Цифровой термометр

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Общие сведения о цифровых термометрах

1.1 Принцип построения цифрового термометра

1.2 Принципиальная схема цифрового термометра

1.3 Бытовой цифровой термометр

Глава 2. Методика калибровки прибора

Глава 3. Оценка неопределенности результатов измерения

Заключение

Литература

Введение

Термометры комнатные или уличные, автомобильные или офисные используются в быту каждый день. В наши дни цифровая техника вытесняет спиртовые, пружинные и ртутные термометры. Погрешность показаний и срок эксплуатации современных цифровых термометров зависит от назначения прибора и от их производителя. Основная часть цифровых термометров производится на специализированных жидкокристаллических дисплеях. В перспективе, если реализовать питание прибора от солнечных батарей совместно с аккумуляторами, эксплуатация термометра будет достаточно длительной.

Предел измерений температуры составляет -60…+100 С. Термометр можно использовать ночью, поскольку индикация температуры основана на светодиодах.

Глава 1. Общие сведения о цифровых термометрах

1.1 Принцип построения цифрового термометра

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. 36). 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 R 12.

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 R 14 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. 37,а приведено расположение деталей и проводников на стороне размещения микросхем, а на рис. 37,6 - 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 RIO, R12 - СПЗ-19а.

Плата установлена в пластмассовый корпус промышленного изготовления с габаритами 30 х 72 х 132 мм.

Оформление датчика температуры зависит от предполагаемых областей использования термометра. Возможен, например, вариант, показанный на рис. 38. 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 [б]. 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%/°С 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. 39 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 R 19 - 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 R 14 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 R 17.

Недостатками такого варианта термометра является необходимость подключения датчика, включающего в себя микросхему и диод, трехпроводным кабелем и относительно большие габариты датчика.

1.2 Принципиальная схема цифрового термометра

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

Цифровой термометр предназначен для измерения температуры в диапазоне от 0 до 99,9 °С. От известных конструкций его отличает довольно широкий диапазон измеряемых температур, простота конструкции и налаживания.

Недостатком термометра является невозможность измерения отрицательных температур.

Предлагаемый цифровой термометр имеет следующие 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 136Х100Х50 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.



Ее можно взять здесь (57 Кб). 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. Схема блока питания - здесь (20 Кб). Опорные напряжения формируются стабилитронами VD2--VD6. Сердечник трансформатора питания инеет сечение 2,5 см2. Его первичная обмотка намотана проводом ПЭВ 0,1 и содержит 5000 витков. Вторичные обмотки II и III намотаны проводом ПЭВ 0,14 и содержат 2х400 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.

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 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)

и на третьей, с габаритами 130х40 мм, собран блок питания, включая и трансформатор (рис. 7).

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.

1.3.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.

Терморезистор (сопротивление)	Температура, C	Напряжение, мВ
		на выводах АЦП	Uобр	Uвх	Uо	Uт	Uк
		36	35	30	31
TP-4 (1ком)	175 150 100 50 25 0 -20 -50	423 428 442 466 488 525 578 803	341 337 325 306 287 259 217 38	144 150 166 196 220 259 317 566	288 287 283 276 270 259 244 182	82 91 117 160 201 266 361 765	144 137 117 80 50 0 -73 -384	279 278 276 270 268 266 261 237	1 7 24 58 85 130 195 475	144 143 142 138 135 130 122 91
ММТ-4 (1,3 ком)	125 100 50 25 0 -20 -40	422 437 465 489 526 577 640	317 312 295 281 259 229 191	149 159 191 217 259 315 385	286 284 276 269 259 245 227	109 125 170 207 265 348 449	137 125 85 52 0 -70 -158	273 278 274 272 267 262 255	6 17 53 82 130 194 269	143 142 138 135 130 121 116

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.

Диапазон измеряемых температур, °С -55…+125

Разрешающая способность, °С 0.1

Погрешность измерения температуры, °С, в диапазонах:

-55 … +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:

DТ=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

№	Хi	_ Xi	ДXi	ДXi2
1	10.1	10.19	- 0.09	0.0081
2	10.09		-0.1	0.01
3	10.2		0.01	0.0001
4	10.21		0.02	0.0004
5	10.19		0	0
6	10.23		0.04	0.0016
7	10.24		0.05	0.0025
8	10.29		0.1	0.01
9	10.25		0.06	0.0036
10	10.18		-0.01	0.0001

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.

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

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

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

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

Размещено на Allbest.ru