ТЕРМОМЕТР ЦИФРОВОЙ

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.

А. Шамов, Г. Шик
ВРЛ 93.

Схема принципиальная электрическая термометра
Схема принципиальная электрическая блока питания
Принципиальная схема кварцевого генератора
Печатная плата счетчика, генератора, индикатора
Печатная плата преобразователя температура - частота
Печатная плата блока питания

Литература

1. Алексиев Д. Медицинский термометр. —Радио, 1981, № 9, с. 68.
2. Цифровой термометр. —Радио, 1982, № 4, с. 58.
3. Б р он штейн 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 микромощиых интегральных схемах.— В помощь радиолюбителю. Вып. 72, с. 57.