Система измерения температуры, которая позволяет измерять температуру в пределах 0…+400 град


1. Введение

Повсеместное использование АЦП (Аналогово-цифровых преобразователей) позволило «оцифровать» также и приборы для измерения температуры. Цифровой термометр состоит из следующих частей:

1 Тепловой чувствительный элемент (как правили это — терморезистор, через который протекает ток);

2 АЦП;

3 Дисплей;

4 Схема включения, настройки и формирования выходных сигналов для передачи на прочие (исполнительные) устройства;

5 Элемент питания.

Диапазон цифровых термометров простирается от минусовых температур (-100 °С) до тысячи градусов выше «0». Точность от 0,01 градуса — определяется только качеством термочувствительного элемента. В чем же состоят основные отличия цифрового термометра от жидкостного? Во многих сферах деятельности ранее использовались жидкостные термометры на ртутной или спиртовой основе. Они имели массу недостатков:

· хрупкость (колба, содержащая жидкость, состояла из стекла, чтобы пользователь мог видеть показания);

· относительная вредность содержимого колбы (особенно ртути);

· недостаточная точность показаний и сложность градуировки.

Цифровой термометр избавлен от всех этих недостатков. К тому же использование цифровых электрических схем позволило проводить компьютерную обработку результатов измерения и (или) передавать данные результаты на любые расстояния (например, через Интернет или даже из космоса). Относительным недостатком цифрового термометра может служить его зависимость от питания, но потребление цифровых термометров (особенно с ЖК-дисплеем) настолько мало (да к тому же есть модели с питанием от солнечных батарей), что этим можно пренебречь.

В данном курсовом проекте, мы разрабатываем систему измерения температуры состоящую из преобразователя температура—частота, генератора прямоугольных импульсов, счетчика импульсов с дешифратором, блока питания и индикатора.

2. Структурная схема

Рисунок 1 — Структурная схема цифрового термометра

Структурная схема термометра показана на рисунке 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.

3. Преобразователь температура—частота

Рисунок 2 — Преобразователь температура-частота

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, PTS 61 резистивный датчик температурный, 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 R13, обеспечивается термостабилизированньй стабилизатором VD1, VD2. 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.

PTS 61 резистивный датчик температуры:

Диапазон температур класс Б: -50+400

Imax 3mA

Рабочая температура -50 + 75

Операционный усилитель К574УД1Б:

Число ОУ в одном корпусе 1

Минимальное напряжение питания, В 13.5

Максимальное напряжение питания, В 16.5

Ток питания в пересчете на усилитель, мА 10

Входное напряжение смещения, мВ 50

Входной ток при 25оС, мкА 0.0005

Температурный дрейф нуля, мкВ/оС 100

Коэффициент усиления с разомкнутой ОС, дБ 20000

Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс 50

Температурный диапазон -45…+125

4. Генератор 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, индикаторы HL1— HL4 в течение 3 с высвечивают информацию, хранящуюся в счетчиках DD1 — DD4. 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.

Рисунок 3 — Генератор прямоугольных импульсов

Для увеличения точности измерения во всем диапазоне 0…400 °С можно использовать кварцевый генератор секундных импульсов, схема которого показана на рисунке 3. 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 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 индикаторы HL1—HL4 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…400°С до 0,1 °С и менее. Время индикации показаний в этом варианте составляет 1 с.

Микросхема К176ИЕ5 представляет собой 15-разрядный двоичный счётчик — генератор секундных импульсов. К выводам 9 и 10 подключается кварцевый резонатор частотой f. Типовая частота 32768Гц. Возможно подключение резонатора 16384Гц или внешнего источника импульсов. На буферных выходах 11 и 12 присутствует тактовая частота f. На выводе 1 формирутся частота f/28 (64Гц). При соединении выводов 1 и 2 на вход второго счётчика подается частота f/28, а на его выходах формируются импульсы: вывод 4 — f/214 (2Гц) , вывод 5 — f/215(1Гц). Вывод 3 — установка счётчика в «0».

Рисунок 4 — Микросхема К176ИЕ5

Назначение выводов:

1

Выход 28

8

2

Вход 28

9

Вход генератора

3

Вход сброса

10

Выход генератора

4

Выход 214 (2Гц)

11

Контроль такт. имп.

5

Выход 215 (1Гц)

12

Контроль такт. имп.

6

Вход установки

13

7

Общий

14

Питание +9В

Основные параметры К176ИЕ5:

Напряжение питания

5..10В

Выходное напряжение «0»

<0,3В

Выходное напряжение «1»

>8,2В

Входной ток «0/1»

<0,5мкА

Ток потребления (статический, Uпит=5В)

5мкА

Типовое время задержки

300нС

5. Блок питания

температура измерение импульс генератор

Рисунок 5 — Блок питания

Блок питания 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.

6. Счетчик

Электронный счетчик импульсов предназначен для подсчета количества импульсов, поступающих с измерительных датчиков на счетные входы (или один счетный вход) счетчика импульсов и пересчета их в требуемые физические единицы измерения путем умножения на заданный множитель (например, в метры, литры, штуки, килограммы и т. д.); подсчета суммарной выработки за смену, сутки, неделю, месяц и т. д.; управления исполнительными механизмами одним или несколькими дискретными выходами.

В данной работе, счетчик преобразует 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.

В схеме представлен счетчик К176ИЕ5, на котором основан генератор прмоугольных импульсов.

7. Конструкция и детали

В термометре применены постоянные резисторы МЛТ 0,125, температурный резистор 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 0,05…0,1°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; КТ117Г. 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 — резистивный датчик PTS 61. Данные резистивные датчики предназначены для измерения температуры до 400С. Датчики состоят из металлического измерительного стержня и металлической головки, в которой размещена клемная плата. Датчики изготавливаются из нержавеющей стали класса EN X5CrNi18-10, головка из сплава алюминия. В комбинации и нержавеющего центрального держателя или гильзы, можно использовать датчики для измерения температуры в разных условиях. Стандартный температурный диапазон использования датчиков -50 +400С

8. Метрологические данные

Погрешность прибора обусловлена его конечной чувствительностью. У нас на выходе 15 разрядов, погрешность рассчитаем по формуле:

Погрешность удовлетворяет заданному техническому условию 0,05%. Точность измерения будет высокая.

9. Заключение

В ходе работы мы сконструировали систему измерения температуры, которая позволяет измерять температуру в пределах 0…+4000С. Использовали операционный усилитель К574УД1Б и 15-разрядный двоичный счетчик К176ИЕ5 на котором основан генератор секундных импульсов.

10. Список использованной литературы

1 Алексиев Д. Медицинский термометр. —Радио, 1981, № 9, с. 68.

2 Цифровой термометр. —Радио, 1982, № 4, с. 58.

3 Бронштейн 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.

Если вы думаете скопировать часть этой работы в свою, то имейте ввиду, что этим вы только снизите уникальность своей работы! Если вы хотите получить уникальную курсовую работу, то вам нужно либо написать её своими словами, либо заказать её написание опытному автору:
УЗНАТЬ СТОИМОСТЬ ИЛИ ЗАКАЗАТЬ »