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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Digitales Haushaltsthermometer. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Leistungsregler, Thermometer, Wärmestabilisatoren Die Notwendigkeit eines Temperaturmessgeräts ist auf viele Umstände zurückzuführen. Im Alltag beispielsweise die Notwendigkeit, schnell die Körper- oder Wassertemperatur einer Person zu messen, zum Baden eines Kindes die Temperatur innerhalb oder außerhalb eines Raumes, in einem Gewächshaus oder Gewächshaus, im Keller, wenn dort Gemüse gelagert wird, in die Kammer eines Kühl- oder Gefrierschranks, Wasser in einem Aquarium und viele andere Gegenstände. Für Haushaltsthermometer gelten in der Regel Anforderungen wie Messgenauigkeit – nicht schlechter als 0,5 °C im Temperaturbereich von -50 bis +100 °C (bei der Messung der menschlichen Körpertemperatur – nicht schlechter als 0,1...0,2 °C), geringe Größe , Effizienz, Energieautonomie, geringe thermische Trägheit und hygienische Unbedenklichkeit. Das hier beschriebene relativ einfache Digitalthermometer erfüllt diese Anforderungen weitgehend. Das empfindliche Element des Geräts ist ein Temperatursensor, dessen Funktionsprinzip auf der Eigenschaft einiger Materialien beruht, bei Temperaturänderungen ihren elektrischen Widerstand zu ändern. Temperatursensoren können unterschiedlich sein. In der Industrie werden beispielsweise häufig massive Metall-Wärmewandler (Kupfer oder Platin) eingesetzt. Für Haushaltsgeräte eignen sich am besten die kleinen Halbleiterthermistoren MMT, KMT, ST1, ST3, TR-4. MMT-4, die im Vergleich zu Metallwandlern eine deutlich geringere thermische Trägheit aufweisen, haben einen fast zehnmal höheren Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR) und einen größeren elektrischen Widerstand, der den Widerstand der Drähte ermöglicht, die den Sensor mit dem Gerät verbinden völlig vernachlässigt werden. Die besten Eigenschaften weist ein verglaster Miniatur-Tropfenthermistor TR-4 mit reduziertem TCR auf. Es hat die Abmessungen 6x4x2,5 mm; Flexible Leitungen mit einer Länge von 80 mm bestehen aus Draht mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Seine Masse beträgt 0,3 g. Die wichtigsten elektrischen Eigenschaften des TR-4-Thermistors: Nennwiderstand – 1 kOhm ± 2 % bei einer Temperatur von +25 °C, TCR – ca. 2 %/°C, Betriebstemperaturbereich –60...+200 „C, Zeitkonstante - 3 s .
Der Nachteil von Halbleiterthermistoren ist die Nichtlinearität der Widerstandsabhängigkeit von der Temperatur und eine erhebliche Streuung der Eigenschaften, was der Hauptgrund für ihre breite Verwendung bei der Temperaturmessung ist. Die Grafik zeigt eine typische Abhängigkeit des Widerstands der Halbleiterthermistoren TR-4 und MMT-4 von der Temperatur. Durch entsprechende Schaltungslösungen zur Linearisierung der Kennlinien können diese Mängel jedoch deutlich behoben werden. Wichtigste technische Eigenschaften eines Thermometers mit TR-4-Thermistor:
Auflösung, °С. . . 0,1 Messfehler, °С, an den Rändern des Arbeitsintervalls. . . ±0,5 im mittleren Teil des Arbeitsintervalls nicht schlechter als . . . ±0,1...0,2 Versorgungsspannung, V. . . 9 Verbrauchter Strom, mA. . . eines Abmessungen, mm . . 175x65x30 Masse, g. . . 250 Das schematische Diagramm des Thermometers ist in Abb. dargestellt. 1. Basis des Gerätes ist ein integrierender Analog-Digital-Wandler (ADC) DA3, an dessen Ausgang ein vierstelliger Flüssigkristallanzeiger HG1 angeschlossen ist. Diese elementare Basis ermöglichte es, den Energieverbrauch zu senken und dem Gerät kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht zu verleihen.
Der Messkreis des Gerätes besteht aus dem Stromeinstellwiderstand R1, den Widerständen R2 und R3, die die Referenzspannung Urev bilden, dem Thermistor R4, der sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, und einem Kompensationswiderstand, der die Funktion hat was durch die Widerstände R5, R6 erfolgt. Um den Fehler durch Selbsterwärmung des Thermistors zu reduzieren, wird der Wert des Stromeinstellwiderstands R1 so gewählt, dass der Strom im Messkreis etwa 0,1 mA beträgt. Das Gerät nutzt die direkte Messung des Wärmewiderstands mithilfe der Verhältnismethode – der Thermistor R4 und der Referenzwiderstand (R2+R3) sind in Reihe geschaltet und werden vom gleichen Strom durchflossen. Der am Thermistor auftretende Spannungsabfall wird den Eingangspins 30 und 31 zugeführt, und der Spannungsabfall am Referenzwiderstand, der als Referenzspannungsquelle Urev dient, wird an die Pins 35 und 36 des DA3-ADC gesendet. Bei dieser Messmethode hängt das Ergebnis der ADC-Umwandlung nicht vom Strom im Messkreis ab, was bedeutet, dass keine traditionell verwendeten hochwertigen Strom- und Referenzspannungsquellen erforderlich sind, von denen die Genauigkeitseigenschaften des Messgeräts weitgehend abhängen abhängen. Für ein Gerät, das im Temperaturmessmodus arbeitet, besteht eine typische Aufgabe darin, den Anfangswert des Wärmewiderstands bei Nulltemperatur zu kompensieren. Dazu wird der Widerstandswert des Kompensationswiderstands (R5+R6) gleich dem Widerstandswert des Thermistors R4 bei Nulltemperatur gewählt und um die Summe der an Pin 30 von gelieferten Spannungswerte Ut+Uk zu kompensieren Beim ADC wird an dessen Pin 31 eine Spannung von 2 Uk angelegt, die den Operationsverstärker DA2 mit der Verstärkung K=(1+R14/R13)=2 bildet. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass mit steigender Temperatur der Widerstand des Thermistors abnimmt, gilt dann Uin ADC = U+in – U-in = 2Uk-(Ut+Uk) = Uk-Ut. Die Linearisierung der nichtlinearen Abhängigkeit des Wärmewiderstands von der Temperatur wird durch die Parallelschaltung des Thermistors R4 mit dem Widerstand R11 erreicht – grob, aber präzise durch die Einführung des Operationsverstärkers DA1 in das Gerät. Der Shunt-Widerstand R11 korrigiert diese Nichtlinearität jedoch nur teilweise, wodurch der Betriebstemperaturbereich etwas erweitert wird. Das Prinzip der präzisen Linearisierung basiert auf Änderungen des ADC-Umwandlungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Referenzspannung Urev. Es ändert sich dank der Rückmeldung durch den Operationsverstärker DA1. Bei einer solchen Verbindung wird ein Teil der Eingangsspannung Uin, bestimmt durch die Verstärkung des Operationsverstärkers DA1 V=[1+(R8+R9)/R7], zur Spannung Urev addiert. Je mehr der Widerstand des Thermistors mit abnehmender Temperatur zunimmt, desto schneller steigt die Referenzspannung, und dies führt zu einer proportionalen Verringerung des ADC-Umwandlungskoeffizienten: Urev=U+rev-U-rev=U0-V(Uk-Ut) , wobei U+rev-U -rev – Spannungen an den Pins 36 bzw. 35 des ADC. Wenn wir den Preis für die Division der niedrigstwertigen Ziffer gleich 0,1 C annehmen, wird der Wert des digitalen Indikators НG1 in der endgültigen Form durch den Ausdruck N=100Uin/Uobr=100(Uк-Uт)/[(U0) bestimmt -В(Uк-Uт)]=100(R5 +R6-R4)/[(R2+R3)-В(R5+R6-R4)] Andere Elemente des Thermometers, die den Betrieb des ADC gewährleisten, sind Standard. Der vom Wechselrichter eingeschaltete Transistor VT1 dient zur Anzeige des Dezimalpunkts in der Digitalanzeige HG1. Die Geräteteile sind auf einer Leiterplatte aus folienbeschichtetem Glasfaserlaminat mit einer Dicke von 1,5 mm montiert. Der DA3-Chip ist seitlich auf den Leiterbahnen montiert. Die Buchsen X1, X2 (vom 2RM-Stecker) werden direkt auf die Leiterplatten gelötet. Zur Befestigung des SA1-Schalters sind auch bedruckte Pads im Lieferumfang enthalten. Festwiderstände - S2-29V, Abstimmwiderstände - SP3-38a. Kondensatoren: C1 – K50-6, C3 und C7 – K22U, C5 – K73-17, C2 und C6 – K73-24. Schalter SA1 – PD9-2, Batterie GB1 – „Korund“. Der Indikator IZhKTs1-4/8 kann durch IZhKTs-5 ersetzt werden. Das Design des Sensors ist beliebig. Beispielsweise wird in einen Kunststoffstab mit einem Durchmesser von 5 und einer Länge von 65–70 mm ein axiales Durchgangsloch mit einem Durchmesser von etwa 3 mm gebohrt und anschließend an einem seiner Enden eine Aussparung gebohrt. Auf die Thermistorleitungen werden dünne Isolierschläuche gesteckt, die Leitungen werden durch das Loch im Stab geführt, der Thermistor wird in die Aussparung eingebaut und mit BOV-1-Kleber und KO947-Lack versiegelt. Die Enden eines zweiadrigen flexiblen Kabels werden an die Anschlüsse angelötet und ein Stück dünnwandiges Duraluminiumrohr, das als Griff des Sensors dient, wird fest auf das dem Thermistor gegenüberliegende Ende des Stabes aufgesetzt. Die Länge des Anschlusskabels beträgt ca. 1,5 m. Aufgrund der erheblichen Streuung der Parameter von Halbleiterthermistoren werden drei Trimmwiderstände in das Gerät eingeführt: R5 zum Einstellen des Nullpunkts, R2 zum Einstellen der Skalenskala und R9 zum Linearisieren der Eigenschaften des Thermistors. Die einfachste Einstellung des Thermometers kann bequem über drei Kontrolltemperaturwerte erfolgen: Schmelzwasser (0 °C), menschlicher Körper (36,6 °C) und kochendes Wasser (100 °C). Der erste dieser Kontrollpunkte misst die Temperatur von Wasser in Eis, nicht von Wasser mit Eis, die mehr als 1 °C betragen kann. Am zweiten Kontrollpunkt dient ein medizinisches Thermometer als Referenzgerät. Der Siedepunkt von Wasser muss durch Anpassung an den Atmosphärendruck angepasst werden. In Pjatigorsk beispielsweise, das auf einer Höhe von etwa 500 m über dem Meeresspiegel liegt, kocht das Wasser bei einer Temperatur von 92,5 °C. Die Justierung beginnt mit dem Eintauchen des Sensors in Schmelzwasser. Stellen Sie die Anzeige mit dem Trimmwiderstand R5 auf Null. Durch abwechselndes Einstellen der Widerstände R2 und R9 werden dann Anzeigewerte erreicht, die den Temperaturwerten an den anderen beiden Kontrollpunkten entsprechen. Anschließend wird der Sensor erneut in Schmelzwasser gelegt und alle Kontrollmessungen wiederholt. Eine genauere Justierung des Gerätes kann mit Industrie-Quecksilberthermometern mit einer Skalenteilung von 0,2 °C erfolgen. Anstelle des TR-4-Thermistors können im Sensor auch andere Thermistoren mit breiterem Anwendungsbereich verwendet werden, allerdings mit der obligatorischen Anpassung des Widerstands einiger Widerstände des Geräts. Bei MMT-4 mit einem Nennwiderstand von 1,3 kOhm sollte der Widerstand des Widerstands R11 auf 3,3 kOhm und beim Thermowiderstand ST3-19 mit einem Nennwiderstand von 2,2 kOhm auf 3 kOhm reduziert werden. Die Betriebsarten des ADC bei Verwendung von TR-4- und MMT-4-Thermistoren im Gerät sind in der Tabelle dargestellt. Wenn mit anderen Abstimmwiderständen als R11 nicht genügend Einstellgrenzen vorhanden sind, müssen Sie möglicherweise die Widerstände R3, R6, R8 auswählen. Autor; V. Suetin, Pjatigorsk; Veröffentlichung: cxem.net
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