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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Termômetro digital doméstico. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Reguladores de potência, termômetros, estabilizadores de calor A necessidade de um medidor de temperatura se deve a muitas circunstâncias. No dia a dia, por exemplo, a necessidade de medir rapidamente a temperatura do corpo de uma pessoa ou da água, para dar banho a uma criança, a temperatura dentro ou fora de uma sala, numa estufa ou estufa, na cave se aí estiverem armazenados vegetais, em a câmara de uma geladeira ou seu freezer, água de um aquário e muitos outros objetos. Os termômetros domésticos geralmente estão sujeitos a requisitos como precisão de medição - não pior que 0,5 C na faixa de temperatura de -50 a +100 ° C (ao medir a temperatura do corpo humano - não pior que 0,1...0,2 ° C), tamanho pequeno , eficiência, autonomia energética, baixa inércia térmica e inocuidade higiênica. O termômetro digital relativamente simples descrito aqui atende amplamente a esses requisitos. O elemento sensível do dispositivo é um sensor de temperatura, cujo princípio de funcionamento se baseia na propriedade de alguns materiais de alterar sua resistência elétrica quando a temperatura muda. Os sensores de temperatura podem ser diferentes. Na indústria, por exemplo, são frequentemente utilizados conversores térmicos de metal maciço (cobre ou platina). Termistores semicondutores de pequeno porte MMT, KMT, ST1, ST3, TR-4 são mais adequados para eletrodomésticos. MMT-4, que, comparados aos transdutores metálicos, possuem significativamente menos inércia térmica, possuem coeficiente de resistência de temperatura (TCR) quase dez vezes maior e maior resistência elétrica, o que permite a resistência dos fios que conectam o sensor ao dispositivo ser completamente negligenciado. As melhores características têm um termistor vitrificado TR-4 em forma de gota em miniatura com TCR reduzido. Possui dimensões 6x4x2,5 mm; cabos flexíveis com 80 mm de comprimento são feitos de fio com baixa condutividade térmica. Sua massa é de 0,3 g. As principais características elétricas do termistor TR-4: resistência nominal - 1 kOhm ± 2% a uma temperatura de +25 ° C, TCR - aproximadamente 2 % / ° C, faixa de temperatura operacional -60...+200 "C, constante de tempo - 3 s .
A desvantagem dos termistores semicondutores é a não linearidade da dependência da resistência com a temperatura e uma dispersão significativa nas características, principal motivo que dificulta seu uso generalizado na medição de temperatura. O gráfico ilustra uma dependência típica da resistência dos termistores semicondutores TR-4 e MMT-4 com a temperatura. No entanto, soluções de circuito apropriadas para linearização das características podem eliminar significativamente estas deficiências. Principais características técnicas de um termômetro usando termistor TR-4:
Resolução, °С. . . 0,1 Erro de medição, °С, nas bordas do intervalo de trabalho. . . ±0,5 na parte intermediária do intervalo de trabalho, não pior que . . . ±0,1...0,2 Tensão de alimentação, V. . . 9 Corrente consumida, mA. . . 1 Dimensões, mm . . 175x65x30 Massa, G. . . 250 O diagrama esquemático do termômetro é mostrado na Fig. 1. A base do dispositivo é um conversor integrador analógico-digital (ADC) DA3, à saída do qual um indicador de cristal líquido HG1 de quatro dígitos está conectado. Esta base elementar permitiu reduzir o consumo de energia e dotar o dispositivo de pequenas dimensões e peso.
O circuito de medição do dispositivo é formado pelo resistor ajustador de corrente R1, os resistores R2 e R3, que formam a tensão de referência Urev, o termistor R4, a tensão Ut, que muda dependendo da temperatura, e um resistor compensador, função de que é realizado pelos resistores R5, R6. Para reduzir o erro de autoaquecimento do termistor, o valor do resistor de ajuste de corrente R1 é escolhido de forma que a corrente no circuito de medição seja de aproximadamente 0,1 mA. O dispositivo utiliza medição direta de resistência térmica usando o método de razão - o termistor R4 e o resistor de referência (R2+R3) são conectados em série e a mesma corrente flui através deles. A queda de tensão que ocorre no termistor é aplicada aos pinos de entrada 30 e 31, e a queda de tensão no resistor de referência, que serve como fonte de tensão de referência Urev, é enviada aos pinos 35 e 36 do ADC DA3. Com este método de medição, o resultado da conversão ADC não depende da corrente no circuito de medição, o que significa que não há necessidade de fontes de corrente e tensão de referência de alta qualidade usadas tradicionalmente, nas quais as características de precisão do medidor são em grande parte depender. Para um dispositivo operando no modo de medição de temperatura, uma tarefa típica é compensar o valor inicial da resistência térmica em temperatura zero. Para isso, a resistência do resistor de compensação (R5+R6) é escolhida igual à resistência do termistor R4 à temperatura zero, e para compensar a soma dos valores de tensão Ut+Uk fornecidos ao pino 30 do No ADC, uma tensão igual a 31 Uk é aplicada em seu pino 2, que forma o amplificador operacional DA2 com ganho K=(1+R14/R13)=2. Então, levando em consideração o fato de que com o aumento da temperatura a resistência do termistor diminui, temos Uin ADC = U+in - U-in = 2Uk-(Ut+Uk) = Uk-Ut. A linearização da dependência não linear da resistência térmica com a temperatura é realizada desviando o termistor R4 com o resistor R11 - aproximadamente, mas precisamente, introduzindo o amplificador operacional DA1 no dispositivo. Mas o resistor shunt R11 corrige apenas parcialmente essa não linearidade, expandindo um pouco a faixa de temperatura operacional. O princípio da linearização precisa é baseado em mudanças no coeficiente de conversão ADC dependendo da tensão de referência Urev. Ele muda graças ao feedback do amplificador operacional DA1. Com tal conexão, parte da tensão de entrada Uin, determinada pelo ganho do amplificador operacional DA1 V=[1+(R8+R9)/R7], é adicionada à tensão Urev. Quanto mais a resistência do termistor aumenta com a diminuição da temperatura, mais rápido a tensão de referência aumenta, e isso leva a uma diminuição proporcional no coeficiente de conversão ADC: Urev=U+rev-U-rev=U0-V(Uk-Ut) , onde U+rev-U -rev - tensões nos pinos 36 e 35 do ADC, respectivamente. Se tomarmos o preço da divisão do dígito menos significativo igual a 0,1 C, então na forma final a leitura do indicador digital НG1 será determinada pela expressão N=100Uin/Uobr=100(Uк-Uт)/[(U0 -В(Uк-Uт)]=100(R5 +R6-R4)/[(R2+R3)-В(R5+R6-R4)] Outros elementos do termômetro que garantem o funcionamento do ADC são padrão. O transistor VT1, ligado pelo inversor, serve para indicar a vírgula decimal no indicador digital HG1. As peças do dispositivo são montadas em uma placa de circuito impresso feita de laminado de fibra de vidro revestido com folha de 1,5 mm de espessura. O chip DA3 é montado na lateral dos condutores impressos. Os soquetes X1, X2 (do conector 2RM) são soldados diretamente nas placas de circuito impresso. Também são fornecidos blocos impressos para conectar o switch SA1. Resistores fixos - S2-29V, resistores de sintonia - SP3-38a. Capacitores: C1 - K50-6, C3 e C7 - K22U, C5 - K73-17, C2 e C6 - K73-24. Chave SA1 - PD9-2, bateria GB1 - "Corindo". O indicador IZhKTs1-4/8 pode ser substituído por IZhKTs-5. O design do sensor é arbitrário. Por exemplo, em uma haste de plástico com diâmetro de 5 e comprimento de 65-70 mm, é feito um furo axial passante com diâmetro de cerca de 3 mm e, em seguida, um recesso é perfurado em uma de suas extremidades. Tubos isolantes finos são colocados nos cabos do termistor, os cabos são passados pelo orifício da haste, o termistor é instalado no recesso e selado com cola BOV-1 e verniz KO947. As extremidades de um cabo flexível de dois fios são soldadas aos terminais e um pedaço de tubo de duralumínio de parede fina, que serve como alça do sensor, é firmemente colocado na extremidade da haste oposta ao termistor. O comprimento do cabo de ligação é de cerca de 1,5 m. Devido à dispersão significativa nos parâmetros dos termistores semicondutores, três resistores de corte são introduzidos no dispositivo: R5 para definir zero, R2 para definir a escala de escala e R9 para linearizar as características do termistor. O ajuste mais simples do termômetro pode ser realizado convenientemente usando três valores de temperatura de controle: água derretida (0 °C), corpo humano (36,6 °C) e água fervente (100 °C). O primeiro destes pontos de controle mede a temperatura da água no gelo, e não da água com gelo, que pode ser superior a 1 °C. No segundo ponto de controle, um termômetro médico é usado como dispositivo de referência. O ponto de ebulição da água deve ser ajustado ajustando-se à pressão atmosférica. Em Pyatigorsk, por exemplo, localizado a uma altitude de cerca de 500 m acima do nível do mar, a água ferve a uma temperatura de 92,5°C. O ajuste começa colocando o sensor em água derretida. Usando o resistor de corte R5, defina o indicador para zero. Em seguida, ajustando alternadamente os resistores R2 e R9, são obtidas leituras do indicador que correspondem aos valores de temperatura nos outros dois pontos de controle. Em seguida, o sensor é novamente colocado em água derretida e todas as medições de controle são repetidas. Um ajuste mais preciso do dispositivo pode ser realizado usando termômetros industriais de mercúrio com divisão de escala de 0,2 °C. Em vez do termistor TR-4, outros termistores de aplicação mais ampla podem ser utilizados no sensor, mas com ajuste obrigatório da resistência de alguns resistores do dispositivo. Assim, com MMT-4 com resistência nominal de 1,3 kOhm, a resistência do resistor R11 deve ser reduzida para 3,3 kOhm, e com termorresistor ST3-19 com resistência nominal de 2,2 kOhm - até 3 kOhm. Os modos de operação do ADC ao usar termistores TR-4 e MMT-4 no dispositivo são mostrados na tabela. Se não houver limites de ajuste suficientes com resistores de sintonia diferentes de R11, talvez seja necessário selecionar os resistores R3, R6, R8. Autor; V. Suetin, Pyatigorsk; Publicação: cxem.net
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