Электронный измеритель-регулятор температуры (стр. 1 из 9)
Введение
Электроника является универсальным и исключительным средством при решении проблем в самых различных областях. Сфера её применения постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без неё. Функции устройств становятся всё более разнообразными. Наилучшим радиотехническим устройством является то, которое можно и не замечать, но оно при этом само будет выполнять все необходимые функции. Одним из таких является электронный термометр.
Очень важно не только контролировать температуру, но и управлять ею. Например, в промышленности для получения качественного асфальта нужно постоянно поддерживать температуру на уровне 500С. В сельском хозяйстве при сушке зерна и травяной муки также актуален контроль за температурой окружающей среды. В птицеводстве в инкубаторах изменение температуры даже на один градус может привести к порче огромного числа яиц, что приведёт к значительным финансовым потерям. Тоже самое может произойти и, например, с продуктами если температура в холодильной камере станет повышаться. А в медицине скачки температуры в стерелязационной камере и вовсе могут привести к печальным последствиям.
Существует множество разновидностей термометров: ртутный, где указателем уровня измеряемой температуры является ртуть, у которой коэффициент линейного расширения изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, также нашел применение термометр, датчиком температуры у которого служит термопара и много других. Каждый из них имеет ряд недостатков. Например, ртутный недостаточно точен, а в случае раскола колбы произойдёт утечка ртути, которая очень опасна для здоровья людей. Поэтому темой настоящего дипломного проекта является разработка безопасного термометра, который предназначен для измерения температуры объекта и управления нагревательными элементами при достижении температуры порогового значения. Применение аналого-цифрового преобразователя КР572ПВ2А позволило создать довольно несложное устройство способное регулировать температуру в широком интервале значений и поддерживать её с высокой точностью.
1. Обоснование выбора электронного термометра
1.1 Обзор возможных вариантов построения принципиальной схемы электронного термометра
Обзор начнём с универсального электронного термометра, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Принципиальная схема универсального электронного термометра
Датчиком температуры термометра служит термопара «хромель–алюмель», сваренная из проволочек диаметром 0,2 мм. Величина создаваемой термопарой ЭДС пропорциональна, как известно, разности температур «горячего» и «холодных» ее концов. В электронном термометре, о котором идет речь, предусмотрена автоматическая компенсация температуры холодных концов термопары tК («комнатной») с тем, чтобы измерительный прибор показывал температуру объекта t, а не ее разность: t-tк.
Он состоит из измерительного моста (VТ1, VТ2, RК1, R1-R5), стабилизатора напряжения его питания (VТЗ, VT4, R6), термопары ВК1, усилителя напряжения (DА1, DА2, R7-R11, SА1), микроамперметра РА1, выключателя питания SА2 и источника питания GВ1.
В нижние плечи измерительного моста включены медный терморезистор RК1 и резистор RЗ, в верхние – стабилизаторы токов этих резисторов на транзисторах VТ1 и VТ2, а в его измерительную диагональ – термопара ВК1 и неинвертирующие входы микросхем DА1, DА2 усилителя напряжения. Благодаря очень большому входному сопротивлению усилителя ток в измерительной диагонали практически отсутствует, и на его входное напряжение (Uвх) не влияет падение напряжения на резисторах RЗ, RК1 и проводниках термопары. Холодный спай термопары должен находиться в корпусе термометра.
При изменении температуры tк (при постоянной t) напряжение на терморезисторе RК1 (URK1) и ЭДС термопары Е меняются в противофазе так, что их сумма всегда остается постоянной. Чтобы нуль на шкале измерительного прибора РА1 соответствовал температуре ОС и показания термометра не зависели от температуры напряжение на резисторе RЗ устанавливается равным UR3=URK10=К/LRK1(1.1), где URK10 – напряжение на RК1 при tК=0 °С; К – коэффициент термоЭДС термопары; LRK1 – температурный коэффициент сопротивления резистора RК1. Зависимость (1.1) справедлива при соблюдении неравенства: LRK1>> LR3 (1.2). Это условие легко выполнить, если RК1 намотать медным проводом, а в качестве RЗ использовать резистор МЛТ. При соблюдении требований (1.1) и (1.2) входное напряжение Uвх=К*1 (1.3). Это же напряжение будет приложено к резистору R8 (в диапазоне измеряемых температур 0…10СГС) или к резистору R9 (в диапазоне 0… 1000 °С), поскольку ОУ DA1 включен по схеме повторителя напряжения, а ОУ DА2 – по схеме неинвертирующего усилителя. Следовательно, ток в цепи обратной связи РА1, R10 будет равен: Iос=Uвх/R, где R – сопротивление резистора R8 или R9. С учетом равенства (1.33) Iос=К*t/R, т.е. ток через микроамперметр РА1 прямо пропорционален температуре объекта t.
В качестве РА1 использован микроамперметр на 100 мкА. Резистор RК1 намотан на пластинке из текстолита 20x10 мм толщиной 1 мм изолированным медным проводом диаметром 0,1 мм до сопротивления 60…100 Ом. Транзистор VТЗ включен как стабилизатор напряжения измерительного моста. Его функции может выполнять любой маломощный кремниевый транзистор с напряжением пробоя перехода база – эмиттер ниже 7 В. Транзисторы VТ1, VТ2, VТ4 – любые маломощные полевые транзисторы с р-п переходом. Напряжение отсечки VТ1, VТ2 – не более 4 В, а VТ4 – не более 2В. Сумма напряжения отсечки транзистора VТ4 и напряжения стабилизации транзистора VТЗ должна быть меньше напряжения батареи GВ1 и чем меньше эта сумма, тем при более глубоком разряде батареи термометр сохранит работоспособность.
Микромощные ОУ применены только из соображений минимального энергопотребления. При питании термометра от сети в качестве DА1, DА2 желательно применить прецизионные ОУ. Подстроечные резисторы R2, R5, R8, R9 – многооборотные – СП5–2В или другие им подобные. Остальные резисторы-МЛТ – 0,125.
Налаживание термометра начинают с расчета напряжения UR3. Для термопары «хромель–алюмель» К=4,065*10-2мВ/°С. Для меди LRK1=4,3–10-3/°С. Пользуясь равенством (1.1), получаем UR3 =4,065 – 10-2/ 4,3–10-3=9,453 мВ. Далее, замкнув выключатель SА2, параллельно резистору RЗ подключают вольтметр (желательно цифровой) и резистором R5 устанавливают рассчитанное напряжение с максимально возможной точностью. После этого переключатель SА1 переводят в положение «100:", опускают спай термопары в сосуд с тающим льдом и резистором R2 устанавливают стрелку микроамперметра РА1 на 0. Если у резистора R2 или R5 не хватает пределов регулирования, то следует заменить соответственно резистора R1 или R4. Затем опускают спай термопары в сосуд с кипящей водой и резистором R8 устанавливают стрелку РА1 на последнее деление шкалы – 100 мкА. Далее, не вынимая термопару из кипящей воды, переводят переключатель SА1 в положение «1000°» и резистором R9 устанавливают стрелку РА1 в положение 10 мкА. На этом налаживание заканчивают.
При эксплуатации прибора зашкаливание стрелки РА1 на пределе измерения 100 °С при комнатной температуре говорит о разрядке батареи питания GВ1 и необходимости ее замены. Максимальное напряжение питания термометра определяется допустимым напряжением питания ОУ (для микросхем К140УД12 UMAX=15В) или допустимым напряжением сток-затвор транзистора VТ4 плюс напряжение стабилизации перехода база–эмиттер транзистора VТЗ Минимальное напряжение питания равно сумме напряжения стабилизации VТЗ и напряжения отсечки транзистора VТ4 (у автора UMINсоставляло 7,5 В). Ток, потребляемый термометром, – 0,6…0,9 мА.
При измерении отрицательных температур следует поменять местами концы подключения термопары к термометру.
Термопара «хромель-алюмель» применена автором из-за ее высокой рабочей температуры (до 1300 °С). Если предел измеряемых температур не превышает 500С, то можно взять термопару «хромель–копель» или сварить термопару из другой, имеющейся в наличии, пары металлов (сплавов). Очевидно, что новая пара будет иметь уже другую величину коэффициента термоЭДС К и соответственно другое значение UR3 Величину коэффициента К можно рассчитать, взяв из справочника величины термоЭДС этих металлов в паре с платиной и вычесть их друг из друга, или определить значение К экспериментально. Для этого термопару следует подключить к цифровому милливольтметру и поместить её спай сначала в сосуд с тающим льдом, а затем в сосуд с кипящей водой, записывая каждый раз показания вольтметра (с учётом знака). Затем нужно найти разность полученных значений и разделить её на 100.
Ещё одной разновидностью термометров является простой цифровой термометр, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.2.
Термометр может измерять температуру от -60 до +120 °С, погрешность не превышает ±0,2 °С в диапазоне О…40 °С и в два раза больше за его пределами.
Рис. 1.2. Принципиальная схема простого цифрового термометра
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 НG1. 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 560…650 мВ и линейно уменьшается с ростом температуры.