Электронный измеритель-регулятор температуры (стр. 3 из 9)
Если термометр не предполагается использовать в условиях значительных колебаний температуры окружающего воздуха, то без особого ущерба для точности измерений можно исключить источник тока VТ2R2. А если и интервал измеряемых температур будет значительно уже, чем указанный в технических характеристиках, то можно исключить и источник тока VТ1R1. При замене их резисторами сопротивлением 6,2 кОм режим работы прибора (токи через датчик VD1 и резисторы RЗ, R4) практически не изменится. Такое упрощение термометра вполне приемлемо для измерения, например, температуры воздуха внутри жилого помещения. Можно также значительно (в 10… 15 раз) увеличить сопротивление этих резисторов, но тогда придется пропорционально увеличить и сопротивление подстроенных резисторов RЗ, R4.
Экспериментируя с термометром, не следует забывать, что неточность в выборе режимов транзисторов VТ1, VТ2 ухудшает его стабильность работы значительно больше, чем при замене их резисторами.
К сожалению, в случае замены датчика, например, из-за выхода его из строя, неизбежна повторная настройка термометра. Объясняется это значительным разбросом параметров р-п переходов полупроводниковых диодов, Некоторые зарубежные фирмы выпускают диоды и транзисторы специально для использования в качестве датчика температуры. У них хорошая повторяемость параметров и нормированная нелинейность вольт-градусной характеристики. Однако можно заранее подобрать несколько диодов с близкими характеристиками и проверить их на работающем термометре.
Работоспособность описанного термометра в области отрицательных температур окружающего воздуха ограничена только особенностями используемого ЖКИ. Вариант его, собранный на микросхеме КР572ПВ2 и люминесцентных индикаторах, нормально функционировал при температуре -20 °С.
Все рассмотренные виды термометров имеют свои недостатки. Например, в универсальном электронном термометре датчиком служит термопара и несмотря на её большой температурный диапазон, необходимую точность она не обеспечивает. Простой цифровой, цифровой термометры и бортовой термометр-вольтметр хоть и обеспечивают достаточную точность, но в качестве датчика температуры у них применён диод, недостатком которого является большое удельное сопротивление. Поэтому темой дипломного проекта является электронный измеритель-регулятор температуры, датчиком температуры у которого является микросхема К1019ЕМ1, которая имеет линейную зависимость выходного напряжения от температуры.
1.2 Блок-схема ЭИРТ
Блок-схема электронного термометра приведена на рис. 1.5. и фактически состоит из 3 основных составляющих: датчика, непосредственно схемы термометра и естественно схемы питания. Так как прибор расчитан и на аварийное управление влажностью и температурой, то исходя из этого применено два датчика: сухой, который находится в обычной среде и влажный, который находится во влажной среде. Сигнал с выхода одного из датчиков поступает на цифровой вольтметр, который предназначен для преобразования напряжения аналогового сигнала в цифровую форму. Помимо сигнала с датчика на цифровой вольтметр поступает образцовое напряжение с формирователя опорных сигналов. Для отображения результирующего сигнала, напряжение с выхода цифрового вольтметра поступает на четырёхразрядные жидкокристалические цифровые индикаторы. Помимо контроля за температурой электронный термометр ещё и управляет ею. Для этого напряжение подаётся на пороговое устройство, где оно сравнивается с напряжением, соответствующим температуре 38,1С и если оно будет превышать его, то пороговое устройство срабатывает и падаёт сигнал на управляющий элемент, который отключает или включает нагревательное устройство.
2. Разработка принципиальной ЭИРТ
2.1 Обоснование выбора датчиков температуры
Для получения информации об окружающей температуре необходимым звеном любого термометра является датчик температуры окружающей среды. В настоящее время известно значительное количество их видов, каждый из которых позволяет судить о состоянии регулируемого процесса или объекта. Относящиеся к их числу терморезисторы и другие элементы в той или иной мере удовлетворяют требованиям по точности, стабильности, воспроизводимости характеристик, надёжности и т.д. Однако каждому из них присущи недостатки. Например, в качестве датчика температуры можно использовать самые различные комплектующие материалы. Одним из них является медь, у которой удельное сопротивление изменяется прямо пропорционально температуре. Но несмотря на это достоинство, надёжность таких датчиков недостаточна. Применение же термопары, ещё одной разновидности датчиков, технологически сложно. Часто для построения датчика температуры используют свойство р-п-перехода, заключающееся в том, что падение напряжения на нем линейно зависит от его температуры. ТКН р-п-перехода отрицателен и имеет типовое значение 2 мВ/°С. Но и у него есть существенный недостаток-большое его дифференциальное сопротивление (25…30 Ом при токе 1 мА). Поэтому проанализировав все типы датчиков, а также учитывая диапазон заданных температур я пришёл к выводу, что оптимальным датчиком температуры является микросхема К1019ЕМ1.
Эти микросхемы представляют собой термодатчики с линейной зависимостью выходного напряжения от температуры. Они предназначены для работы в устройствах контроля, измерения и регулирования температуры, Микросхемы оформлены в металлостеклянном корпусе КГ-1–9 о гибкими проволочными лужеными выводами (рис. 2.1); масса прибора – не более 1,5 г.
Рис. 2.1.
Датчик по свойствам полобен стабилитрону с малым дифференциальным сопротивлением и со стабильным и нормированным плюсовым температурным коэффициентом напряжения (ТКН). Принципиальная схема м/с К1019ЕМ1 показана на рис. 2.2., Цоколевка: выв. 1 – подключение цепи калибровки; выв. 2 – плюсовой вывод датчика; выв, 3 – минусовый вывод датчика, корпус микросхемы.
Рис. 2.2. Принципиальная схема м/с К1019ЕМ1.
Часто для построения датчика температуры используют свойство р-п-перехода, заключающееся в том, что падение напряжения на нем линейно зависит от его температуры. ТКН р-п-перехода отрицателен и имеет типовое значение 2 мВ/°С.
Недостатком р-п-перехода как датчика температуры является довольно большое его дифференциальное сопротивление (25…30 Ом при токе 1 мА). По этой причине для достижения мало-мальски приемлемых характеристик). датчика р-п-переход необходимо питать от стабилизатора тока. Кроме того, ни у одного диода не нормированы ни сам ТКН, ни его стабильность, что серьезно затрудняет их применение в качестве термодатчиков, особенно е промышленной аппарагуре.
Работа термодатчика К1019ЕМ1 основана на зависимости от температуры разности значений напряжения на эмиттер-ном переходе Uбэ двух транзисторов с разной плотностью эмиттерного тока Эта разность Uбэ при заданном соотношении значений площади эмиттера транзисторов и равном токе через них (это и обеспечивает разную плотность тока) оказывается пропорциональной абсолютной температуре кристалла: UБЭ=(кТк lnМ)/q.
Здесь М=S2/S1 – отношение значений площади эмиттера транзисторов VТ1 и VT2 (см схему на рис. 2.2), к – постоянная Больцмана; Тк – абсолютная температура, q – заряд электрона.
На транзисторах VТ1, VТ2 собран первый дифференциальный усилитель, а на VT9, VT10 • – второй, управляемый сигналами первого. Транзисторы VТЗ–VТ8 образуют два генератора тока, один питает первый дифференциальный усилитель, а другой – второй. На транзисторах VT11 и VT12 собрано «токовое зеркало», служащее динамической нагрузкой второго дифференциального усилителя.
Выходной сигнал с нагрузки второго усилителя через эмиттерный повторитель (VT14) поступает на базу выходного транзистора VТ16 Конденсаторы С1, С2 и резистор R10 обеспечивают устойчивость работы узла.
Условием баланса первого дифференциального усилителя является равенство значений коллекторного тока транзисторов VT1, VТ2. Поскольку площади эмиттерного перехода этих транзисторов различаются в 10 раз, для балансирования усилителя на его вход с резистора RЗ должно быть подано напряжение:
UБЭ=Тк(кln10)/q.
При питании микросхемы током 1…5 мА возникает отрицательная ОС по напряжению с выхода усилителя через делитель R2RЗR4 на его вход. Эта связь устанавливает на выводах 2 и 3 микросхемы напряжение, пропорциональное разности падений напряжения на эмиттерном переходе транзисторов VТ1 и VТ2, с коэффициентом пропорциональности (R2+RЗ+R4)/RЗ.
Поскольку разность UБЭ пропорциональна абсолютной температуре, ей же пропорционально и напряжение на выводах 2 и 3 микросхемы. ТКН датчика, таким образом, равен 10 мВ/К; он является здесь и коэффициентом пропорциональности между выходным напряжением датчика и абсолютной температурой.
Для обеспечения высокой линейности преобразования и малого выходного сопротивления преобразования и малого выходного сопротивления микросхемы (менее 1 Ом) усилитель имеет высокий коэффициент усиления – более 40 000.
Основные электрические характеристики
Ток питания, мА…………………………………………………..1
Выходное напряжение, мВ, при токе питания 1мА и температуре
298К(25С)……………………………………..2952…3012
398К(125С)……………………………………3932…4032
228К(-45С) для К1019ЕМ1…………………..2232…2332
Предельно допустимый эксплуатационный режим
Ток питания, мА…………………………………………0,5…1,5
Рабочий температурный интервал, С…………………. – 45….+125
Благодаря малому дифференциальному сопротивлению датчика его можно питать от источника напряжения (не менее 10 В) через последовательный резистор, сопротивление которого в килоомах должно быть на 3 кОм меньше значения напряжения Uпит в вольтах.