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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Thermomètre numérique domestique. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Régulateurs de puissance, thermomètres, stabilisateurs thermiques La nécessité d’un thermomètre est due à de nombreuses circonstances. Dans la vie de tous les jours, par exemple, la nécessité de mesurer rapidement la température du corps ou de l'eau d'une personne, pour baigner un enfant, la température à l'intérieur ou à l'extérieur d'une pièce, dans une serre ou une serre, au sous-sol si des légumes y sont stockés, dans la chambre d'un réfrigérateur ou de son congélateur, l'eau d'un aquarium et bien d'autres objets. Les thermomètres domestiques sont généralement soumis à des exigences telles que la précision des mesures - pas pire que 0,5 C dans la plage de température de -50 à +100 ° C (lors de la mesure de la température du corps humain - pas pire que 0,1...0,2 ° C), de petite taille , efficacité, autonomie électrique, faible inertie thermique et innocuité hygiénique. Le thermomètre numérique relativement simple décrit ici répond largement à ces exigences. L'élément sensible de l'appareil est un capteur de température dont le principe de fonctionnement repose sur la propriété de certains matériaux de modifier leur résistance électrique lorsque la température change. Les capteurs de température peuvent être différents. Dans l'industrie, par exemple, des convertisseurs thermiques en métal massif (cuivre ou platine) sont souvent utilisés. Les thermistances semi-conductrices de petite taille MMT, KMT, ST1, ST3, TR-4 sont les plus adaptées aux appareils électroménagers. Les MMT-4, qui, par rapport aux transducteurs métalliques, ont une inertie thermique nettement inférieure, un coefficient de résistance à la température (TCR) presque dix fois plus élevé et une plus grande résistance électrique, ce qui permet la résistance des fils qui relient le capteur à l'appareil. être complètement négligé. Les meilleures caractéristiques ont une thermistance vitrifiée miniature en forme de goutte TR-4 avec un TCR réduit. Il a des dimensions 6x4x2,5 mm ; les câbles flexibles de 80 mm de long sont constitués de fils à faible conductivité thermique. Sa masse est de 0,3 g. Les principales caractéristiques électriques de la thermistance TR-4 : résistance nominale - 1 kOhm ± 2% à une température de +25°C, TCR - environ 2 %/°C, plage de température de fonctionnement -60...+200"C, constante de temps - 3 s .
L'inconvénient des thermistances semi-conductrices est la non-linéarité de la dépendance de la résistance à la température et la dispersion importante des caractéristiques, qui constituent la principale raison qui empêche leur utilisation généralisée dans la mesure de la température. Le graphique illustre une dépendance typique de la résistance des thermistances semi-conductrices TR-4 et MMT-4 à la température. Cependant, des solutions de circuits appropriées pour la linéarisation des caractéristiques peuvent éliminer considérablement ces inconvénients. Principales caractéristiques techniques d'un thermomètre utilisant une thermistance TR-4 :
Résolution, °С. . . 0,1 Erreur de mesure, °С, aux bords de l'intervalle de travail. . . ±0,5 au milieu de l'intervalle de travail, pas pire que . . . ±0,1...0,2 Tension d'alimentation, V. . . 9 Courant consommé, mA. . . une Dimensions, mm . . 175x65x30 Messe, g. . . 250 Le diagramme schématique du thermomètre est présenté sur la Fig. 1. La base de l'appareil est un convertisseur analogique-numérique (ADC) intégrateur DA3, à la sortie duquel un indicateur à cristaux liquides à quatre chiffres HG1 est connecté. Cette base élémentaire a permis de réduire la consommation d'énergie et de conférer à l'appareil des dimensions et un poids réduits.
Le circuit de mesure de l'appareil est formé par la résistance de réglage du courant R1, les résistances R2 et R3, qui forment la tension de référence Urev, la thermistance R4, la tension Ut, qui varie en fonction de la température, et une résistance de compensation, qui a pour fonction de qui est réalisé par les résistances R5, R6. Pour réduire l'erreur due à l'auto-échauffement de la thermistance, la valeur de la résistance de réglage du courant R1 est choisie de telle sorte que le courant dans le circuit de mesure soit d'environ 0,1 mA. L'appareil utilise la mesure directe de la résistance thermique à l'aide de la méthode du rapport : la thermistance R4 et la résistance de référence (R2+R3) sont connectées en série et le même courant les traverse. La chute de tension qui se produit aux bornes de la thermistance est fournie aux broches d'entrée 30 et 31, et la chute de tension aux bornes de la résistance de référence, qui sert de source de tension de référence Urev, est envoyée aux broches 35 et 36 du CAN DA3. Avec cette méthode de mesure, le résultat de la conversion ADC ne dépend pas du courant dans le circuit de mesure, ce qui signifie qu'il n'est pas nécessaire de recourir à des sources de courant et de tension de référence de haute qualité traditionnellement utilisées, sur lesquelles dépendent en grande partie les caractéristiques de précision du compteur. dépendre. Pour un appareil fonctionnant en mode mesure de température, une tâche typique consiste à compenser la valeur initiale de la résistance thermique à température nulle. Pour ce faire, la résistance de la résistance de compensation (R5+R6) est choisie égale à la résistance de la thermistance R4 à température nulle, et afin de compenser la somme des valeurs de tension Ut+Uk fournies à la broche 30 de l'ADC, une tension égale à 31 Uk est appliquée sur sa broche 2, qui forme l'amplificateur opérationnel DA2 de gain K=(1+R14/R13)=2. Ensuite, en tenant compte du fait qu'avec l'augmentation de la température, la résistance de la thermistance diminue, nous avons Uin ADC = U+in - U-in = 2Uk-(Ut+Uk) = Uk-Ut. La linéarisation de la dépendance non linéaire de la résistance thermique à la température est réalisée en shuntant la thermistance R4 avec la résistance R11 - grossièrement, mais précisément en introduisant l'ampli opérationnel DA1 dans l'appareil. Mais la résistance shunt R11 ne corrige que partiellement cette non-linéarité, élargissant quelque peu la plage de température de fonctionnement. Le principe de linéarisation précise repose sur l'évolution du coefficient de conversion ADC en fonction de la tension de référence Urev. Cela change grâce au retour via l'ampli-op DA1. Avec une telle connexion, une partie de la tension d'entrée Uin, déterminée par le gain de l'ampli opérationnel DA1 V=[1+(R8+R9)/R7], est ajoutée à la tension Urev. Plus la résistance de la thermistance augmente avec la diminution de la température, plus la tension de référence augmente rapidement, ce qui entraîne une diminution proportionnelle du coefficient de conversion ADC : Urev=U+rev-U-rev=U0-V(Uk-Ut) , où U+rev-U -rev - tensions aux broches 36 et 35 de l'ADC, respectivement. Si nous prenons le prix de la division du chiffre le moins significatif égal à 0,1 C, alors sous la forme finale, la lecture de l'indicateur numérique НG1 sera déterminée par l'expression N=100Uin/Uobr=100(Uк-Uт)/[(U0 -В(Uк-Uт)]=100(R5 +R6-R4)/[(R2+R3)-В(R5+R6-R4)] D'autres éléments du thermomètre qui assurent le fonctionnement de l'ADC sont standards. Le transistor VT1, activé par l'onduleur, sert à indiquer le point décimal dans l'indicateur numérique HG1. Les pièces de l'appareil sont montées sur un circuit imprimé en stratifié de fibre de verre recouvert d'une feuille de 1,5 mm d'épaisseur. La puce DA3 est montée sur le côté des conducteurs imprimés. Les prises X1, X2 (du connecteur 2RM) sont soudées directement sur les circuits imprimés. Des tampons imprimés sont également fournis pour fixer le commutateur SA1. Résistances fixes - S2-29V, résistances de réglage - SP3-38a. Condensateurs : C1 - K50-6, C3 et C7 - K22U, C5 - K73-17, C2 et C6 - K73-24. Interrupteur SA1 - PD9-2, batterie GB1 - "Corindon". L'indicateur IZhKTs1-4/8 peut être remplacé par IZhKTs-5. La conception du capteur est arbitraire. Par exemple, dans une tige en plastique d'un diamètre de 5 et d'une longueur de 65 à 70 mm, un trou axial traversant d'un diamètre d'environ 3 mm est percé, puis un évidement est percé à l'une de ses extrémités. De minces tubes isolants sont placés sur les fils de la thermistance, les fils passent à travers le trou de la tige, la thermistance est installée dans l'évidement et scellée avec de la colle BOV-1 et du vernis KO947. Les extrémités d'un câble flexible à deux fils sont soudées aux bornes et un morceau de tube en duralumin à paroi mince, qui sert de poignée au capteur, est fermement placé sur l'extrémité de la tige opposée à la thermistance. La longueur du câble de connexion est d'environ 1,5 m. En raison de la dispersion importante des paramètres des thermistances semi-conductrices, trois résistances d'ajustement sont introduites dans l'appareil : R5 pour la mise à zéro, R2 pour la mise à l'échelle de l'échelle et R9 pour linéariser les caractéristiques de la thermistance. Le réglage le plus simple du thermomètre peut être effectué facilement à l'aide de trois valeurs de température de contrôle : eau de fonte (0 °C), corps humain (36,6 °C) et eau bouillante (100 °C). Le premier de ces points de contrôle mesure la température de l’eau dans la glace, et non de l’eau avec de la glace, qui peut être supérieure à 1 °C. Au deuxième point de contrôle, un thermomètre médical est utilisé comme appareil de référence. Le point d’ébullition de l’eau doit être ajusté en fonction de la pression atmosphérique. À Piatigorsk, par exemple, située à environ 500 m d'altitude, l'eau bout à une température de 92,5°C. Le réglage commence en plaçant le capteur dans l'eau de fonte. À l'aide de la résistance d'ajustement R5, réglez l'indicateur sur zéro. Ensuite, en ajustant alternativement les résistances R2 et R9, on obtient des lectures indicatrices qui correspondent aux valeurs de température aux deux autres points de contrôle. Ensuite, le capteur est à nouveau placé dans l'eau de fonte et toutes les mesures de contrôle sont répétées. Un réglage plus précis de l'appareil peut être effectué à l'aide de thermomètres industriels à mercure avec une graduation de 0,2 °C. Au lieu de la thermistance TR-4, d'autres thermistances d'application plus large peuvent être utilisées dans le capteur, mais avec le réglage obligatoire de la résistance de certaines résistances de l'appareil. Ainsi, avec MMT-4 avec une résistance nominale de 1,3 kOhm, la résistance de la résistance R11 doit être réduite à 3,3 kOhm, et avec la thermorésistance ST3-19 avec une résistance nominale de 2,2 kOhm - à 3 kOhm. Les modes de fonctionnement de l'ADC lors de l'utilisation des thermistances TR-4 et MMT-4 dans l'appareil sont indiqués dans le tableau. S'il n'y a pas suffisamment de limites de réglage avec des résistances de réglage autres que R11, vous devrez peut-être sélectionner les résistances R3, R6, R8. Auteur; V. Suétine, Piatigorsk ; Publication : cxem.net
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