Электронный градусник

Введение

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту и медицине. Реализация этой предпосылки в значительной мере определялась возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе, т.е. возможностями датчиков. Датчики, преобразуя измерительный параметр в выходной сигнал, который можно измерить и оценить количественно, являются как бы органами чувств современной техники.

Основные области применения

Среди широкого разнообразия измерительных  параметров одним из основных является температура. Ее измерение необходимо во всех сложных технологических и биологических процессах. Большое разнообразие датчиков температуры, работающих на различных физических принципах и изготовленных из различных материалов, позволяет измерять ее  даже в самых труднодоступных

местах – там, где другие параметры измерить невозможно. Измерение температуры биообъекта, в т.ч. человека, имеет также огромное значение. Так отклонение температуры от нормы, может свидетельствовать о наличии какой-либо патологии в организме.

Разработанный мной измеритель температуры обладает рядом преимуществ, среди которых малое энергопотребление, простота конструкции, линейная характеристика выходного сигнала, высокая точность, портативность, удобное  использование, износоустойчивость. В связи с этим разработанный прибор можно использовать разнообразных условиях, когда нужно быстро и достоверно определить температуру какого-либо биообъекта.

ЮЗГУ.200401.65

Лист

3

Изм

Лист

№докум

Подп

Дата

Основные характеристики датчиков температуры

Любой датчик, в том числе и датчик температуры, может быть описан рядом  характеристик, совокупность которых  позволяет сравнивать датчики между  собой и целенаправленно выбирать датчики, наиболее соответствующие конкретным задачам.

1. Функция преобразования (градуировочная характеристика) представляет собой функциональную зависимость ее выходной величины от измеряемой величины:

y = f(x)   

Зависимость представляется в именованных величинах: y – в единицах выходного сигнала или параметрах датчика,  x – в единицах измеряемой величины. Для датчика температуры – Ом/°С или мВ/К.

2. Чувствительность – отношение приращения выходной величины датчика к приращению его входной величины:

                                S = dy/dx                                                

Для линейной части функции  преобразования чувствительность датчика

постоянна. Чувствительность датчика  характеризует степень совершенства процесса преобразования в нем измеряемой величины.

3. Порог чувствительности – минимальное изменение значения входной величины, которое можно уверенно обнаружить. Порог чувствительности связан как с природой самой измеряемой величины, так и с совершенством процесса преобразования измеряемой величины в датчике.
4. Предел преобразования – максимальное значение измеряемой величины, которое может быть измерено без необратимых изменений в датчике в результате рабочих воздействий. Верхний предел измерений датчика обычно меньше предела преобразования по крайней мере на 10%.
5. Метрологические характеристики – определяются конструктивно-технологическими особенностями датчика, стабильностью свойств, применяемых в нем материалов, особенностями процессов взаимодействия датчика с измеряемым объектом.

ЮЗГУ.200401.65

Лист

4

Изм

Лист

№докум

Подп

Дата

Метрологические характеристики, в  свою очередь, определяют характер и  величины погрешностей измерения датчиков. Часть погрешностей могут быть случайными, и они учитываются методами математической статистики. Систематические погрешности могут быть аналитически описаны и исключены из результатов измерения.      

Основными видами систематических  погрешностей являются:

• погрешности, обусловленные нелинейностью функции преобразования, что характерно для полупроводниковых датчиков температуры;
• погрешности, обусловленные вариацией функции преобразования вследствие изменения направления действия входной величины (для датчиков температуры это нагрев-охлаждение);
• погрешности, обусловленные несоответствием динамических возможностей датчика скорости воздействия входной величины. Может быть учтено введением коэффициента термической инерции;
• дополнительные погрешности, обусловленные отличием условий работы датчика от тех, в которых определялась его функция преобразования;

• погрешности, обусловленные нестабильностью функции преобразования вследствие процессов старения материала.

6. Надежность – рассматривается в двух аспектах: механическая надежность и метрологическая надежность.

7. Эксплуатационные характеристики – к их числу могут быть отнесены: масса, габаритные размеры, потребляемая мощность, прочность электрической изоляции, номиналы используемых электрических напряжений, а также стойкость к агрессивным средам, всевозможным излучениям, искробезопасность и т.д.

ЮЗГУ.200401.65

Лист

5

Изм

Лист

№докум

Подп

Дата

Разработка датчика  и принципиальная схема включения

В основу разработки термодатчика положен эффект pn-перехода. Принцип терморезистивного преобразования основан на температурной зависимости активного сопротивления металлов, сплавов и полупроводников, обладающих высокой воспроизводимостью и достаточной стабильностью по отношению к дестабилизирующим факторам. Температурную чувствительность термометрического материала принято характеризовать температурным коэффициентом сопротивления.

Достоинством таких датчиков является большое значение температурного коэффициента сопротивления и сравнительно малые размеры.

Изменяя состав материала  чувствительного элемента, можно  получить терморезисторы как с положительным, так и с отрицательным значением ТКС в пределах от –6,5 до +20 %/К. Номинальные сопротивления чувствительных элементов зависят от их состава и размеров и могут находиться в пределах от 1 до 10⁶ Ом. Высокое номинальное сопротивление терморезисторов упрощает требования к системе терморегулирования, что позволяет ограничиться двухпроводной линией связи датчика с системой регулирования и уменьшает погрешность преобразования, обусловлен-

ную длиной линией связи.

Терморезисторы изготавливают  самых различных конфигураций –  от бусинок диаметром 0,2 мм, дисков и шайб диаметром (3…25) мм до стержней диаметром 12 и длиной до 40 мм. Бусинковые чувствительные элементы обычно заливают стеклом или помещают в стеклянные и пластмассовые корпуса. Дисковые чувствительные элементы часто защищают изоляционными пленками из лака или эпоксидных смол, монтируют на металлических пластинах и герметизируют в металлические или пластмассовые корпуса.

В рамках данного курсового  проекта мною был использован  терморезистор производства фирмы  Honeywell серии 700. Рабочий диапазон температур  терморезистора составляет от -10 до +50 градусов Цельсия. Отличительной особенностью данного терморезистора является такая зависимость сопротивления от температуры почти во всем диапазоне,  при которой обеспечивается линейность выходного напряжения при включении терморезистора в одно из плеч моста.  Зависимость сопротивления терморезистора от температуры приведена на рис1.

ЮЗГУ.200401.65

Лист

6

Изм

Лист

№докум

Подп

Дата

Рисунок 1. Зависимость сопротивления  терморезистора от температуры

Принципиальная схема  прибора представлена на рис 2.

Рисунок.2. Принципиальная схема  включения термометра.

Датчик представляет собой  мост Уинстона, в качестве одно из плеч которого включено сопротивление, зависящее от измеряемого параметра (температуры). Предложенная схема включения позволяет получить на выходе напряжение, эквивалентное входному сигналу. Для достижения амплитуды сигнала, необходимой для перехода к схеме индикации в приборе предусмотрен усилительный каскад. Схема индикации представляет собой цифровой вольтметр, зная показания которого можно определить температуру. Для это необходимо воспользоваться специальной таблицей значений. Данная схема позволяет в полной мере осуществить поставленную задачу.

ЮЗГУ.200401.65

Лист

7

Изм

Лист

№докум

Подп

Дата

Выбор и расчет первичного преобразователя, обоснование  технических характеристик и расчет усилительного тракта, выбор и расчет схемы индикации.

Принципиальная схема  разработанного термометра представлена на рис. 3

Рисунок. 3 Принципиальная схема  термометра

Мост питается гальванического  источника GA1 (батарейки). Напряжение питания 1,5В, т.е. одна пальчиковая батарейка.

Для прибора, работающего  в режиме измерения температуры, типичной является задача компенсации начального значения термосопротивления при нулевой температуре. Для этого сопротивление компенсационного резистора (R1+R5) выбирают равным сопротивлению терморезистора R3 при нулевой температуре. Таким образом при нулевой температуре мост находится в состоянии равновесия, ток в измерительной диагонали равен «0», следовательно индикатор тоже показывает «0⁰С»

Так как терморезистор  R3 имеет возможность находиться на некотором расстоянии от измерительной схемы (например на конце какого-либо стержня, которым удобно измерять температуру), то сопротивление проводов до него также компенсируется подстроечным резистором R5.

ЮЗГУ.200401.65

Лист

8

Изм

Лист

№докум

Подп

Дата

Итак, зная контрольные точки  терморезистора, можно рассчитать значение напряжения на входе инструментального  усилителя. Напряжение на индикаторной диагонали моста рассчитывается по формуле:

Ui = (R3/(R3 + R4) – R2/(R1 + R2 + R5)) x U_пит

Так как амплитуда сигнала  не достаточна для перехода к аналогово-цифровому  преобразованию, его необходимо усилить. Наиболее оптимальным, с моей точки  зрения в данном случае, представляется решение об использовании усилительного  каскада на инструментальном усилителе.

В случае, когда мост находится  в неравновесном состоянии, необходимо рассчитать значение напряжения на измерительной  диагонали. Это напряжение подадим на вход инструментального усилителя INA 118 U. Коэффициент усиления данного усилителя зависит от подключенного сопротивления R₆ . Коэффициент усиления рассчитывается по формуле:

K = 1 + 50/R₆ , где R₆ выражается в кОм.

Номинал резистора R6 = 1 кОм, что обеспечивает коэффициент усиления К = 50.

После инструментального  усилителя сигнал подается на устройство индикации, в котором происходит кодирование аналогового сигнала  с усилителя в цифровой и результат выводится на жидкокристаллический дисплей. В данном случае устройством индикации может выступать цифровой мультиметр КР572ПВ5.

Заключительным этапом измерения  температуры является нахождение значений температуры соответствующих выходным напряжениям индикаторной схемы с помощью специальной таблицы:

ЮЗГУ.200401.65

Лист

9

Изм

Лист

№докум

Подп

Дата