Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №5

Термометр цифровой

А. Шамов, Г. Шик

Цифровой термометр предназначен для измерения температуры в диапазоне от О до 99,9 °C. От известных конструкций, его отличает довольно широкий диапазон измеряемых температур, простота конструкции и налаживания. Недостатком термометра является невозможность измерения отрицательных температур. Термометром можно быстро и точно измерить температуру тела человека, температуру растворов, воды, воздуха, фоторастворов.

Предлагаемый цифровой термометр имеет следующие технические характеристики:

Функциональная схема термометра показана на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема термометра

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.

Рис. 2. Принципиальная схема термометра

За основу устройства взят преобразователь температура — частота в электронном термометре с непосредственным отсчетом. Температурная зависимость падения напряжения на р-n 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 °C: 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 термостабилизированным 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 КНОУД8Б, 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. Опорные напряжения формируются стабилитронами VD2-VD6. Сердечник трансформатора питания имеет 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.

Рис. 3. Принципиальная схема блока питания от

Для увеличения точности измерения во всем диапазоне 0…99,9 °C можно использовать кварцевый генератор секундных импульсов, схема которого показана на рис. 4.

Рис. 4. Принципиальная схема кварцевого генератора

Задающий генератор собран на микросхеме DD1 в одном корпусе с двумя делителями частоты. Коэффициент деления первого делителя равен 2⁹, а второго 2⁶. Генератор с кварцевым резонатором Z1 формирует последовательность импульсов частотой 2¹⁵ Гц (32 768 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 С3 в преобразователе температура — частота позволяет снизить погрешность измерения в диапазоне 0…99,9 °C до 0,1 °C и менее. Время индикации показаний в этом варианте составляет 1 с.

Конструкция и детали. В термометре применены постоянные резисторы MЛT 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 °C, можно использовать ОУ КНОУД8Б. 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 °C, 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).

Рис. 5. Печатная плата генератора, счетчика и индикатора

На второй, с габаритами 80x40 мм, собран преобразователь температура — частота (рис. 6) и на третьей, с габаритами 130х40 мм, собран блок питания, включая и трансформатор (рис. 7).

Рис. 6. Печатная плата преобразователя температура-частота

Рис. 7. Печатная плата блока питания

Платы с помощью уголков крепятся к основанию из гетинакса толщиной 3 и размером 130х1х90 мм. Все три платы размещены в корпусе размером 135х100х50 мм, спаянном из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм. Окно для считывания показаний на лицевой стороне корпуса термометра закрыто оргстеклом сине-зеленого цвета. Кабель датчика наматывается на выступы на задней стенке термометра. Там же выводится и кабель питания прибора. Для калибровки термометра использовались цифровой частотомер 43–32 и цифровой промышленный термометр. При использовании простых термометров и частотомеров точность настройки может достигать 0,3…0,5 °C.

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 °C (кипящая вода), одновременно контролируя температуру термометром. Резистором R14 устанавливают выходную частоту 1000 Гц. Затем датчик охлаждают до 0 °C (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 °C, равным 99,9. После этого проверя ют линейность устройства во всем диапазоне. При необходимости настройку повторяют.

Универсальный регулятор мощности

В. Гребенщиков, В. Амелин

Предлагаемый вниманию радиолюбителей универсальный регулятор мощности (УРМ) предназначен для плавной регулировки мощности в нагрузке до трех киловатт. С его помощью можно поддерживать постоянными температуру, освещенность и другие параметры.

Возможность регулирования больших мощностей весьма актуальна при конструировании ЦМУ или создании мощных термостабилизаторов.

Универсальный регулятор мощности состоит из генератора пилообразного напряжения, устройства управления тиристором, дифференциального каскада для поддержания постоянной температуры (или освещенности) и блока питания. Принципиальная схема УРМ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема универсального регулятора мощности

Генератор пилообразного напряжения собран на транзисторе УЗ с RC цепочкой (R3R5C1) и стабилитронах V1 и V2. Принцип его работы следующий: конденсатор С1 периодически заряжается через резисторы R1 и R5, а затем быстро разряжается через транзистор УЗ в то время, когда он открыт. Постоянная времени цепи R3R5C1 выбрана такой, что за время одной полуволны выпрямленного напряжения конденсатор С1 успевает зарядиться лишь до напряжения +15 В. На конденсаторе получается напряжение, близкое к пилообразному и синхронированное с напряжением сети. Синхронизация обеспечивается отрицательными импульсами, снимаемыми с делителя напряжения R1R2 и стабилитронов V1, V2, открывающих транзистор V3 в конце каждого полупериода пульсирующего выпрямленного напряжения. На рис. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу генератора пилообразного напряжения и схемы управления тиристором. Стабилитроны V4, V5 предохраняют по следующие каскады от перегрузок по напряжению. Транзистор V6, включенный по схеме эмиттерного повторителя, служит для согласования.

Рис. 2. Временные диаграммы напряжений:

_{а — генератора пилообразного напряжения; б — устройства управления тиристором при верхнем положении движка резистора R5; в — устройства управления тиристором при нижнем положении движка резистора R5}

Устройство управления тиристором состоит из дифференциального каскада, собранного на транзисторах V7 и V8, и усилителя тока, выполненного на транзисторе V9. Это устройство вырабатывает прямоугольные импульсы, длительность которых меняется в зависимости от напряжения на базе транзистора V8 и пилообразного напряжения, поступающего на базу транзистора V7. В течение каждой полуволны выпрямленного напряжения тиристор включается на большее или меньшее время, благодаря чему и достигается плавная регулировка мощности.

Для поддержания постоянной температуры или освещенности используется дифференциальный каскад, собранный на транзисторах V11 и V12, в одно плечо которого включен терморезистор R10, а в другое — переменный резистор R15, задающий нужную температуру. С повышением температуры уменьшается сопротивление терморезистора и соответственно напряжение на базе транзистора V11. Это напряжение сравнивается с напряжением, снимаемым с потенциометра R15. Разность напряжений усиливается дифференциальным усилителем и подается на базу транзистора V8, что приводит к уменьшению выделяемой на нагрузке мощности. С понижением температуры на базу V8 подается меньшее напряжение и соответственно мощность в нагрузке возрастает.

Если необходимо поддерживать постоянную освещенность, вместо резистора R10 устанавливается фоторезистор или фотодиод, включенный в обратном направлении. В этом случае конденсатор С2 следует исключить, а номинал резистора R15 подобрать экспериментально.

При использовании УРМ с ЦМУ можно применять различные схемы фильтров и детекторов. Необходимо только учесть, что для нормальной работы детектированный сигнал должен иметь постоянную составляющую напряжения +8 В. В качестве примера предлагается активный фильтр на трех транзисторах с Т-образным мостом и детектором для одного из каналов ЦМУ (рис. 3).

Рис. 3. Активный фильтр и детектор канала ЦМУ

Генератор пилообразного напряжения и блок питания будут общими для всего устройства, а каскад на транзисторах V11, V12, включая резистор R16, следует исключить. Выход детектора каждого канала необходимо соединить с базой транзистора V8 УРМ соответствующего каскада управления тиристоров, а базы транзисторов V7 УРМ соединить вместе.

Настройку УРМ необходимо начать с тщательной проверки монтажа и только после этого подать питание. Блок питания должен вырабатывать напряжения, указанные в схеме, с точностью ±20 %. Далее следует установить переключатель S1 в положение «Плавно», в качестве нагрузки включить лампу накаливания HI на 220 В, движок потенциометра R5 установить в нижнее по схеме положение. Передвижением движка подстроечного резистора R16 добиться такого положения, при котором лампа находится на пороге загорания, но не светится. При этом на базу транзистора V8 должно быть подано напряжение около +8 В. Затем, передвигая движок потенциометра R5, наблюдать за изменением яркости лампы: в нижнем положении движка лампа гореть не должна, а в верхнем — должна светиться полным накалом. Если плавно регулировать яркость не удается, необходимо подобрать сопротивление резистора R9, однако делать его менее 100 Ом не рекомендуется. После этого можно приступать к проверке работы УРМ в режиме термостабилизации и градуировке шкалы установок температуры. Для этого в сосуд с водой следует поместить какой-либо нагреватель, например кипятильник, термометр и терморезистор. Выводы терморезистора не должны вступать в контакт с водой, места их соединения с проводами можно залить эпоксидной смолой. Затем установить тумблер S1 в положение «Т° пост.», а движок резистора R15 — в верхнее по схеме положение, и опускать его до тех пор, пока не загорится лампа. При этом надо помешивать воду и следить за показаниями термометра. По истечении некоторого времени температура воды должна установиться и более не подниматься. На шкале резистора R15 нанести риску, соответствующую полученной температуре, перемещая движок резистора R15 далее, нанести метки, образующие шкалу установок температуры.

Для проверки работы активного фильтра ЦМУ (см. рис. 3) по постоянному току необходимо замерить напряжение на базе транзистора VI, коллекторе V2 и эмиттере V3. Все они должны быть равными приблизительно половине напряжения источника питания (около + 5 В). Емкости конденсатора С для фильтра рас считываются исходя из формулы

f_рез = 0,16/RC.

Так, для f = 100 Гц С = 0,16 мкФ, для f = 300 Гц С = 0,05 мкФ, для f = 10 кГц С = 1600 пФ. Для согласования работы детектора с регулятором мощности на выход детектора следует подать постоянное смещение + 8 В с помощью подстроечного резистора R12.

УРМ собран из широко распространенных элементов. Транзисторы V3, V6, V7, V8, указанные в схеме, можно заменить на любые другие германиевые транзисторы с аналогичными параметрами. Все постоянные резисторы типа MЛT, переменные — типа СП-I. Необходимо учесть, что резисторы R1 и R3 должны быть рассчитаны на мощность не менее 2 Вт. Электролиты К.50-6, но возможны и другие типы. Транзисторы V11 и V12 необходимо подобрать по коэффициенту усиления. Еще лучше использовать вместо них микросхему К1НТ291 или КШТ591 с любым буквенным индексом. Трансформатор в УРМ — типа ТН12, можно взять и другие понижающие трансформаторы с напряжением вторичной обмотки 13…14 В. Терморезистор СТЗ-14, но можно и другой, подойдет также переход эмиттер-база германиевых транзисторов. В качестве фотодатчика может быть использован фотодиод ФДК226 или фоторезистор СФ2-4. В ЦМУ в качестве развязывающего трансформатора использован согласующий трансформатор от приемника «Альпинист». Если необходимо регулировать мощность до 500 Вт, то вместо тиристора Т25 можно установить тиристор КУ201 или КУ202 с любыми буквенными индексами. Регулируемую мощность каждого канала можно увеличить от 3 до 10 кВт при использовании более мощных диодов, например В25, В50, и тиристоров (Т50, Т100). Схема УРМ при этом не изменится, но может потребоваться снижение номинала резистора R9 до 80…50 Ом, при этом коммутация силовой части прибора (сетевой шнур, диодный мостик V19…V22, цепь тиристора) должна быть выполнена проводом сечением не менее 2 мм², например МГШВ 2,5. К конструкции устройства предъявляются следующие основные требования по безопасности: корпус устройства должен быть изолирован от всех токоведущих частей. Все пайки и соединения должны быть выполнены качественно и надежно. При настройке и эксплуатации УРМ следует соблюдать правила техники электробезопасности, так как цепи УРМ гальванически связаны с сетью. Нельзя производить пайку при включенном питании.