Анализ измерительных схем термометров для измерения план: Схема эленктронного термометра

АНАЛИЗ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СХЕМ ТЕРМОМЕТРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

План:

1. Схема эленктронного термометра
2. Принципиальная схема термометра
Схема электронного термометра на 0-100 градусов по Цельсию с линейной шкалой, в качестве индикатора - мультиметр М-832, включенный на предел 200мВ. Погрешность измерения не хуже - 0,05 С° в интервале температур 0±100 С°.
Было принято решение в качестве термодатчика использовать кремниевый диод, так как падение напряжения на р-п переходе обратно пропорционально температуре (при условии что ток через диод остается неизменным).
Я использовал диод КД103, имеющий температурный коэффициент -2,01тV/С° (т.е. при увеличении температуры на 1С° падение напряжения на диоде уменьшается на 2,01 mV).
После испытания нескольких подобных схем из популярной литературы было решено самому проектировать схему, так как ни одна из этих схем не обеспечивала погрешность ниже 0,5С° по следующим причинам:

1. 
   Постоянный ток через диод везде задавался простым постоянным резистором с номиналом от 10 до 47К, полученной таким образом стабильности тока было явно недостаточно для обеспечения заданной точности.
   
2. 
   В большинстве схем для задания постоянного напряжения использовался обычный параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне, напряжение стабилизации которого так же зависит от температуры (хотя и слабо) что также вносило свой вклад в погрешность.
   
3. 
   Почти во всех случаях сигнал от термодатчика предварительно усиливался инвертирующим усилителем, у которого на прямойвход подавалось напряжение смещения близкое к падению напряжения на диоде при погружении его в таящий лед, причем это напряжение бралось, как правило, от простого параметрического преобразователя. Поэтому в силу наличия теплового дрейфа напряжения смещения операционного усилителя и температурной зависимости напряжения стабилизации стабилитрона, не удалось получить заданной точности при применении имевшихся в распоряжении ОУ (КР140УД608, 741, К140УД17А, К157УД2).
   

Учтя все выше сказанное и проведя ряд экспериментов, было принято решение о принятии следующих мер:

1. 
   Необходимо построить двухполярный источник стабильного напряжения с возможно большим коэффициентом стабилизации и с возможно меньшей зависимостью выходного напряжения от температуры.
   
2. 
   Необходимо как можно сильнее стабилизировать ток через диод (термодатчик).
   
3. 
   Так как чувствительность диода -2,01 тV/С°, то при температуре 100 С° разность эталонного напряжения (падение напряжения на диоде при 0 С°, которое у моего диода 671 mV) и падения напряжения на диоде составляет примерно 201 mV, поэтому было принято решение отказаться от различных промежуточных каскадов на ОУ и поставить простой высокоомный делитель напряжения образованный двумя постоянными резисторами на 100К и одним подстроечным резистором на 10К (для точной подстройки).
   
4. 
   А так как сопротивление диода при выбранном токе (1,134 мА) составляет не более 600 Ом и учитывая входное сопротивление мультиметра на выбранном пределе измерения не менее 1Мом, полученная цепочка не внесла какого либо заметного вклада в погрешность.
   

Принципиальная схема
В результате была спроектирована и построена схема, показанная на Рис.1. Немного поясню работу схемы.

Рис. 1. Принципиальная схема термометра-приставки к мультиметру.
Для получения стабильного двухполярного напряжения для питания генератора тока и ИОН (источник опорного напряжения), используется компенсационная схема, на элементах А1, А2, R1, R2, R3, VТ1, в которой в качестве ИОН работает интегральный стабилизатор КР142ЕН8Б выдающий достаточно стабильное напряжение с незаметной температурной зависимостью.
Резисторы R1, R2, R3 задают потенциал, сравнивающийся компаратором А1 с нулевым потенциалом схема (потенциал на 3 выводе ОУ А1) и в случае их неравенства на выводе 6 А1 появляется положительный либо отрицательный потенциал который управляет управляющим элементом VТ1 (закрывая либо открывая его).
Таким образом, если при помощи подстроечного резистора R2 выставить на эмиттере VТ1 напряжение, равное напряжению на выходе интегрального стабилизатора, получим отличный двухполярный источник стабильного напряжения ±12V (часто использую эту схему, и она меня не подводила ни разу).
На ОУ АЗ построен генератор стабильного тока (Іст=1,134mA) для питания диода-термодатчика VD1. В нем выходной ток определяется значением сопротивления R7 и напряжением на выводе 3 АЗ, а так как изменение сопротивления R7 от температуры ничтожно мало, а напряжение на выводе 3 АЗ задается интегральным стабилизатором А2 имеющим очень низкий температурный дрейф, то отсюда следует что. в рабочем интервале температур, значение выходного тока (тока через диод) практически не зависит от температуры.

Рис. 2. Схема усилителя постоянного тока НА ОУ.

Рис. 3. Схема блока питания для приставки-термометра.
Так как требуется, чтобы показания мультиметра соответствовали реальной температуре (1тV=1С°), нужно задать эталонное напряжение равное падению напряжения на диоде при t=0C.
Это эталонное напряжение устанавливается делителем напряжения на резисторах R9, R10, R11. где резистор R10 служит для грубой подстройки, а резистор RH-для точной.
На резисторах R8, R12, R13 построен делитель напряжения для согласования показаний мультиметра и реальной температуры, где подстроечный резистор R13 служит для точной установаки коэффициента деления.
Детали
Все ОУ можно заменить на К140УД17, 741 и др. аналогичные. В роли термодатчика можно использовать другие кремниевые маломощные диоды, например КД521.
Для получения ±15V я использовал схему, показанную на Рис. 3. Сетевой трансформатор необходимо выбрать с напряжением на вторичной обмотке 10-12V.
Диоды VD2,VD3 китайские выпрямительные маломощные неизвестной марки (подойдут любые выпрямительные). Питание схемы можно снизить до ±7...12V заменив 12-вольтовую КРЕНку на 5-вольтовую и уменьшив сопротивление резистора R7 до 2,ЗК, в этом случае схему можно запитать от 2-х 9-й вольтовых батареек типа «Крона».
Налаживание
Настройка данного прибора несложная, скорее я бы сказал, что это очень интересный и познавательный процесс. Подключив вывод В к СОМ разъему мультиметра, а вывод А к разъему V мультиметра, устанавливаем ползунок резистора R13 в верхнее по схеме положение, а ползунки резисторов R10 и R11 в нижнее.
После чего помещаем диод VD1 в таящий лед (снег) и сперва грубо резистором R10, а затем точно резистором R11 добиваемся того, чтобы вольтметр показал «00,0mV». Затем помещаем диод в кипящую воду и подстройкой резистора R13 выставляем на вольтметре «100mV» и проверяем термометр еще по нескольким контрольным точкам (например температура человеческого тела 36,6С) и в случае небольших расхождений добиваемся подстройкой R13 наименьшего отклонения показаний от их истинных значений.
Если уровня выходного сигнала в 100мВ не достаточно, его можно поднять, дополнив схему усилителем постоянного тока показанного на Рис.2.
Эта схема при подстройке резистора R15 обеспечивает усиление сигнала в 10 раз, но необходимо учесть что точность измерения в этом случае падает по причине присутствия температурного дрейфа напряжения смещения ОУ А4.
Орлов А. В. РК-02-08.

• 
  PCBWay - всего $5 за 10 печатных плат, первый заказ для новых клиентов БЕСПЛАТЕН.
  
• 
  Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет.
  
• 
  Проекты с открытым исходным кодом - доступ к тысячам открытых проектов в сообществе PCBWay!
  

4
5
1 2190