Предлагаем вашему вниманию проект по созданию компактного контактного термометра, который можно использовать в научных исследованиях, на производстве, в медицине и быту. Этот прибор отличается простотой сборки, широким диапазоном измерений, а также высокой стабильностью показаний как во времени, так и при изменении внешних условий.
Принцип работы устройства
В основе работы прибора лежит измерение разностного сигнала, который содержит информацию о температуре. Этот сигнал формируется на выходе дифференциального усилителя (А1) и описывается формулой: Uin = (I1 * Rt - I2 * Rэ) * Ku, где I1 и I2 — токи от генераторов, Rэ — сопротивление эталонного резистора, а Rt — сопротивление датчика температуры, которое меняется при нагреве или охлаждении. Коэффициент Ku является масштабным множителем.
Сформированный сигнал поступает на вход интегрирующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Выходной код этого преобразователя вычисляется по формуле: Nx = No * (Uin / Uo). Здесь Uo — это опорное напряжение, а No — конструктивный параметр самого АЦП. Таким образом, точность всего термометра в конечном итоге зависит от стабильности и точности резисторов Rэ и Rt. Результат измерения в цифровом виде отображается на жидкокристаллическом индикаторе.
На рисунке представлена блок-схема, иллюстрирующая общую структуру термометра.
Здесь показана принципиальная электрическая схема прибора, на которой можно увидеть все основные компоненты.
Технические характеристики
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОМЕТРА
Габариты, мм - 100x60x25
Пределы измеряемой температуры, °С – -80…+200
Основная погрешность измерения, °С – +0,1
Дополнительная погрешность при изменении температуры окружающей среды от -5 °С (до +50°С), °С – +0,05
Показатель тепловой инерции, град., – не более 3
Потребляемый ток, мА, – не более 3.
Описание схемы и компонентов
Рассмотрим принципиальную схему подробнее. В качестве генераторов стабильного тока используется транзисторная сборка полевых транзисторов К504НТЗВ, работающая в термостабильном режиме. Эталонным резистором служит R4. Разностный усилитель собран на операционном усилителе DA1 и резисторах R2, R7, R8, R9. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой код применяется микросхема КР572ПВ5 в стандартном включении. Опорное сопротивление формируется потенциометром R9 и резистором R5. Подсветка запятой на индикаторе, разделяющей целые и десятые доли градуса, осуществляется с помощью транзистора VT2. Потенциометр R9 используется для первоначальной калибровки прибора.
Монтаж выполнен на двусторонней печатной плате из стеклотекстолита размером 60x100 мм. В конструкции рекомендуется использовать конденсаторы К10-17 (С1, С5, С7), К53-1А (С2) и К73-16 для остальных. Постоянные резисторы R1—R8, R10—R15 подойдут типа С2–29В или МЛТ мощностью 0,125 Вт, а потенциометр R9 — СП5-2ВА.
Изготовление датчика температуры
Особенностью данного термометра является самодельный датчик температуры. Его основой служит низкоомный резистор МЛТ-0,25. С него удаляют покрытие и гальваническим способом наращивают медный слой толщиной около 0,5 мм. Затем симметрично делаются прорези, удаляются боковые колпачки, и в отверстие вставляется направляющий стержень (например, портновская булавка), покрытый термостойким компаундом. Этим же компаундом заполняют прорези.
Конструкция термодатчика: 1 — слой компаунда ЭП-773, 2 — стержень направляющий, 3 — бифилярная обмотка (провод ПЭТВ-0,03 ø 1,1), 4 — втулка керамическая (от низкоомного резистора МЛТ-0,25), 5 — ламель медная (2 шт.), 6 — державка (стеклотекстолит), 7 — кабель КММ-2.
Качество изготовления контролируется измерением сопротивления изоляции между ламелями и между ламелью и стержнем — оно должно быть не менее 20 МОм. На стержень бифилярно наматывается провод ПЭТВ-0,03 длиной чуть более 2 метров, после чего конструкция подвергается термотренировке при 180°C в течение 6 часов.
Сопротивление обмотки при 0°C должно составлять 49,9 Ом. Для других температур его значение рассчитывается по формуле: Rt = 49,9 * (1 + 0,00428 * t). Измерять сопротивление рекомендуется по четырехпроводной схеме с помощью точного цифрового вольтметра. После доведения сопротивления до нужного значения, концы обмотки припаиваются к ламелям, конструкция соединяется с кабелем КММ-2, помещается в державку и заливается компаундом ЭП-773.
Чертеж печатной платы из двустороннего фольгированного стеклотекстолита.
Схема расположения деталей на плате при монтаже.
Настройка и калибровка
Термометр, собранный из исправных элементов, не требует сложной настройки. Калибровка выполняется с помощью потенциометра R9 в точке с точно известной температурой. Подбор резисторов, отмеченных «звездочкой» на схеме, может потребоваться только для достижения максимальной термостабильности работы прибора.
В. БЕЛЫЧЕВ,
г. Санкт-Петербург