Електронний цифровий термометр

Винахід відноситься до вимірювальної техніки, зокрема до портативних вимірювачів температури. Відомі термометри, де використовуються термоперетворювачі на основі р-n-переходу (діодні або транзисторні). Мала вартість, здатність працювати без зміни характеристик на протязі довгого часу, висока чутливість, широкий температурний діапазон, починаючи від кріогенних температур, роблять їх конкурентноздатними з іншими типами термоперетворювачів. Відомо, якщо через p-n-перехід тече незмінний струм, то напруга на переході є майже лінійною функцією температури. де k - const Больцмана; q - заряд електрона (const); Т - абсолютна температура (К); І к - струм колектора (const); І ко - зворотній струм насичення (тепловий) колекторного переходу. Залежність І ко від температури приводить до нелінійності функції Vбе = f(Т). При побудові високоточного термометра (з величиною похибки D = ± (0,1 - 0,5)°С) вказана нелінійність стає перешкодою. В статті: Пэт О'Нил, Карл Дерингтон "Транзисторы в качестве датчиков температуры", Электроника, Т. 52, №21, 1979; приведено теоретичний аналіз методу корекції нелінійності реалізованого в практичному термометрі, описаному в роботі; Akіra Ohte and Mіchlanakі Yamagata "A Precision Silicon Transistor Thermometer", IEEE, Transaction of Instrumentation and Measurement. Vol. ІМ-2b, Dec, 1977 (аналог). Компенсація нелінійності виконується шляхом зміни струму колектора І к по певному закону для компенсації впливу теплового струму І ко. Ця операція реалізується з допомогою. спеціальної схеми "генератора функції" (фіг.1). Недоліком є складність схеми та її відладки. В роботі описано термометр, точність якого доведена до ± 0,1 °С. Відомий також термометр портативний цифровий ТП 5 вітчизняного виробництва (прототип), в якому корекція нелінійності виконується методом резистивної лінеаризації самого чутливого елемента (р-nпереходу), а також шляхом дискретної зміни опорної напруги АЦП в точці 0°С. Схема термометра складається з транзисторного, термоперетворювача, мостової резистивної схеми, АЦП з Індикатором, презиційного стабілізатора напруги і схеми корекції нелінійності. Схема корекції нелінійності зібрана на мікросхемі К561КТЗ, транзисторні ключі якої переключаються сигналом від АЦП в точці 0°С. В результатів точці 0°С дискретно змінюється опорна напруга АЦП. де N - покази індикатора; UC - напруга сигналу; UR - опорна напруга;. K - const. Як видно з формули, відбувається злом вихідної нелінійної характеристики в нулевій точці, що дає можливість дещо зменшити похибку у вузькому діапазоні температур (фіг.2). Недоліком такої схеми є складність і недостатня точність корекції, а в широкому діапазоні температур взагалі такий метод малоефективний. Схема відрізняється складністю наладки і калібровки. В термометрі досягнута точність вимірювання ±0,5°С в діапазоні (-35 - +45)°С. В запропонованому винаході недоліки аналога і прототипа усуваються шляхом аналогової зміни опорної напруги АЦП пропорційно до вхідного сигналу АЦП, що забезпечує значне спрощення схеми корекції нелінійності, підвищення точності корекції (вимірювання в діапазоні температур (-50 - +160)°С. Реалізовано термометр з максимальною похибкою вимірювань ±0,1 °С у вказаному діапазоні температур. Наладка і калібровка відзначається простотою і малими затратами часу в порівнянні з аналогом і прототипом. Вказаний технічний результат досягається тим, що схема корекції нелінійності характеристики термометра N = f(T) виконана у вигляді резистивного суматора напруг 5, що своїм входом В підключений до виходу мостового масштабного повторювача 2, входом А до, прецизійного стабілізатора напруги 3, а виходом до клем UR опорної напруги АЦП. Функціональна схема термометра приведена на фіг.3. Термометр складається з термочутливого елемента 1 на основі транзисторного р-n-переходу, мостового масштабного повторювача напруги 2, прецизійного параметричного стабілізатора 3, від якого задаються опорні напруги мостового повторювача і АЦП при температурі термочутливого елемента 0°С; аналогоцифрового перетворювача з Індикатором 4 і схеми корекції нелінійності характеристики термометра 5. В робочому режимі термометра опорна напруга UR АЦП формується суматором 5. де UOR - опорна напруга при 0°С (UC=0); UC = f(T) - напруга сигналу на виході повторювача 2; g - коефіцієнт передачі UС в точку сумування напруг (UR ). При такій схемі термометра покази температури на Індикаторі дорівнюють: де К = const; g - const; UC = f(T). В реальних умовах UC = f(T) не є лінійною функцією, як було відмічено раніше, так як UС = Uбе. На фіг 4а приведені якісні характеристики N = f(Т): Аналізуючи фіг.4а і 4б стає очевидним, що підібравши величину коефіцієнта g, можна характеристику N = f(T) термометра зробити лінійною в широкому діапазоні температури. Наладка і калібровка виконується в трьох температурних точках діапазону вимірювань. Спочатку в нультермостаті виставляється 0°С на індикаторі з допомогою резисторів R1, R2, R3. Пізніше з допомогою термостата по зразковому термометру на Індикаторі виставляється значення температури N1, що відповідає показам зразкового термометра. Далі при температурі Т2 фіксуються покази індикатора N2 термометра, що калібрується. Користуючись очевидними залежностями визначаються: При а1 = а2 - характеристика термометра N = f(T) лінійна і регулювання не потребує; а1 а2 - має місце перекомпенсація; змінюючи g добиваються умови а1 = а2. Регулюванням UОR виставляється крутизна характеристики N = f(T). Принцип дії термометра. Термочутливий елемент 1 включений в схему повторювана напруги 2 так, що через нього завжди тече незмінний струм. При зміні температури зонда напруга на p-n-переході термочутливого елемента змінюється, в результаті змінюється напруга на виході повторювача. Ця напруга, що є вхідним сигналом UС АЦП, одночасно через подільник подається на суматор 5, який формує опорну напругу UR для АЦП. За рахунок неперервної зміни UR в процесі роботи термометра відбувається лінеарізація характеристики термометра N = f(T) в широкому діапазоні температур.