Електронен термометър

[Mozo]

Професионална Гимназия по Електротехника и Електроника

Тема: Електронен термометър


1. Теоретична част

Поради по-голямата си инертност терморезисторите намират приложение в случаите, когато температурата се изменя сравнително бавно. При използване на платинени терморезистори поради нелинейната зависимост на съпротивлението от температурата също се прилагат методи за линеаризация както при термодвойките.
За измервания с по-малка точност (грешка, по голяма от 0,5%) и в тесен температурен обхват (от 0 до 200 C) температурната зависимост се приема за линейна, при което чувствително се опростява схемата на измервателното устройство.
При мостовите схеми за измерване на температурата се изисква прецизен подбор както на резисторите, участващи в моста, така и на резисторите, определящи коефициента на предаване за двата входа на деференциaлния усилвател. При по-широк температурен обхват се проявява нелинейност впоследствие на преразпределение на токовете в двете рамена на моста т.е. нелинейност, свързана с принципа на действие на мостовата схема.
В приложената схема този недостатък е избегнат. Токът протича само през терморезистора, включен във веригата на обратната връзка на операционния усилвател DA2. Освен това не е необходимо да се подбират специално резисторите, използвани в схемата.
За схемата важат следните зависимости:

За температурния обхват от 0 до 180 С може да се приеме, че съпротивлението Pt 100 се изменя линейно и се определя от същия израз, както за Cu 100, т.е. Rθ=Rо(1+А ). Различава се само температурният коефициент на съпротивлението за двата метала. Тогава за Uθ се получава:

Чрез промяна на съпротивлението R1 двете съставки на напрежението, което не зависят от температурата, могат да се направят равни и понеже са с противоположни значи, да се компенсират. За целта терморезисторът се поставя при 0 С или се заменя с точен резистор със съпротивление 100 Ω, при което с потенциометъра се регулира напрежението Uθ да бъде равно на 0.
Терморезисторите се прилагат особено успешно измерване на температурата по цифрови методи. Те се включват по подходящ начин във времезадаващи вериги, така че полученият времеинтервал е пропорционален на температурата. В такъв случай се спестяват по-сложните и по-скъпи аналогово-цифрови преобразуватели.

2. Изчисления

Изходни данни
- температурен обхват - 0 до 100° С
- вид на термочувствителния елемент (датчика) - терморезистор Pt 100
- захранващо напрежение ±15 V
- изходно напрежение при θ = 100° С - Uθ = 10 V; θ = 0° С - Uθ = 0 V

При избора на големината на тока трябва да се има предвид промяна на съпротивлението на терморезистора за 100° С промяна на температурата и изискването за изходно напрежение на термометъра. Те ще определят коефициента на усилване на DA3, който трябва да бъде от 50 до 200.
За платината A = αR = 3,98.10־³ °C־¹, т.е. ΔRθ = 39,8 Ω.
Ако приемем KU(DA3) = 200, при ΔUизх = 10 V промяната на входното напрежение трябва да бъде ΔUвх = ΔURθ = 50 mV. От друга страна, ΔURθ = ΔRθ.Iм, откъдето минималната стойност на тока Iм трябва да бъде:

Следователно можем да изберем засега: Iм = 2 mA
Оръжмеряване на схемата (изчисляване и избор на стойностите на елементите)
1. Избираме VD - ценеров диод с Uz = 6,2 V (имат най-малко TKU).
2. Избираме Iz = 10 mA (по каталог)
3. Изчисляваме:

Избираме най-близка стандартна стойност за R6 - 910 , при което токът Iz ще бъде по-малък от 10 mА.
4. Изчисляваме:

Избираме за Rм стойност 3 kΩ
5. При избраната стойност на Rм изчисляваме стойността на Iм:



6. Определяме коефициента на усилване на DA3 при така изчислените стойности на елементите:


7. Избираме R3 = 1 kΩ, а за R4 се получава R4 = KU(DA3). R3 = 94,1 kΩ. За да може да се настройва изходното напрежение при 100° С, е удобно R4 да се реализира с два резистора – постоянен R4 – 91 kΩ, и донастройващ - R4 – 5 kΩ.
8. За да определим съпротивлението на R1 и R2, трябва да изчислим стойностите на напрежението при 0° С, което трябва да се компенсира:

През R3 протича ток I3 = URθ / R3 = 0,267 / 1000 = 1,267 mA
Същия ток, но с обратно посока трябва да протече през R1 и R2, т.е.

Избираме R2 = 20 kΩ и R1 = 5 kΩ – донастройващ резистор.
9. Избираме R5 от условието за симетрия на операционния усилвател – R5 = R3 || R4 || R1 + R2. Тъй като R4 и R1 + R2 са много по-високоомни от R3, могат да се пренебрегват и тогава R5 = R3.
Може да се докаже (изчисли), че всички резистори могат да бъдат с мощност 0,125 W.

3. Принципна схема

Схема за измерване на температура с метални терморезистори


Целият материал: