмотка IV—20 витков провода ПЭВ 0,31.

Для увеличения точности измерения во всем диапазоне 0. 99,9 °С можно использовать кварцевый генератор секундных импульсов, схема которого показана на рис. 4. Задающий генератор собран на микросхеме DD1 в одном корпусе с двумя делителями частоты. Коэффициент деления первого делителя равен 29, а второго 215. Генератор с кварцевым резонатором Z1 формирует последовательность импульсов частотой 215 Гц (32768 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 СЗ в преобразователе температура — частота позволяет снизить погрешность измерения в диапазоне 0. 99,9°С до 0,1 °С и менее. Время индикации показаний в этом варианте составляет 1 с.

Читайте также:  Измерение расстояний ардуино sr04

Конструкция и детали. В термометре применены постоянные резисторы МЛТ 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°С, можно использовать ОУ К140УД8Б. 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 °С, 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 датчиков. Для измерения температуры фоторастворов на корпусе датчика можно закрепить кусочек пробки или. пенопласта так, чтобы подводящие концы датчика были изолированы, а корпус касался измеряемой среды и плавал на ее поверхности.

Весь термометр собран на трех печатных платах из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. На одной из них, с габаритами 130 х 40 мм, из двустороннего стеклотекстолита собран генератор прямоугольных импульсов со счетчиком и индикаторами (рис. 5). На второй, с габаритами 80 Х 40 мм, собран преобразователь температура — частота (рис. 6) и на третьей, с габаритами 130 х 40 мм, собран блок питания, включая и трансформатор (рис. 7). Платы с помощью уголков крепятся к основанию из гетинакса толщиной 3 и размером 130 Х 90 мм. Все три платы размещены s корпусе размером 135 х 100 х 50 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.

Читайте также:  Как измерить размер ноги для обуви у ребенка 5 лет

Источник

Измерение температуры с помощью термопары и микроконтроллера AVR

Термопара – это один из видов температурных датчиков, который может применяться в измерительных устройствах и системах автоматизации. Ей присущи определенные преимущества: дешевизна, высокая точность, широкий по сравнению с термисторами и микросхемами цифровых датчиков температуры диапазон измерения, простота и надежность. Однако выходное напряжение термопары мало и относительно, а схема измерителя на термопаре сложна, так как предъявляются жесткие требования к прецизионному усилению сигнала с термопары и к схеме компенсации. Для разработки таких устройств существуют специализированные микросхемы, интегрирующие схему преобразования и обработки аналогового сигнала. С помощью этих микросхем можно построить достаточно компактный измеритель температуры с термопарой в качестве датчика (Рисунок 1).

Рисунок 1. Внешний вид цифрового измерителя температуры с термопарой в качестве датчика.

Принципы

Википедия определяет принцип действия термопары следующим образом:

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединенными проводниками имеется контактная разность потенциалов. Если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различной. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2 (Рисунок 2).

Рисунок 2. Генерирование термо-ЭДС в термопаре, образованной двумя разнородными проводниками.

Существует несколько типов термопар, в зависимости от используемой пары материалов (чистый металл или сплав). В нашем проекте мы используем термопару K-типа (хромель-алюмель), которая часто применяется в промышленных инструментах и приборах. Выходное напряжение термопары K-типа составляет приблизительно 40 мкВ/°С, следовательно, потребуется схема усиления сигнала с небольшим смещением напряжения по входу.

Как упоминалось выше, термо-ЭДС пропорциональна разности температур между холодным и горячим спаем. Это означает, что температура холодного спая должна быть известна для вычисления фактического значения температуры горячего спая. Для этого потребуется схема компенсации холодного спая, которая будет автоматически вводить поправку к измеренной термо-ЭДС (Рисунок 3).

Рисунок 3. Схема компенсации холодного спая, введение поправки к измеренной термо-ЭДС.

Чтобы получить значение температуры с помощью термопары потребуется аналоговая схема, например прецизионный операционный усилитель и схема компенсации холодного спая. Однако, существует несколько видов специализированных микросхем со встроенным интерфейсом термопары. Эти микросхемы интегрируют указанные выше аналоговые схемы и значительно упрощают проект. В нашем случае мы выбрали микросхему MAX31855 компании Maxim. Она содержит аналоговую схему и аналого-цифровой преобразователь, следовательно, на выходе микросхемы мы получим цифровые данные. Перед покупкой микросхемы необходимо заранее определить тип термопары, которая будет использоваться в устройстве.

Основные характеристики микросхемы MAX31855:

Компенсация холодного спая реализуется с помощью интегрированного в микросхему датчика температуры, поэтому одним из важных условий при сборке измерителя является размещение микросхемы непосредственно возле коннектора подключения термопары. Немаловажным условием является также изоляция данного узла от внешнего нагрева. Для подключения мы использовали коннектор, изображенный на Рисунке 4. Можно использовать коннекторы других типов.

Рисунок 4. Возможный вариант коннектора для подключения термопары к схеме.

Принципиальная схема измерителя температуры изображена на Рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная схема измерителя температуры.

Сердцем прибора является микроконтроллер Atmel AVR ATmega164P. Микросхема MAX31855 подключается к микроконтроллеру по интерфейсу SPI.

В качестве источника питания используется батарея типоразмера LR1 с напряжением 1.5 В. Для питания микроконтроллера и микросхемы интерфейса термопары используется схема повышающего DC/DC преобразователя, выполненного на микросхеме серии XC9111, обеспечивающего выходное напряжение 3.0 В. Микроконтроллер осуществляет управление питанием и отслеживает напряжение батареи.

Читайте также:  Единицы измерения температуры по странам

Так как для питания используется элемент питания 1.5 В, для отображения данных оптимально использовать сегментный статический ЖК индикатор TWV1302W, который применяется в цифровых устройствах измерения температуры (Рисунок 6). Рабочее напряжение этого индикатора 3 В. При использовании индикатора с рабочим напряжением 5 В потребуется дополнительная схема преобразователя напряжения (Рисунок 7). Функции управления индикатором выполняет микроконтроллер. При таком решении потребляемый устройством ток составит 4 мА, а батарея прослужит, как минимум, 100 часов.

Рисунок 6. Внешний вид символьного ЖК индикатора TWV1302W.

Рисунок 7. Вариант схемы преобразователя напряжения применяемой в случае использования ЖК индикатора с рабочим напряжением 5 В.

Измеритель температуры совместно с ПК или ноутбуком может использоваться в качестве системы сбора данных. Для этого предусмотрена возможность подключения к последовательному порту RS-232 для передачи данных. Настройки порта: 8 бит данных, 1 стоп-бит, скорость передачи данных 300 бит/с.

В программе микроконтроллера реализуется чтение данных по интерфейсу SPI с интервалом 0.5 сек и отображение измеренного значения на ЖК индикаторе. Управление индикатором осуществляется в фоновом режиме.

Загрузки

Исходный код программы микроконтроллера – скачать
Демонстрационное видео – скачать

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

Источник

Схема электрического градусника для измерения температуры тела

Авторизация на сайте

Этот диапазон легко можно расширить или сдвинуть при изготовлении термометра.

Подобная конструкция электронного градусника уже рассматривалась в этой статье>>>

В основу построения схемы (рис. 1) положен мостовой преобразователь. Изменение величины сопротивления термодатчика R8 приводит к разбалансу моста и появлению на стрелочном индикаторе РА1 тока, пропорционального температуре.

Особенностью электрического термометра является применение в качестве датчика температуры резистора типа СТЗ-19 10 кОм, который обладает очень малой массой, за счет чего и удается получить высокую скорость измерения. Этот датчик удобно закрепить на конце пластмассовой трубки от шариковой авторучки и перевитыми между собой проводами длиной 1-0,6 м и через разъем XI подключить к измерительному блоку. На разъеме между контактами 1 и 2 установлена перемычка, которая не позволит включить схему прибора, если не подключен термодатчик, что предохраняет индикатор РА1 прибора от повреждения.

Рис.1. Схема электрического градусника.

Питается схема от двух любых аккумуляторов или батареек общим напряжением 2. 3 В и потребляет от источника ток не более 5 мА.

Транзисторы VT1 и VT2 используются, как низковольтные стабилитроны и могут быть заменены на КТ3102А, Б, В, Г.

Переменные резисторы для удобства настройки лучше использовать многооборотные, типа СП5-2 или аналогичные.

Габариты электрического термометра определяются размерами стрелочного индикатора РА1 и при использовании микроамперметра М4205 0. 50 мкА не превышают 85 х 65 х 60 мм (рис. 2).

Настройку прибора начинают с измерения сопротивления R8 (желательно с высокой точностью) при фиксированной
температуре 20°С. Для этой цели удобно использовать промышленную термокамеру с автоматическим поддержанием заданной температуры, куда и помещают термодатчик.

Возможны и другие способы получения температуры 20°С. но надо учитывать, что от точности измерения сопротивления термодатчика при температуре 20°С зависит точность измерения прибора.

После измерения R8 из двух резисторов R6+R7 подбирают такой же номинал сопротивления и устанавливают их в схему.

Рис.2. Внешний вид электрического градусника.

После этого, установив движки резисторов R2 и R3 в среднее положение, включают схему тумблером S1 и выполняют последовательно следующие операции:

1) установить переключатель S2 в положение «калибровка», а регулятором R2 вывести стрелку измерительного прибора в нулевое положение на шкале;
2) поместить датчик температуры в место с известной постоянной температурой (в пределах желаемого измерительного диапазона);

3) установить переключатель S2 в положение «измерение», а резистором R3 вывести стрелку прибора на значение шкалы, которое будет соответствовать измеренной величине.

Операции 1, 2, 3 необходимо повторить несколько раз, после чего настройку можно считать законченной.

В заключение хотелось бы отметить, что в настроенном приборе диапазон измерения можно сдвинуть резистором R2 при переключении в режим «калибровка» и устанавливать стрелку на любое значение шкалы (положение стрелки будет соответствовать значению 20°С).

При переключении прибора в режим «измерение» шкала будет соответствующим образом сдвинута относительно положения стрелки в режиме «калибровка».

Прибор имеет большой запас по чувствительности, которая увеличивается с уменьшением сопротивления R3 (при первоначальной настройке). Можно даже с помощью прибора улавливать температуру дыхания или же ее изменение при циркуляции воздуха.

Источник