МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙНЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА
Кафедра: «Автоматизация и вычислительная техника»ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе
на тему: Цифровой термометр
Выполнил: студент гр.АТПб-08-1
Сергеев В.А.
Проверил: к.т.н., доц. Мусихин С.А.Тюмень 2010
Содержание
Введение/>/>
1. Цифровой термометр
1.1. Технические характеристики
1.2 Функциональная схема
1.3 Принципиальная схема
Список использованных источников
Введение
Повсеместноеиспользование АЦП (Аналогово-цифровых преобразователей) позволило«оцифровать» также и приборы для измерения температуры. Цифровойтермометр состоит из следующих частей:
1. Тепловойчувствительный элемент (как правили это — терморезистор, через которыйпротекает ток);
2. АЦП;
3. Дисплей;
4. Схема включения,настройки и формирования выходных сигналов для передачи на прочие(исполнительные) устройства;
5. Элемент питания.
Диапазон цифровыхтермометров простирается от минусовых температур (-100 °С) до тысячи градусоввыше «0». Точность от 0,01 градуса — определяется только качествомтермочувствительного элемента. В чем же состоят основные отличия цифровоготермометра от жидкостного? Во многих сферах деятельности ранее использовалисьжидкостные термометры на ртутной или спиртовой основе. Они имели массунедостатков:
· хрупкость (колба,содержащая жидкость, состояла из стекла, чтобы пользователь мог видетьпоказания);
· относительнаявредность содержимого колбы (особенно ртути);
· недостаточнаяточность показаний и сложность градуировки.
Цифровой термометризбавлен от всех этих недостатков. К тому же использование цифровыхэлектрических схем позволило проводить компьютерную обработку результатовизмерения и (или) передавать данные результаты на любые расстояния (например,через Интернет или даже из космоса). Относительным недостатком цифровоготермометра может служить его зависимость от питания, но потребление цифровыхтермометров (особенно с ЖК-дисплеем) настолько мало (да к тому же есть модели спитанием от солнечных батарей), что этим можно пренебречь.
1 Цифровой термометр
1.1 Техническиехарактеристики
Основные техническиехарактеристики с терморезистором ТР-4
Интервал измеряемойтемпературы, °С ...............-50...+100
Разрешающая способность,°С, ......................0,1
Погрешность измерения,°С,
на краях рабочегоинтервала… ±0,5
в средней части рабочегоинтервала, не хуже… +_0,1...0,2
Напряжение источникапитания, В....................9
Потребляемый ток, мА...............................1
Габариты,мм… 175х65х30
Масса,г… 250
К бытовым термометрамобычно предъявляют такие требования, как точность измерения — не хуже 0,5 ° С винтервале температуры от -50 до +100 ° С -(при измерении температуры телачеловека — не хуже 0,1...0,2 °С), малогабаритность, экономичность, автономностьпитания, малая тепловая инерционность и гигиеническая безвредность. Описываемыйздесь сравнительно простой цифровой термометр в основном отвечает этимтребованиям.
1.2 Функциональная схема
/>
Рисунок 1 –функциональная схема цифрового термометра
С помощью датчикаснимается уровень напряжения, соответствующий определенной температуреокружающей среды, затем с помощью аналого-цифрового преобразователя напряжениеаналогового сигнала преобразуется в цифровую форму для последующего отображенияуровня сигнала цифровым индикатором.
1.3 Принципиальная схема
/>
Рисунок 2 –принципиальная схема цифрового термометра
Принципиальная схематермометра изображена на рис. 2. Чувствительным элементом прибора служиттемпературный датчик, принцип действия которого основан на свойстве некоторыхматериалов изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.Датчики температуры могут быть различными. В промышленности, например, частоиспользуют массивные металлические (медные или платиновые)термопреобразователи. Для бытовых приборов наиболее подходят полупроводниковыемалогабаритные терморезисторы ММТ, КМТ, СТ1, СТЗ, ТР-4, ММТ-4, которые посравнению с металлическими преобразователями, значительно менеетеплоинерционны, имеют почти в десять раз больший температурный коэффициентсопротивления (ТКС), большее электрическое сопротивление, позволяющее полностьюпренебречь сопротивлением проводов, которые соединяют датчик с прибором.Наилучшими характеристиками обладает миниатюрный каплевидной формыостеклованный терморезистор ТР-4 с уменьшенным ТКС. Он имеет размеры 6Х4Х2,5мм; гибкие выводы длиной 80 мм изготовлены из проволоки с низкойтеплопроводностью. Его масса — 0,3 г. Основные электрические характеристикитерморезистора ТР-4: номинальное сопротивление — 1 к0м±2 % при температуре +25° С, ТКС — примерно 2 %/°С, рабочий температурный интервал -60...+200 °С,постоянная времени — 3с [ 1 ].
/>
Недостатокполупроводниковых терморезисторов — нелинейность зависимости сопротивления оттемпературы и значительный разброс характеристик, что является основнойпричиной, сдерживающей их широкое применение для измерения температуры. Рис. 1иллюстрирует типовую зависимость сопротивления полупроводниковыхтерморезисторов ТР-4 и ММТ-4 от температуры. Однако соответствующиесхемотехнические решения линеаризации характеристики позволяют в значительноймере устранить эти недостатки.
Основа прибора — интегрирующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) DA3, к выходу которогоподключен четырехразрядный жидкокристаллический индикатор HG1. Такая элементнаябаза позволила снизить энергопотребление и обеспечить прибору малые габариты имассу. Измерительную цепь прибора образуют токозадающий резистор R1, резисторыR2 и R3, формирующие образцовое напряжение Uобр, терморезистор R4, напряжениеUт, на котором изменяется в зависимости от температуры, и компенсирующийрезистор, функцию которого выполняют резисторы R5, R6. Для уменьшенияпогрешности от самопрогрева терморезистора номинал токозадающего резистора R1выбран таким, чтобы ток в измерительной цепи был равен примерно 0,1 мА. Вприборе применено прямое измерение термосопротивления методом отношений — терморезистор R4 и образцовый резистор (R2+R3) включены последовательно и черезних протекает одинаковый ток. Падение напряжения, возникающее натерморезисторе, поступает на входные выводы 30 и 31, а падение напряжения наобразцовом резисторе, выполняющем функцию источника образцового напряженияUобр- на выводы 35 и 36 АЦП DA3. При таком способе измерения результатпреобразования АЦП не зависит от тока в измерительной цепи, а значит, отпадаетнадобность в традиционно применяемых высококачественных источниках тока иобразцового напряжения, от которых во многом зависят точностные характеристикиизмерителя.
Для прибора, работающегов режиме измерения температуры, типичной является задача компенсации начальногозначения термосопротивления при нулевой температуре. Для этого сопротивлениекомпенсационного резистора (R5+R6) выбирают равным сопротивлению терморезистораR4 при нулевой температуре, а чтобы скомпенсировать сумму значений напряженияUт+Uк, поступающую на вывод 30 АЦП, на его вывод 31 подают напряжение, равное 2Uк, которое формирует операционный усилитель DA2 с коэффициентом усиленияK=(1+R14/R13)=2. Тогда с учетом того, что с повышением температурысопротивление терморезистора уменьшается, имеем Uвх ацп = Uвх+ --Uвх -=2Uк — (Uт+Uк)=Uк --Uт Линеаризацию нелинейной зависимости термосопротивления оттемпературы реализуют шунтированием терморезистора R4 резистором R11-грубо, аточно- введением в устройство ОУ DA1. Но шунтирующий резистор R11 лишь частичноспрямляет эту нелинейность, несколько расширяя рабочий температурный интервал.Принцип точной линеаризации основан на изменении коэффициента преобразованияАЦП в зависимости от образцового напряжения Uобр. Оно изменяется благодаряобратной связи через ОУ DA1. При такой связи часть входного напряжения UВХ,определяемая коэффициентом усиления ОУ DA1 B=[l+(R8+R9)/R7] Добавляется кнапряжению Uобp [З]. Чем больше увеличивается сопротивление терморезистора приснижении температуры, тем быстрее растет образцовое напряжение, а это приводитк пропорциональному уменьшению коэффициента преобразования АЦП: Uобp=Uобр+-Uобр-=U0-B(Uк-Uт), где Uобр+-Uобр- — напряжения на выводах 36 и 35 АЦПсоответственно. Если принять цену деления младшего разряда равной 0,1 ° С, то вконечном виде показание цифрового индикатора HG1 определится выражением:
/>
Другие элементытермометра, обеспечивающие работу АЦП, типовые. Транзистор VT1, включенныйинвертором, служит для индикации в цифровом индикаторе HG1 знака десятичнойточки. Детали прибора смонтированы на печатной плате из фольгированногостеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 3). Микросхема DA3 смонтирована состороны печатных проводников. Гнезда XI, Х2 (от разъема 2РМ) припаянынепосредственно к печатным площадкам платы. Для крепления переключателя SA1также предусмотрены печатные площадки. Постоянные резисторы — С2-29В,подстроечные — СПЗ-38а. Конденсаторы: С1 — К50-6, СЗ и С7 — К22У, С5 — К73-17,С2 и С6 — К73-24. Переключатель SA1 — ПД9-2, батарея питания GB1 — «Корунд». Индикатор ИЖКЦ1-4/8 можно заменить на ИЖЦ-5. Монтажнаяплата помещена в пластмассовый корпус от бытового дозиметра «Белла»(см. фото в «Радио», 1990, № 10, с. 25). Конструктивное оформлениедатчика произвольное. Например, в пластмассовом стержне диаметром 5 и длинойб5… 70 мм сверлят сквозное осевое отверстие диаметром около 3 мм, а затем водном из его торцев — углубление. На выводы терморезистора надевают тонкиеизоляционные трубки, выводы пропускают в отверстие в стержне, устанавливаюттерморезистор в углубление и герметизируют его клеем БОВ-1 или лаком К0947.
/>
К выводам припаиваютконцы двупроводного гибкого кабеля и туго надевают на конец стержня,противоположный терморезистору, отрезок тонкостенной дюралюминиевой трубки,служащей ручкой датчика. Длина соединительного кабеля — около 1,5 м. Из-зазначительного разброса параметров полупроводниковых терморезисторов вустройство введены три подстроечных резистора: R5- для установки нуля, R2 — дляустановки масштаба шкалы и R9 — для линеаризации характеристики терморезистора.Простейшую регулировку термометра удобно выполнить по трем контрольнымзначениям температуры: талой воды (0 °С), тела человека (36,6 °С) и кипенияводы (100 °С). В первой из этих контрольных точек измеряют температуру воды вольду, а не воды со льдом, температура которой может быть более 1 °С. Во второйконтрольной точке в качестве образцового прибора используют медицинскийтермометр. Терморезистор (сопротивление) Температура, C Напряжение, мВ на выводах АЦП Uобр Uвх Uо Uт Uк 36 35 30 31 TP-4 (1ком) 175 150 100 50 25 0 -20 -50 423 428 442 466 488 525 578 803 341 337 325 306 287 259 217 38 144 150 166 196 220 259 317 566 288 287 283 276 270 259 244 182 82 91 117 160 201 266 361 765 144 137 117 80 50 0 -73 -384 279 278 276 270 268 266 261 237 1 7 24 58 85 130 195 475 144 143 142 138 135 130 122 91 ММТ-4 (1,3 ком) 125 100 50 25 0 -20 -40 422 437 465 489 526 577 640 317 312 295 281 259 229 191 149 159 191 217 259 315 385 286 284 276 269 259 245 227 109 125 170 207 265 348 449 137 125 85 52 0 -70 -158 273 278 274 272 267 262 255 6 17 53 82 130 194 269 143 142 138 135 130 121 116
Температуру кипения водынеобходимо скорректировать поправкой на атмосферное давление. В Пятигорске,например, находящемся на высоте около 500 м над уровнем моря, вода кипит притемпературе 92,5 °С. Регулировку начинают, поместив датчик в талую воду.Подстроечным резистором R5 устанавливают на индикаторе нулевое показание. Затемпоочередной регулировкой резисторов R2 и R9 добиваются показаний индикатора,соответствующих значениям температуры в двух остальных контрольных точках.Далее датчик снова помещают в талую воду и повторяют все контрольные измерения.Более точную регулировку прибора можно выполнить по промышленным ртутнымтермометрам с ценой деления шкалы 0,2 °С. Вместо терморезистора ТР-4 в датчикеможно использовать и другие терморезисторы более широкого применения, но собязательной корректировкой сопротивления некоторых резисторов прибора. Так,при замене его терморезистором ММТ-4 с номинальным сопротивлением 1,3 кОмсопротивление резистора R11 должно быть уменьшено до 3,3 кОм, а притерморезисторе СТЗ-19 с номинальным сопротивлением 2,2 кОм — до 3 кОм. Режимыработы АЦП при использовании в приборе терморезисторов ТР-4 и ММТ-4 показаны втаблице. Если пределов регулировки подстроечными резисторами, кроме R11, нехватает, то, возможно, придется подобрать резисторы R3, R6, R8. Входную частьприбора можно использовать в цифровом мультиметре, выполненном на микросхеме КР572ПВ5.
Список использованныхисточников
1. В.Суетин,г. Пятигорск, Радио №10, 1991 г., стр.28
2. http://www.a-el.ru/d_term.htm