УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ТЕРМОМЕТР - Статьи для электриков и энергетиков

Эта статья опубликована на сайте Электрик - электричество и энергетика
http://www.electrik.org/

URL этой статьи:
http://www.electrik.org/news/article86.php

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ТЕРМОМЕТР

Статьи / Разное, не вошедшее в другие темы.
Послано electrik 25 Янв, 2004 г. - 16:37

В. БУРКОВ, г. Иваново
Описанный здесь термометр позволяет измерять температуру в отдельных точках двигателя, трансформатора, корпуса транзистора, диода, жала паяльника и других устройств. Диапазоны измеряемых температур — О... 100°С и О... 1000°С.

Датчиком температуры термометра служит термопара "хромель—алюмель", сваренная из проволочек диаметром 0,2 мм. Величина создаваемой термопарой ЭДС пропорциональна, как известно, разности температур "горячего" и "холодных" ее концов. В электронном термометре, о котором идет речь, предусмотрена автоматическая компенсация температуры холодных концов термопары t_k ("комнатной") с тем, чтобы измерительный прибор показывал температуру объекта t, а не ее разность: t-t_k.

Принципиальная схема термометра показана на рисунке. Он состоит из измерительного моста (VT1, VT2, RK1.R1—R5), стабилизатора напряжения его питания (VT3, VT4, R6), термопары ВК1, усилителя напряжения (DA1, DA2, R7—R11, SA1), микроамперметра РА1, выключателя питания SA2 и источника питания GB1.
В нижние плечи измерительного моста включены медный терморезистор RK1 и резистор R3, в верхние — стабилизаторы токов этих резисторов на транзисторах VT1 и VT2, а в его измерительную диагональ - термопара ВК1 и неинвертирующие входы микросхем DA1, DA2 усилителя напряжения. Благодаря очень большому входному сопротивлению усилителя ток в измерительной диагонали практически отсутствует. и на его входное напряжение (Uвх) не влияет падение напряжения на резисторах R3, RK1 и проводниках термопары. Холодный спай термопары должен находиться в корпусе термометра. При изменении температуры t_k (при постоянной t) напряжение на терморезисторе RK1 (URK1) и ЭДС термопары Е меняются в противофазе так, что их сумма всегда остается постоянной. Чтобы нуль на шкале измерительного прибора РА1 соответствовал температуре 0°С и показания термометра не зависели от температуры t_k, напряжение на резисторе R3 устанавливается равным UR3=U_RK10=K/LRK1 (1), где U_RK10 — напряжение на RK1 при t«=0°C; К — коэффициент термоЭДС термопары; LRK1 -температурный коэффициент сопротивления резистора RK1. Зависимость (1) справедлива при соблюдении неравенства: LRK1>>LR3 (2). Это условие легко выполнить, если RK1 намотать медным проводом, а в качестве R3 использовать резистор МЛТ. При соблюдении требований (1) и (2) входное напряжение Uвх=K*t (3). Это же напряжение будет приложено к резистору R8 (в диапазоне измеряемых температур 0...100°С) или к резистору R9 (в диапазоне 0... 1000°С), поскольку ОУ DA1 включен по схеме повторителя напряжения, а ОУ DA2 - по схеме неинвертирующего усилителя. Следовательно, ток в цепи обратной связи РА1, R10 будет равен: loc=Uвх/R, где R - сопротивление резистора R8 или R9. С учетом равенства (3) Ioc=K*t/R, т. е. ток через микроамперметр РА1 прямо пропорционален температуре объекта t.
В качестве РА1 использован микроамперметр на 100 мкА. Резистор RK1 намотан на пластинке из текстолита 20x10 мм толщиной 1 мм изолированным медным проводом диаметром 0,1 мм до сопротивления 60...100 Ом. Транзистор VT3 включен как стабилизатор напряжения измерительного моста. Его функции может выполнять любой маломощный кремниевый транзистор с напряжением пробоя перехода база-эмиттер ниже 7 В. Транзисторы VT1, VT2, VT4 - любые маломощные полевые транзисторы с р-п переходом. Напряжение отсечки VT1, VT2 — не более 4 В, a VT4 - не более 2 В. Сумма напряжения отсечки транзистора VT4 и напряжения стабилизации транзистора VT3 должна быть меньше напряжения батареи GB1, и чем меньше эта сумма, тем при более глубоком разряде батареи термометр сохранит работоспособность.
Микромощные ОУ применены только из соображений минимального энергопотребления. При питании термометра от сети в качестве DA1, DA2 желательно применить прецизионные ОУ. Подстро-ечные резисторы R2, R5, R8, R9 - многооборотные — СП5-2В или другие им подобные. Остальные резисторы -МЛТ-0,125. Налаживание термометра начинают с расчета напряжения Ur3. Для термопары "хромель—алюмель" К=4,065*10^-2 мВ/С. Для меди L_RК1=4,3*10^-3/°С. Пользуясь равенством (1), получаем U_R3=4,065*10^-2/ 4,3*10^-3=9,453 мВ. Далее, замкнув выключатель SA2, параллельно резистору R3 подключают вольтметр (желательно цифровой) и резистором R5 устанавливают рассчитанное напряжение с максимально возможной точностью. После этого переключатель SA1 переводят в положение "100°", опускают спай термопары в сосуд с тающим льдом и резистором R2 устанавливают стрелку микроамперметра РА1 на 0. Если у резистора R2 или R5 не хватает пределов регулирования, то следует заменить соответственно резистора R1 или R4. Затем опускают спай термопары в сосуд с кипящей водой и резистором R8 устанавливают стрелку РА1 на последнее деление шкалы - 100 мкА. Далее, не вынимая термопару из кипящей воды, переводят переключатель SA1 в положение " 1000°" и резистором R9 устанавливают стрелку РА1 в положение 10 мкА. На этом налаживание заканчивают.

При эксплуатации прибора зашкаливание стрелки РА1 на пределе измерения 100°С при комнатной температуре говорит о разрядке батареи питания GB1 и необходимости ее замены. Максимальное напряжение питания термометра определяется допустимым напряжением питания ОУ (для микросхем К140УД12 Uмакс=15 В) или допустимым напряжением сток-затвор транзистора VT4 плюс напряжение стабилизации перехода база—эмиттер транзистора VT3. Минимальное напряжение питания равно сумме напряжения стабилизации VT3 и напряжения отсечки транзистора VT4 (у автора и„им составляло 7,5 В). Ток, потребляемый термометром, -0,6...0,9 мА.
При измерении отрицательных температур следует поменять местами концы подключения термопары к термометру. Термопара "хромель-алюмель" применена автором из-за ее высокой рабочей температуры (до 1300°С). Если пре-Ci измеряемых температур не превы-ет 500 С, то можно взять термопару "хромель—копель" или сварить термопару из другой, имеющейся в наличии, пары металлов (сплавов). Очевидно, что новая пара будет иметь уже другую величину коэффициента термоЭДС К и соответственно другое значение U_R3. Величину коэффициента К можно рассчитать, взяв из справочника величины термоЭДС этих металлов в паре с платиной и вычесть их друг из друга.