Датчиком температуры описываемого прибора служит кремниевый диод. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) для кремниевых диодов практически постоянен в диапазоне -60...+100°. Главным отличием этого варианта термометра от опубликованных ранее в литературе, в которых в качестве основного элемента использовался аналого-цифровой преобразователь (АЦП) КР572ПВ2 (К572ПВ2) или КР572ПВ5, заключается в том, что в нем нет операционных усилителей (ОУ), служащих для каких-либо преобразований сигнала датчика температуры.<!--more-->
Автор утверждает, что сравнительная простота и неплохие технические параметры этого прибора могут вызвать определенный интерес, так как главным отличием этого варианта термометра от опубликованных ранее в литературе [1, 2], в которых в качестве основного элемента использовался аналого-цифровой преобразователь (АЦП) КР572ПВ2 (К572ПВ2) или КР572ПВ5, заключается в том, что в нем нет операционных усилителей (ОУ), служащих для каких-либо преобразований сигнала датчика температуры.
Это:
- во-первых, упрощает входные цепи термометра,
- во-вторых, позволяет избежать дополнительных погрешностей, неизбежно возникающих в основном за счет температурного дрейфа напряжения смещения ОУ при значительных изменениях температуры окружающего воздуха.
Упомянутые выше АЦП обладают высоким входным сопротивлением, широким динамическим диапазоном входных сигналов и могут быть непосредственно подключены к датчику температуры, если, конечно, он имеет хорошую линейность во всем диапазоне измеряемых температур [3].
Датчиком температуры описываемого прибора служит кремниевый диод. При этом используется линейная зависимость падения напряжения на нем от температуры при фиксированном прямом токе смещения. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) для кремниевых диодов практически постоянен в диапазоне -60...+100°С и составляет -2...-2,5 мВ/°С - в зависимости от типа диода и значения тока смещения [4]. Как показали исследования, практически любой кремниевый диод или транзистор может быть использован как линейный температурный преобразователь в диапазоне от -55°С до+125°С [5].
Основные технические характеристики термометра:
- Интервал измеряемой температуры, °С..........-50...+120
- Разрешающая способность, °С......0,1
- Погрешность измерения, °С:
- на краях рабочего интервала.....±0,7
- в средней части рабочего интервала, не хуже......................±0,3
- Диапазон изменения температуры окружающего воздуха, °С.......0...50
- Напряжение источника питания, В ... .9
- Потребляемый ток, мА, не более .... 1,5
Датчик термометра, функцию которого выполняет диод VD1, питается от источника тока, выполненного на полевом транзисторе VT1. С анода датчика сигнал, линейно зависящий от измеряемой температуры, через фильтр помех R5C1 поступает на вывод 30 инвертирующего входа микросхемы DD1 (поскольку ТКН диодного датчика отрицателен). Принципиальная схема цифрового термометра приведена на рис.1.
Рис.1.
Принципиальная схема цифрового термометра на КР572ПВ5
В качестве источника стабильного напряжения, питающего цепи, определяющие точность термометра, используется разность напряжений между выводами 1 и 32 D01, которая поддерживается внутренним стабилизатором АЦП на уровне 2,8 ± 0,4В. Температурный коэффициент этой разности напряжений равен примерно 10"4-К~' [6]. Чтобы свести к минимуму влияние этого ТКН на процесс измерения, в прибор введен еще один источник тока - на транзисторе VT2. Он питает подстроенные резисторы R3 и R4, служающие для калибровки термометра.
Транзистор VT3 обеспечивает индикацию десятичной точки во втором разряде ЖКИ HG1. Источником питания прибора может быть батарея "Корунд" или аккумуляторная батарея 7Д-0.125. Работоспособность термометра и все его параметры сохраняются при снижении напряжения источника питания до 6,8 В.Конструкция датчика температуры зависит от используемого диода. Для диода КД102А она может быть заимствована из [7]. Резисторы R1 и R2 лучше взять типа С2-29В; подстроечные R3 и R4 - СП5-2, остальные - МЛТ-0,125. Конденсаторы С3 и С4 - К71-5, К72-9, К73-16; С6 -оксидный К52-16; остальные могут быть любого типа.
Перед установкой транзисторов VT1 и VT2 желательно найти их термостабильные рабочие точки. Для этого транзистор вместе с резистором между затвором и стоком нужно подключить через миллиамперметр к источнику стабилизированного напряжения 2,8В и изменить температуру транзистора, касаясь его корпуса сначала горячим, затем холодным металлическим предметом. Подбором резистора добиться наименьшего изменения тока стока в диапазоне температуры 0...50°С. Номиналы подбираемых резисторов R1 и R2 могут значительно отличаться от указанных на схеме. Ток стока транзисторов VT1 и VT2 должен быть в пределах 200...300 мкА.
В домашних условиях настраивать термометр удобнее всего по температуре таяния льда и кипения воды. Предварительно движок резистора R3 следует установить в положение, соответствующее напряжению на нем 0,57...0,6В, а движок резистора R4 - 0,21 ...0,23В. Измеряя датчиком температуру воды тающего льда, установите резистором R3 нулевые показания индикатора прибора. Затем, поместив датчик в кипящую воду, резистором R4 устанавливают показания, равные температуре кипения воды при данном атмосферном давлении. Такую процедуру настройки следует повторить несколько раз.
Если термометр не предполагается использовать в условиях значительных колебаний температуры окружающего воздуха, то без особого ущерба для точности измерений можно исключить источник тока VT2R2. А если и интервал измеряемых температур будет значительно уже, чем указанный в технических характеристиках, то можно исключить и источник тока VT1R1. При замене их резисторами сопротивлением 6,2 кОм режим работы прибора (токи через датчик VD1 и резисторы R3, 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 подстроечных резисторов R3, R4.
Для поиска термостабильной точки собери вот такую схемку. Слегка нагреваем транзистор (например, подносим паяльник) и смотрим, куда и насколько плывёт ток. В каком-то положении подстроечника ток практически не будет меняться: это и есть термостабильная точка.
Экспериментируя с термометром, не следует забывать, что неточность в выборе режимов транзисторов VT1, VT2 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-n 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.
В схеме были исправлены ошибки по 26 выводу микросхемы и номиналов резисторов R3 и R4.
Литература:
1.Хоменков М., Зверев А. Цифровой термометр. - Радио, 1985, № 1, с. 47-49.
2. Суетин В. Бытовой цифровой термометр. -Радио, 1991, № 10, с. 28-31.
3. Вюрцбург, Хадли. Цифровой термометр, не имеющий температурного дрейфа. - Электроника, 1978, № 1, том 51, с. 78-80.
4. Коноплев П., Мартынюк А. Термометр с линейной шкалой. - Радио, 1982, № 7, с. 37.
5. Josep J. Carr. Temperature measurement. - Radio-Electronics. November, 1981, № 11, volume 52, p. 57-59.
6. Путников В. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 257.
7. Власов Ю. Электронный термометр. - Радио, 1994, № 12, с. 39.
В. Цибин Радио 1996, №10, с.40.
