Цифровой термометр с автоматическим контролем температуры

Цифровой термометр предназначен для измерения температуры газообразных, сыпучих и жидких сред, автоматического контроля за величиной температуры и формирования информационных сигналов (Максимум, Норма, Минимум — температуры) относительно установленных с панели прибора ее максимального и минимального значений для контролируемой среды. Прибор позволяет измерять температуру в диапазоне 0...60 °С с разрешающей способностью 0,1 °С; погрешность измерений при этом не превышает ±0,2 °С. Длительность измерения температуры — 1 с; время индикации — непрерывно; период обновления информации на индикаторах о значении температуры — 2 с. Диапазон контролируемых значений 0... +49 °С. Установка допусков температуры для контролируемой среды производится переключателями с передней панели прибора. Дискретность установки — ГС. Максимальная ширина полос контроля температуры — по 5 °С.

В зависимости от величины температуры прибор формирует следующие информационные сигналы:

температура в допуске, формируются световой и потенциальный сигналы Норма;

температура больше (меньше) допуска, формируются звуковой, световой и потенциальный сигналы Максимум (Минимум).

Потенциальные сигналы в виде постоянных напряжений +5 В подаются на выходной разъем прибора. Их можно использовать для управления устройствами изменения температуры среды — вентиляционными и холодильными установками, калориферами, кондиционерами и т. д.

Прибор питается от сети напряжением 220 В частоты 50 Гц. Потребляемая мощность не превышает 15 ВА. Размеры корпуса прибора — 280Х 170Х 125 мм. Масса — 2900 г.

Внешний вид готового образца показан на рис. 1. Длина кабеля, соединяющего датчик температуры с прибором,— 5 м.

Для изготовления цифрового термометра использовались широко распространенные детали. Он обеспечивает сравнительно большую точность и быстроту замеров, прост в настройке и эксплуатации. Датчик температуры можно установить практически в любом месте контролируемого участка. Перед измерениями необходимо подготовить блок программирования к эксплуатации. Процесс подготовки заключается в установке перемычек на специальной плате в зависимости от допустимой температуры для контролируемой среды.

Структурная схема цифрового термометра, приведенная на рис. 2, включает основные блоки прибора:

Рис. 1. Цифровой термометр с автоматическим контролем температуры

Рис. 2. Структурная схема Цифрового термометра

У1. Преобразователь температуры в частоту.

У2. Блок образцовой частоты. Состоит из кварцевого генератора и пяти декадных делителей,

УЗ. Блок управления прибора. Включает устройство формирования временного интервала для подсчета частоты и дифференцирующую цепь формирования импульса переписи кода температуры со счетных декад в память.

У4. Блок, счетных декад с памятью и двоично-деся тичными дешифраторами. Память предназначена для исключения мерцания цифр на индикаторах а процессе -подсчета и устойчивой работы схемы контроля.

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема преобразователя температура — частота

У5. Блок индикации температуры. Состоит из диодных дешифраторов и вакуумных люминесцентных индикаторов.

У6. Программный блок. Дает возможность устанавливать пределы контроля температуры среды и формирует исходную информацию о значении температуры для блока У7.

У7. Блок формирования информационных сигналов. Вырабатывает световой, потенциальный и звуковой сигналы Максимум, Норма, Минимум о температуре контролируемой среды.

У8. Блок питания. Обеспечивает прибор необходимыми напряжениями питания.

В работе прибора можно выделить две основные функции.

Измерение температуры среды. Основано на принципе преобразования температура — напряжение — частота [2] с последующим измерением частоты при помощи специализированного частотомера. Указанную функцию выполняют блоки У1—У5.

Контроль температуры. Основан на совпадении цифрового кода температуры среды и заранее установленных кодов минимального или максимального значений температуры для контролируемой среды. При совпадении кодов (понижение или повышение температуры относительно допуска) устройствами контроля У6, У7 вырабатываются информационные сигналы, назначение которых рассмотрено выше.

Рис. 4. Схема блоков образцовой частоты и управления счетными декадами прибора

Работа измерителя температуры. В преобразователе температура — частота по схеме рис. 3 датчиком температуры служит диод VD1 типа Д2В. Операционный усилитель DA1 совместно с конденсатором СЗ выполняет функцию интегратора [2]. Разряд конденсатора осуществляется через однопереходный транзистор VT1. Прецизионный стабилитрон VD2 формирует опорное напряжение, которое определяет порог открывания однопере-ходного транзистора VT1, обеспечивает постоянный уровень напряжения на инвертирующем входе ОУ и задает стабильный ток, протекающий через датчик температуры. Входное напряжение ОУ интегрируется до момента открывания транзистора VT1.

Рис. 5. Схема счетных декад

Периодичность этого процесса зависит от температуры, поскольку от нее изменяется падение напряжения на диоде VD1 и соответственно на неинвертирующем входе интегратора. При настроенном преобразователе приращение температуры датчика на 1 °С вызывает увеличение выходной частоты преобразователя на 10 Гц.

Транзистор VT2 выполняет функцию согласования уровней выходных импульсов преобразователя и ТТЛ-микросхем. Длительность импульсов на его коллекторе около 6 мкс и зависит от емкости дифференцирующего конденсатора С4.

Схемы блоков образцовой частоты и управления счетными декадами прибора показаны на рис. 4. Задающий генератор выполнен на элементах DD1.1—DD1.4 и кварцевом резонаторе Z1.

Рис. 6. Схема узла индикации

Конденсатор С6 предназначен для точной настройки частоты генератора. Элементы DD2—DD6 образуют делитель частоты. Выходные импульсы делителя с периодом 1 с задают режим работы блока управления. За основу блока управления взят временной селектор (элементы DD7, DD8, VT1), описанный в [5].

Триггер Шмитта DD9.1, DD9.2 формирует прямоугольные импульсы с крутыми фронтами, что необходимо для устойчивой работы счетчиков DD11—DD13. Светодиод HL1 Счет выведен на переднюю панель прибора и предназначен для индикации времени счета частоты преобразователя. Элементы DD10.1—DD10.4 вырабатывают короткий импульс, который через инвертор DD9.4 производит запись содержимого счетчиков DD11 — DD13 в промежуточную память DD14—DD16 (рис. 5).

Десятичный код температуры с выходов дешифраторов DD17—DD19 используется в устройстве контроля температуры и для индикации ее величины. Преобразователи десятичного кода в код для семисегментных индикаторов выполнены на диодах VD19—VD54 (рис. б). Для развязки по постоянному току между преобразователями кода и программным блоком устройства контроля включены диоды VD4—VD18.

В индикаторе HG2, индицирующем значение единиц градусов температуры, желательно подсвечивать точку, символизирующую запятую между целыми и десятыми значениями градусов.

Рис. 7. Схема подключения дешифратора

Для этого выводы 2 и 4 индикатора HG2 необходимо соединить вместе.

В целях компактности и простоты изготовления вместо диодных дешифраторов можно применить дешифраторы К514ИД1 с индикаторами АЛС324А. Схема их подключения приведена на рис. 7. При этом диоды VD4—VD18, а также обмотки V, VI сетевого трансформатора Т1 не нужны.

Работа устройства контроля температуры. Принципиальная схема устройства показана на рис. 8. В его состав входит программный блок и блок формирования информационных сигналов.

Программный блок установки максимального допуска температуры контролируемой среды состоит из диодов VD55—VD66, переключателей SA1, SA2 и транзистора VT4, которые образуют (при наличии перемычек Х2—Х6) схему 2ИЛИ—5 ИЛИ—2И—НЕ. При совпадении кодов на выходе дешифраторов DD18, DD19 и набранного переключателями SA1, SA2 на коллекторе VT4 появляется сигнал превышения допуска, имеющий уровень логической 1. Аналогично работает программный блок (элементы SA3, SA4, VD67—VD78, VT5) для минимального допуска температуры.

В формировании информационных сигналов участвуют элементы: DD20, DD21—выработка звукового сигнала; DD22.1, DD22.2 — запоминание сигналов отклонения от допусков температуры; VT7—VT9 — транзисторные ключи светового и потенциального сигналов.

В случае увеличения температуры сигнал превышения допуска через инвертор DD23.1 переводит триггер DD22.1 в единичное состояние. Если переключатель В2 Автомат в исходном положении, то нулевым уровнем с выхода 6 триггера DD22.1 открывается ключ VT7, загорается лампочка HL2 Максимум и на выводе 1 разъема XS1 устанавливается потенциал +5В (до того был ноль). Этот же нулевой уровень поступает на элементы DD21.2 и DD23.3, формируя на их выходах логическую 1, которая разрешает прохождение сигнала частотой 500 Гц на базу транзистора VT6 и соответственно на динамическую головку ВА1, а также закрывает ключ VT8, при этом лампочка HL3 Норма гаснет. Потенциометром R52, выведенным на переднюю панель прибора, регулируется громкость звукового сигнала. Выдача информационных сигналов будет продолжаться и после снятия сигнала превышения допуска (температура среды уменьшилась) до тех пор, пока кнопкой SB1 Сброс триггер DD22.1 не будет возвращен в нулевое состояние.

Когда переключатель SB2 Автомат нажат, длительность подачи информационных сигналов будет определяться нулевым уровнем на выходе DD23.1 и соответственно совпадением кодов температуры на выходах дешифраторов DD19, DD18 и установленного переключателями SA1, SA2.

При наличии перемычек Х2—Х5, Х7—Х10 схема совпадения для единиц градусов температуры блока программирования образует элемент 5ИЛИ, для десятков градусов с перемычками XI, Х6 — элемент 2ИЛИ. Следовательно, сигнал превышения максимального допуска температуры, установленного переключателями SA1, SA2 по принципиальной схеме на рис. 8, будет выдаваться при + 22... + 26°С, минимального, установленного переключателями SA3, SA4,-+17,9...+ 13°С.

Конструкция программного блока с использованием многопозиционных переключателей SA1—SA4 на 2 и5 направлений обусловлена возможностью превышения температурой среды ее допуска на 1...2°С после того, как будет подан информационный сигнал включения устройства изменения температуры.

Рис. 8. Схема программного блока контроля температуры

При эксплуатации прибора в условиях, когда допустимые значения температуры находятся в разных десятках градусов (например, 18...22°С, 5...12°С, 10...22°С и т. д.), все перемычки могут быть запаяны. Полоса контроля температуры по обоим допускам в таком случае по 5 °С. Если же допустимый диапазон изменения температуры в пределах одного десятка градусов, могут появляться неоднозначности при формировании схемами совпадения сигнала максимума или минимума температуры. Такую ситуацию целесообразно рассмотреть на следующем примере. Пусть допустимый диапазон

температуры для контролируемой среды - +24... + 27°С.

Сигнал максимума будет выдаваться при следующих значениях кода температуры — 27, 28, 29, 30, 31, 20, 21. Сигнал минимума — 23,9, 22, 21, 20, 19, 13, 12, 11, 10. Следовательно, при значениях температуры среды +20 и 21 °С будут одновременно выдаваться сигналы максимума и минимума. Для устранения такой неоднозначности необходимо удалить перемычки Х4, Х5 или Х8, Х9 (согласно рис. 8). Полоса контролируемых температур

после настройки будет: для максимума - +27...29°С,

для минимума — 23,9...19°С или +27...31 °С для максимума и +23,9...22 °С для минимума. Аналогично рассуждая, можно определить ненужные перемычки для любых других значений температуры.

Блок питания прибора, стабилизаторы которого собраны по распространенной схеме, показан на рис. 9. Транзистор VT12 необходимо установить на теплоотвод площадью около 100 см2. Желательно использовать небольшие теплоотводы и для транзисторов VT10, VT11. Конденсатор С19 — для защиты цепей питания цифровых микросхем от импульсных помех. Развязывающие конденсаторы С22—СЗЗ необходимо равномерно распределить по всей площади печатных плат. Сегменты люминесцентных индикаторов питаются от однополупери-одного выпрямителя на диоде VD95.

Переключатель SB3 Индикация дает возможность подключать индикаторы по необходимости, чем достигается продление их срока работы. Включение устройства контроля за величиной температуры осуществляется переключателем SB4 Контроль, после чего необходимо нажатием кнопки SB1 Сброс обнулить триггеры DD22.1, DD22.2.

Рис. 9. Блок питания прибора

Конструкция и детали. В цифровом термометре применены резисторы МЛТ-0,125, МЛТ-0,25, МЛТ-0,5, за исключением сопротивлений Rl, R4, R7, которые могут быть типов С2-29В, С2-13, С2-14, С2-31. Сопротивление R51 —четыре резистора МЛТ-0,125 20 Ом, соединенных параллельно. Потенциометр R52 — типа СПО-0,5 или СП2-3. Переменные резисторы R3, R5 должны обеспечивать стабильность своих параметров во времени и при настройке иметь высокую угловую разрешающую способность. Этим задачам наиболее полно удовлетворяют многооборотные резисторы со спиральным резистивным элементом СП5-14, СП5-3, СП5-16 или СП5-2.

Конденсатор СЗ — слюдяной, типа СГМ-3 или КСО группы Г. Его можно составить из нескольких керамических конденсаторов, имеющих ТКЕ разных знаков, таким образом, чтобы суммарный ТКЕ был близок к нулю. Подстроечный конденсатор С6 типа КПК-МН, остальные — КЛС, КМ5, КМ6. Электролитические конденсаторы типа К50-6, С8—К53-4. Его можно заменить на конденсатор К50-6 емкостью 100 мкФ на напряжение 6 В.

Вместо ОУ КН0УД8А целесообразно использовать ОУ К574УД1Б. Все цифровые микросхемы серии 155 можно заменить на микросхемы серии 133. Возможные варианты замены диодов и транзисторов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Переключатели SA1, SA3 — типа 5П2Н-ПМ, SA2, SA4 — 11П5Н-ПМ; Ql, SB1—SB4 — типа П2К. Разъемы МРН4-1, используемые в приборе, можно заменить на ОЦН-КХ-4-5/16р (СНЦ19) или другие с соответствующим числом контактов. Головка громкоговорителя ВА1—0.5ГД21. Подойдет любая другая мощностью не менее 0,25 Вт и сопротивлением катушки 8... 10 Ом. Лампочки HL2—HL4 СМН 9X60 размещены на передней панели прибора в держателях МФС-1. Трансформатор блока питания выполнен на магнитопроводе Ш20Х20. Все обмотки намотаны проводом ПЭВ-2. Их данные приведены в табл. 2.

Рис. 10. Плата преобразователя температура — частота (блок У1)

Рис. 11. Плата генератора и делителей частоты (блок У2): а — вид со стороны печатных проводников; б — вид со стороны установки деталей

Платы цифровой части прибора (блоки У2—У7) изготовлены из двустороннего, а преобразователя, стабилизаторов и перемычек из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Расположение проводников и деталей на печатных платах показаны на рис. 10—15.

Рис. 12. Плата блока управления и счетных декад (блоки УЗ и У4): а — вид со стороны печатных проводников; б — вид со стороны установки деталей

Поскольку узел индикации можно реализовать различными способами, печатная плата его не приводится.

Рис. 13. Плата устройства контроля температуры (блоки У6 и У7): а — вид со стороны печатных проводников; б — вид со стороны установки деталей

Рис. 14. Плата стабилизатора напряжений ±15В

Рис. 15. Плата стабилизатора напряжения ±5 В

Рис. 16. Размещение деталей и блоков в корпусе прибора

После запайки всех элементов в плату преобразователя все ее токопроводящие дорожки желательно тщательно обезжирить и покрыть влагостойким лаком УР-231 или ЭП-730.

Все перемычки Х2—X11 необходимо разместить на отдельной плате. Конструкция платы может быть произвольной, главное, что нужно обеспечить,— это быструю смену перемычек и надежность образованного ими контакта. В зависимости от частоты смены перемычек плату можно разместить внутри корпуса цифрового термометра или на внешней стороне его задней стенки.

Платы прибора укрепляют вертикально внутри корпуса (рис. 16), изготовленного из листового алюминия. Толщина шасси — 2 мм, П-образной крышки и передней панели — 1 мм. В шасси и крышке высверлены вентиляционные отверстия.

Используемый в качестве датчика температуры диод VD1—германиевый, типа Д9 или Д2 с любым буквенным индексом. При замене VD1 на кремниевый, например КД503А, КД510А, и уменьшении сопротивления резистора R7 до 3...5 кОм измерять температуру среды можно будет в диапазоне 0...+ 100°С. Погрешность замеров может возрасти из-за меньшей зависимости вольт-амперных характеристик кремниевых диодов от температуры по сравнению с германиевыми.

Для предохранения от механических повреждений диод VD1 помещен в защитный экран из металлической (медь, бронза) сетки. Внешний вид и конструкция датчика в сечении показаны на рис. 17. Датчик подсоединяется к цифровому термометру через экранированный кабель и разъем ХТ1. Анод диода 2 посредством пайки соединяется с центральным проводом 4, катод — с защитной металлической сеткой 1, которая, в свою очередь, припаивается по всему периметру до экрана 5 соединительного кабеля. Место соединения анода с центральной жилой кабеля заливается эпоксидной смолой 3. Тем самым достигается изоляция выводов датчика друг

Рис. 17. Датчик температуры

от друга при измерении им температур жидкостей. Весь датчик заливать эпоксидной смолой не рекомендуется, поскольку ухудшается его теплопроводность.

Соединительный кабель должен обладать минимальным сопротивлением. Автором кабель был изготовлен следующим образом. В экранирующую оплетку пропущены три многожильных изолированных провода с большим сечением. Два из них соединены с анодом и образовали центральный проводник, а третий соединен с экраном кабеля и катодом датчика. На изготовленный таким образом экранированный соединительный провод была надета полихлорвиниловая.трубка 6.

Настройку прибора начинают с блока питания. Подбором R63, R68 или R62, R67 напряжение на выходе двухполярного стабилизатора устанавливают равным ±15 В. Защита от перегрузок в стабилизаторе +5 В должна срабатывать при токе 0,5...0,6 А. Если значение тока другое — подбирают резистор R71.

Цифровая часть прибора при безошибочном монтаже настройки не требует. Следует только проверить частоту задающего генератора и при необходимости установить ее равной 100 000 Гц.

Прежде чем приступить к калибровке преобразователя температуры, подбором резистора R2 устанавливается ток, протекающий через стабилитрон VD2, равным 10 мА. Датчик VD1 при этом подключен. Вольтметром с большим входным сопротивлением замеряют величины напряжений на входах 3, 4 ОУ DA1. На инвертирующем входе напряжение должно быть на 0,15...0,4 В больше. В противном случае нужно подстроить резистор R3. Если преобразователь не работает (интегратор не сбрасывается), а на выводе 7 ОУ DA1 напряжение —12... —14 В, необходимо уменьшить порог отпирания транзистора VT1, увеличивая сопротивление резистора R6. При правильно подобранном пороге отпирания однопе-реходного транзистора амплитуда пилообразного напряжения на выходе интегратора должна быть в пределах —8,5...—9,5 В.

Калибровку преобразователя желательно производить с помощью высокоточных лабораторных термометров ТЛ-4 или других, имеющих цену деления 0,1 °С и погрешность не более ±0,05 °С. При калибровке датчик помещают в среду (например, вода) с температурой + 60 °С, после чего подстроечным резистором R5 устанавливают выходную частоту преобразователя, равную 600 Гц (60,0 °С на индикаторах HG1—HG3). В случае необходимости увеличивают сопротивление резистора R4 до 7...10 кОм. Затем датчик охлаждают до 0°С и резистором R3 устанавливают частоту, близкую к 0 Гц. Указанную процедуру повторяют несколько раз до тех пор, пока не будет исключено взаимное влияние регулировок. Для увеличения точности настройки можно охлаждать датчик второй раз до +2(3) °С, при этом выходная частота преобразователя будет 20(30) Гц.