Электрический термометр своими руками

Каждому приходилось во время болезни измерять себе температуру ртутным термометром. Эта процедура занимает обычно 5...7 минут. Если взрослые держат градусник спокойно, то за детьми приходится наблюдать, чтобы они его случайно не сломали.
Предлагаемое устройство позволяет за 3 секунды измерить темпера туру тела или предмета (например микросхемы) в диапазоне от 20 до 45°С с точностью не хуже 0,1°С. Этот диапазон при желании легко можно расширить или сдвинуть при изготовлении.

По сравнению с ртутным термометром электрический более удобен и безопасен, особенно когда приходится измерять температуру у маленьких детей или у животных.
В основу по строения схемы взят мостовой преобразователь. Изменение величины сопротивления термодатчика R8 приводит к разбалансу моста и появлению на стрелочном индикаторе РА1 тока, пропорционального температуре.

Особенностью данного прибора является применение в качестве датчика температуры терморезистора типа СТЗ-19 10 кОм, который обладает очень малой массой, за счет чего и удается получить высокую скорость измерения. Этот датчик удобно закрепить на конце пластмассовой трубки от шариковой авторучки и перевитыми между собой проводами длиной 1...0.6 м через разъем Х1 подключить к измерительному блоку. На разъеме от датчика между контактами 1 и 2 установлена перемычка, которая не позволит включить схему устройства, если не подключен термодатчик, что предохраняет измерительный прибор РА1 от повреждения. Питается схема от двух любых аккумуляторов или батареек с общим напряжением 2...3 В и потребляет от источника ток не более 5 мА.

Транзисторы VT1 и VT2 используются как низковольтные стабилитроны и могут быть заменены на КТ3102А, Б, В, Г.

Переменные резисторы, для удобства настройки, лучше применить многооборотные, типа СП5-2 или аналогичные.

Габариты устройства определяются размерами стрелочного индикатора РА1, и при использовании микроамперметра М4205 на ток 0...50 мкА они не превышают 85х65х60 мм

Топология печатной платы и размещение на ней элементов показаны на рисунке

Настройку прибора начинают с измерения сопротивления резистора R8 (желательно с высокой точностью) при фиксированной температуре 20°С. Для этих целей удобно воспользоваться промышленной термокамерой с автоматическим поддержанием заданной температуры, куда и помещают термодатчик. Возможны и другие способы получения температуры 20°С но надо учитывать, что от точности измерения сопротивления термодатчика при этой температуре зависит точность измерения прибора.

После измерения R8 из двух резисторов R6+R7 подбираем такой же номинал сопротивления и припаиваем их в схему.

После этого, установив движки резисторов R2 и R3 в среднее положение, включаем схему тумблером S1 и выполняем последовательно следующие операции:

а) установить переключатель 82 в положение КАЛИБРОВКА и резистором R2 вывести стрелку измерительного прибора в нулевое положение на шкале;

б) поместить датчик температуры в место с известной, постоянной температурой (в пределах желаемого измерительного диапазона);

в) установить переключатель S2 в положение ИЗМЕРЕНИЕ и резистором R3 установить стрелку прибора на значение шкалы, которое будет соответствовать измеренной величине;

Операции а), б) и в) необходимо повторить последовательно несколько раз, после чего настройку можно считать законченной.

В заключение хотелось бы отметить, что в настроенном приборе диа пазон измерения можно сдвинуть резистором R2 при переключении в режим КАЛИБРОВКА и устанавливая стрелку (ее положение будет соответствовать значению 20°С) на любое значение шкалы. После этого при переключении прибора в режим ИЗМЕРЕНИЕ шкала будет соответствующим образом сдвинута относительно положения стрелки в режиме КАЛИБРОВКА.

Прибор имеет большой запас по чувствительности, которая увеличивается с уменьшением сопротивления R3 (при первоначальной настройке). Можно сделать так, чтобы прибор улавливал температуру дыхания или же изменение температуры при циркуляции воздуха.

Схема термометра с цифровой индикацией

Цифровые термометры довольно широко представлены в магазинах. Это, как правило, автономные приборы с питанием от гальванических элементов и жидкокристаллическим индикатором. Датчиком температуры в таких устройствах чаще всего являются терморезисторы или специальные полупроводниковые датчики, выдающие двоичный код температуры по запросу управляющего микроконтроллера. Насколько точно такие термометры измеряют температуру во всём рабочем диапазоне определяется серьёзностью фирмы изготовителя, которая не всегда на высоте, что может иметь фатальные последствия, если, например, термометр используется для контроля температуры в инкубаторе. Повторить такую конструкцию затруднительно из-за отсутствия специфических элементов.
В радиотехнических журналах и интернете неоднократно публиковались схемы электронных термометров, в которых в качестве датчика температуры использовались полупроводниковые диоды или транзисторы. Если p-n переход запитать стабильным постоянным током, то падение напряжения на нём в достаточно широком диапазоне почти линейно зависит от температуры. Проблема в том, что для каждого экземпляра диода или транзистора эта зависимость своя, что затрудняет калибровку прибора, т.к. требуется реально помещать датчики в жидкости с точно известной температурой. При использовании обычных терморезисторов температурная зависимость становится ещё более непредсказуемой и погрешность показаний достигает неприемлемых значений. Выходом из этой неприятной ситуации является использование термометров сопротивления - широко распространённых средств автоматики.
Термометры сопротивления представляют собой бифилярно намотанную катушку из тонкого медного или платинового провода, размещённую в небольшом цилиндрическом корпусе (около Ф 4 х 20 мм), называемую чувствительным элементом. Для защиты от внешних повреждений и удобства подключения чувствительные элементы очень часто помещают в специальный корпус с боксом для подключения внешних проводников. Главное достоинство этих приборов - линейная нормированная (табличная) зависимость сопротивления от температуры, что позволяет легко производить замену датчиков и производить настройку цифровых термометров, используя только набор прецизионных резисторов, с сопротивлением, равным табличному значению сопротивления при выбранной температуре.
Погрешность измерения в диапазоне температур от -200 град.С до +200 град.С не превышает 0,5 град.С , и , главное, показания достоверны. Термометры сопротивления выпускают с разными температурными характеристиками, называемыми градуировкой. Наиболее распространены медные термометры сопротивления градуировок 50М и 100М, которые указывают на сопротивление чувствительного элемента при 0 град.С. Зависимость сопротивления датчиков от температуры можно узнать с помощью специальной программы. Выше приведённая схема как раз использует в качестве датчика медный термометр сопротивления градуировки 100М. В схеме можно применить абсолютно любые датчики с любой градуировкой, но необходимо будет подобрать номиналы элементов измерительного моста.
Термометр имеет светящиеся индикаторы и питается от любого сетевого адаптера или аккумулятора с выходным напряжением 12 В. На операционном усилителе DA2 и транзисторе VT1 собран узел получения искусственной средней точки, необходимой для работы аналого - цифрового преобразователя DA1, а на ОУ DA3 собран нормирующий преобразователь, выдающий напряжение -2,000 ... +2,000 В при изменении температуры датчика от -200 град.С до +200 град.С.

После изготовления устройства приступают к его настройке. Вначале подбором резисторов R3, R4 добиваются уровня напряжения на выводе 36 микросхемы DA1 равным 1,000В, контролируя его цифровым мультиметром. Вместо одного из резисторов можно использовать прецизионный проволочный резистор. Далее приступают к настройке нормирующего преобразователя. Вместо датчика температуры подключают прецизионный резистор сопротивлением 100,0 Ом и вращением подстроечного резистора R14 добиваются нулевых показаний цифрового индикатора. Чтобы регулировка удалась, все резисторы нормирующего преобразователя должны быть прецизионными или тщательно подобранными с помощью цифрового мультиметра - отклонение сопротивлений парных резисторов (с одинаковым на схеме сопротивлением) не должно превышать 1%.
Если настройка нуля прошла успешно, вместо датчика подключают прецизионный резистор с сопротивлением, равным одному из значений сопротивления датчика при выбранной температуре. Подбором резистора R7 и подстроечного R6 добиваются показания этой температуры на цифровом индикаторе прибора. Если датчик температуры будет соединяться с цифровым термометром с помощью кабеля длиной несколько метров, настройку нуля и диапазона необходимо проводить при подключенном кабеле.

Прецизионные резисторы подключаются на конце кабеля, в месте установки термометра сопротивления. При изменении длины кабеля настройку прибора повторяют - достаточно иметь два прецизионных резистора: 100,0 Ом и любой 110 .. 130 Ом, значение которого точно вымеряют и по градуировочной таблице определяют, какой температуре соответствует это сопротивление, чтобы по этому значению настроить показания. После настройки индикации выбранного значения температуры проверяют уход "0", при необходимости его опять подстраивают резистором R14, и снова проверяют соответствие показаний индикатора выбранному значению и т.д.