Разработка цифрового термопарного термометра, страница 2

У меня наиболее удачным оказалось сочетание резисторов 107 Ом и 46 кОм. Так как измерения будут проводится в комнате, а комнатная температура обычно не выходит за пределы 10°С и 30°С в качестве компенсатора температуры холодного спая будет использоваться диодный компенсатор  представленный на схеме №3. Свойства p-n перехода таковы, что сопротивление сильно зависит от температуры. Причем на таком небольшом диапазоне эту зависимость можно считать линейной. Как и зависимость напряжения одного из спаев термопары впрочем.

Подпись:  Схема 3: Диодный компенсатор

На вход "3"  ОУ  подается  опорное  стабильное напряжение с делителя R9, R8. Свойства ОУ таковы, что в активном режиме  работы его входы находятся под одинаковым потенциалом в первом приближении.  Это  обеспечивается  отрицательной  обратной  связью  от выхода  на  инвертирующий  вход  "2"  через  диод- датчик температуры. (конденсатор  нужен  для устойчивости работы схемы и уменьшения шумов, помех,  конденсатор  просто  фильтрует высокие частоты, а конденсатор на ОУ — для защиты от самовозбуждения, их номиналы соответственно 200 и 30 пФ). При росте  температуры  напряжение  на диоде  падает,  но, т.к. Потенциал анода неизменен и равен потенциалу инвертирующего входа, равного  в свою очередь неизменному потенциалу неинвертирующего входа, то  - напряжение на выходе растет. Это  и   есть выходной сигнал этого датчика. Нуль датчика, т.е. сдвиг его  характеристики  вверх-вниз  делаем  переменным резистором R8. Он меняет потенциал   неинвертирующего   входа,   а  следовательно  -  потенциал инвертирующего,  следовательно  и  выхода  ОУ.  При  этом  коэффициент передачи  почти  не  меняется,  точнее  -  мало меняется, т.к. Немного изменяется  рабочий  ток диода. Дальше - вторым свойством данной схемы является   то,  что  при  выбранной  рабочей  точке,  ток  через  диод поддерживается неизменным. Ток через анод протекает только через  резистор  R10,  т.к.  входным  током  ОУ  можно пренебречь в силу его малой величины. Один конец этого резистора находится  под  неизменным потенциалом опорного напряжения, а другой - под    неизменным    потенциалом,   равным   потенциалу   входов   ОУ. Следовательно,  разность  потенциалов  неизменна, ток через резистор — тоже  неизменен,  а  это и есть ток диода. В нашем случае, в качестве Uстаб  используется +5 вольт со стабилизатора напряжения LP2980.  Uстаб*R9/R8=UВ без влияния диода, а диод будет оказывать такое влияние: (1+RD/R10)*UD=ΔU где  ΔU  - зависимость напряжения от температуры, а UD  - падение напряжения на диоде. В нашем случае R9 — 30 кОм, R8 — Предварительно был выбран 8 кОм, позже производилась калибровка, о которой написано немного ниже.Из характеристик диода КД205 видно что его сопротивление зависит так ΔRD/ΔT=2 Ома на градус. У используемого диода исходное сопротивление при комнатной температуре было 612 Ом. Напряжение падающее на диоде —

Uстаб*(R10/(R10+RD))-UВ=Uстаб*(R10/(R10+RD)-R9/R8); Рассчитывая R10 таким образом мы получаем R10=1,7 кОм. В результате наша схема выглядит следующим образом:

Подпись:  Схема 5: Отрицательное питание Подпись:  Схема 4: Функциональная часть

В ходе работы возникла проблема — где же взять отрицательное питание для операционных усилителей? Дело в том, что по умолчанию на Com-Port вообще отсутствует такое понятие как питание устройства. Не смотря на это, на неиспользуемых выводах было обнаружено напряжение в +11 Вольт (которое и использовалось в качестве источника положительного напряжения). Так как нуль по напряжению обычно не используется, в протоколе RS232 могут присутствовать два значения напряжений в качестве логических единиц информации: ±5 и ±12 Вольт. Было предложено эту проблему решить следующим образом — неиспользуемую лишнюю мощность снимать прямо с сигнальных выходов компьютера. Отбирая отрицательное напряжение, используя сдвоенные диоды BAT54S, см схему №5.

Калибровка коэффициента диодного компенсатора выглядела следующим образом: Горячий спай термостатировался в ванне со льдом, а у холодного спая меняли температуру обычным феном, регулируя резистор R10 (добавив последовательно подстроечный резистор СП5-24) таким образом, чтобы напряжение на выходе не менялось от температуры: в ходе эксперимента самым оптимальной оказалось добавка 34-х Ом, при которой напряжение менялось в пределах 0,01 Вольта. Коэффициент усиления добавки к нулю постоянного напряжения (для полноценной работы АЦП и возможности измерять отрицательные температуры) и коэффициент усиления термопарного датчика подстраивались в два этапа: сначала подстроили нуль до 1,28 Вольт при термостатированном горячем спае в ванне со льдом, а затем коэффициент усиления термопары таким образом, чтобы при нагретом горячем спае до +183 градусов на входе АЦП было 2,5 вольт. При этом пришлось добавить 320 Ом к резистору R8 и 810 Ом к резистору R4 на схеме №4. После чего были сняты новые реперы.