Цифровой измеритель температуры от -272 до +1000 °С

Для измерения температуры, лежащей в указанном в заголовке статьи интервале я использовал хромель-алюмелевую термопару. Одна из возникающих при этом проблем заключается в необходимости компенсировать изменения температуры так называемого «холодного спая» термопары, а проще говоря, температуры окружающей измерительный прибор среды. Известны различные пути решения этой задачи, различающиеся сложностью и точностью. Я решил применить для усиления термоЭДС специализированную микросхему AD597 [1]. Она имеет встроенный компенсатор температуры холодного спая и нормированную крутизну преобразования температура-напряжение 10мВ/°С.

Термометр питается от сети переменного тока 50 Гц напряжением 90…240 В. Потребляемая мощность — не более 5 Вт. Рабочий интервал температуры электронного блока термометра — 0…70°С. Конструктивно он состоит из двух плат — основной (преобразователя термоЭДС в отображаемое светодиодными цифровыми индикаторами число) и блока питания.

Схема основной платы изображена на рис. 1. ТермоЭДС, генерируемую термопарой ВК1, усиливает микросхема DA1. Ее выходное напряжение поступает на АЦП, собранный на микросхеме DA2 по приведенной в [2] типовой схеме.

Внешний вид печатной платы показан на рис. 2, а ее чертеж — на рис. 3. Плата двусторонняя, выполнена заводским способом с металлизацией отверстий. На ней установлены постоянные резисторы С1-4-0,125, подстроечные резисторы — импортные аналоги отечественных СП5-2В. Конденсаторы (за исключением оксидных С1, СЗ) — керамические К10-17. Микросхему ICL7107 можно заменить отечественной КР572ПВ2 Микросхема DA1 расположена на стороне платы обратной видимой на фотоснимке.

Импульсный блок питания термометра собран на микросхеме UC3842 [3] по схеме показанной на рис. 4. Эта микросхема была выбрана благодаря широкой распространенности и сравнительно невысокой стоимости. Частота преобразования установлена равной 100 кГц. Стабильность выходного напряжения +5 В обеспечивает обратная связь в импульсном преобразователе, а напряжений -5 В и +12 В — линейные интегральные стабилизаторы DA3 и DA4. Такой принцип выбран по причине разного тока нагрузки выходов, по +5 В он самый большой (до 500 мА), а по двум другим не превышает 90 мА. Измерения показали, что КПД блока достигает 85 %, причем он сохраняет работоспособность при напряжении в сети 90…240 В.

Односторонняя печатная плата блока питания и расположение элементов на ней показаны на рис. 5. Полевой транзистор 2SK1118 установлен на пластинчатый теплоотвод и в процессе работы практически не нагревается. Цепь R10C8 можно заменить защитным диодом Р6КЕ200А (катодом к катоду диода VD4). А двунаправленным защитным диодом Р6КЕ200СА можно заменить всю цепь VD4R10C8.

Отечественный аналог микросхемы UC3842 — К1033ЕУ15АР. Вместо диодов FR207 можно использовать другие высокочастотные выпрямительные диоды с обратным напряжением не менее 700 В и выпрямленным током более 1,5 А. Диод FR307 в описываемом блоке рекомендуется заменить диодом Шотки 1N5822. Предохранитель FU1 — самовосстанавливающийся в корпусе ТО-92

Конденсатор С4 — К73-17 Конденсаторы С14—С18 — керамические типоразмера 1206 для поверхностного монтажа, они припаяны со стороны печатных проводников Оксидные конденсаторы — импортные, остальные — керамические К10-17. Номинал резистора R13 обязательно должен соответствовать указанному на схеме.

Для расчета трансформатора Т1 была использована программа VIPer Switch Mode Power Supply Design Software. Ее версию 2 24 (на момент публикации) можно «скачать» по адресу http://www.st.com/stonline/products/amilies/power_managernent/ ac_dc_conversion/high_voltage_ converters/software/vipersoft.exe
Описание методики расчета импульсного трансформатора с ее помощью приводилось, например, в [4].

Магнитопровод этого трансформатора — Ш-образный ЗС85 типоразмера Е16/8/5 от компьютерного блока питания. В магнитопроводе изготовлен алмазным надфилем воздушный зазор длиной 0,47 мм Обмотка I содержит 160 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,16 мм, причем 80 витков намотаны на каркас первыми, а оставшиеся 80 — поверх всех других обмоток Обмотка II — 45 витков, обмотка III —16 витков, обмотка IV — 38 витков. Все они намотаны таким же проводом, что и обмотка I Обмотка V состоит из 12 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,35 мм. При намотке между слоями провода укладывался канцелярский скотч в два слоя.

Двухобмоточный дроссель L1 — от вышедшего из строя источника питания. Дроссель L2 _ дг-6 указанной на схеме индуктивности или другой с гантелеобразным магнитопроводом и на ток не менее 1 А.

Первым налаживают блок питания. Прежде всего, не подключая его к сети, подают от вспомогательного источника постоянное напряжение 18… 19 В плюсом на вывод 7, а минусом — на вывод 5 микросхемы DA1. Осциллографом проверяют наличие на затворе полевого транзистоpa VT1 импульсов амплитудой немного меньше напряжения вспомогательного источника и частотой около 100 кГц.

Затем от другого источника подают напряжение 6 В на выходные контакты «+5 В» и «Общ.» блока и убеждаются, что импульсы на затворе транзистора при этом пропадают. Это свидетельствует о работоспособности микросхемы DA1 и стабилизирующей напряжение обратной связи.

Далее дополнительные источники питания отключают и подают на блок сетевое напряжение. При этом необходимо соблюдать особую осторожность, поскольку многие его элементы не изолированы от сети. Подстроечным резистором R15 устанавливают на выходе +5 В номинальное напряжение, контролируя его вольтметром. Убеждаются в наличии и правильных значениях напряжения на других выходах блока.

Присоединив к блоку питания гибкими изолированными проводами основную плату термометра, приступают к ее налаживанию. Подстроечным резистором R3 устанавливают напряжение между выводами 36 и 35 микросхемы DA2 равным 100 мВ. Подключив к прибору термопару, измеряют напряжение между соединенными выводами 5, 6 и выводом 3 микросхемы DA1 Разделив измеренное значение в милливольтах на 10, подстроечным резистором R4 устанавливают на индикаторах HG1, HG2 полученное таким образом число градусов Цельсия.

Можно поступить иначе. Не монтируя на плату микросхему DA1, подать на контактные площадки для ее выводов, указанных выше, известное с достаточной точностью постоянное напряжение от -2,7 до +10 В от любого источника (например, гальванического элемента) и установить подстроенным резистором R4 показания индикаторов, соответствующие этому напряжению. Затем, не нарушая регулировки, припаять микросхему на место.

Налаженные платы устанавливают одна над другой на четырех металлических втулках диаметром 6 мм и высотой 10 мм с внутренней резьбой МЗ. Эту сборку помещают в подходящий корпус К прибору подключают термопару, кабель питания и еще раз проверяют, опустив спай термопары в кипящую воду. При атмосферном давлении 760 мм рт. cт. термометр должен показать 100 °С.

ЛИТЕРАТУРА
1   Thermocouple Conditioner and Set point Controller AD596/AD597. — http:// www.analog.com/static/imported-files/ data_sheets/AD596_597.pdf
2 ICL7106, ICL7107, ICL7107S 31/2 Digit, LCD/LED Display, A/D Converters. — http:// www.intersil.com/data/fn/fn3082.pdf
3. UC3842A/UC3843A SMPS Controllei   -http://www.falrchlld8emi.com/d8/UC/ UC3842A.pdf.
4 Косенко С. Проектирование ИИП на TOPSwitch-ll с помощью программы VDS — Радио, 2006, № 3, с 30—32

«Радио» №8 2010г.
А. ГУЛЬКИН, г. Курчатов, Казахстан