Розробка вимірювача температури тіла

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

26

 

Рисунок 4.4- умовне графічне позначення КР140УД12

Позначення виводів:

(3) - балансування; 
(4 )- вхід інвертуючий; 
(5) - вхід неінвертуючий; 
(6) – напруга живлення (-Uп); 
(9 )- балансування; 
(10) - вихід; 
(11 )- напруга живлення (+Uп); 
(12 )- задаючий струм.

Рисунок 4.5- типова схема  включення КР140УД12

Таблиця 4.3  

Гранично допустимі  режими експлуатації

1	Напруга живлення	(3...16,5) В
2	Вхідна синфазна напруга	не більше   10 В
3	Вхідна диференціальна напруга	20 В
4	Опір навантаження	не менше 5 кОм
5	Ємність навантаження	не більше 100 пФ
6	Температура  середов.	-60...+85 ° C

 

Таблиця 4.4

Електричні параметриЗмн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

27

 

1	Напруга живлення	15 В
2	Максимальна вихідна напруга  при Uп=   15 В, Rн = 75 кОм, Uвх=   0,1 В	не менше   10 В
3	Напруга зміщення нуля при Uп=   15 В, Rн= 75 кОм	не більше  6 мВ
4	Вхідний струм  при Uп=   15 В, Rн= 75 кОм, Iд= 1,5 мкА  при Uп=   15 В, Rн= 75 кОм, Iд= 15 мкА	не більше 30 мкА  не більше 190 мкА
5	Різниця вхідних струмів при Uп=   15 В, Rн= 75 кОм	не більше 6 нА
6	Струм споживання при Uп=   15 В, Rн= 75 кОм, Iд= 1,5 мкА  при Uп=   15 В, Rн= 75 кОм, Iд= 15 мкА	не більше 30 мкА  не більше 190 мкА
7	Коефіціент підсилення напруги      при Uп=   15 В, Rн= 75 кОм       при Uп=   3 В, Rн= 75 кОм	не менше  50000   не менше  25000
8	Максимальна швидкість наростання вихідної напруги      при Uп=   15 В, Iд= 1,5 мкА, Rн= 75 кОм      при Uп=   15 В, Iд= 15 мкА, Rн= 5 кОм	не менше  0,01 В/мкс   не менше  0,1 В/мкс
9	Коефіціент послаблення синфазних вхідних напруг при Uп=   15 В, Rн= 75 кОм	не менше  70 дБ
10	Середній температурний дрейф напруги зміщення      при Uп=   15 В, Iд= 1,5 мкА      при Uп=   3 В, Iд= 15 мкА	7 мкВ/ ° C   3 мкВ/ ° C

 
 

 

 

 

 

 

 

 

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

28

5.Розрахунок параметрів  системи

Основа пристрою – інтегруючий  аналого-цифровий перетворювач (АЦП) DA3, до виходу якого підключений чотирьох розрядний рідкокристалічний індикатор HG1. Така елементна база дозволила знизити енергоспоживання та забезпечити приладу малі габарити та масу. Вимірювальний ланцюг приладу формують: резистор R1 який задає струм, резистори R1 і R2,які формують зразкову напругу Uзраз, терморезистор Т4, напруга Uт, яка змінюється на терморезисторі в залежності від температури, компенсуючий резистор, функцію якого виконують резистори R5,R6. Для зменшення похибки від самопрогріву терморезистора розрахуємо номінал струмозадаючого резистора R1.Струм у вимірювальному ланцюзі повинен дорівнювати приблизно 0,1 мА. Тоді:

R1=                                 (5.1)

 У приладі застосовано  пряме вимірювання термоопору  методом відношення - терморезистор R4 і зразковий резистор (R2 + R3 ) включені послідовно і через них протікає однаковий струм. Падіння напруги яке виникає на терморезисторі, надходить на вхідні виводи 30 і 31 , а падіння напруги на зразковому резисторі , виконуючому функцію джерела зразкової напруги Uзраз - на виводи 35 і 36 АЦП DA3 . При такому способі вимірювання результат перетворення АЦП не залежить від струму у вимірювальному ланцюзі.

Для приладу, що працює в режимі вимірювання температури , типовою є задача компенсації початкового значення термоопору при нульовій температурі. Для цього опір компенсаційного резистора ( R5 + R6 ) вибирають рівним опору терморезистора R4 при нульовій температурі , а щоб компенсувати суму значень напруги Uт + Uк , що надходить на вивід 30 АЦП , на його вивід 31 подають напругу, рівну 2 Uк , яку формує операційний підсилювач DA2 з коефіцієнтом посилення:

                            K = (1 + R14/R13 ) = 2                                                 (5.2)

 Тоді з урахуванням того , що з підвищенням температури опір терморезистора зменшується , маємо

Uвх АЦП = Uвх + - Uвх - = 2Uк - ( Uт + Uк ) = Uк – Uт                         (5.3)

 Лінеаризацію нелінійної  залежності термоопору від температури  реалізують шунтуванням терморезистора R4 резистором R11 - грубо , а точно - введенням у пристрій ОУ DA1 . Але шунтуючий резистор R11 лише частково випрамляє цю нелінійність , дещо розширюючи робочий температурний інтервал . Принцип точної лінеаризації заснований на зміні коефіцієнта перетворення АЦП в залежності від зразкової напруги Uзраз . Вона змінюється завдяки зворотному зв'язку через ОП DA1 . При такому зв'язку частина вхідної напруги UЗмн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

29

вх , визначається коефіцієнтом підсилення

              ОУ DA1 B = [ l + ( R8 + R9 ) / R7 ]                            (5.4)

 і додається до напруги  Uзраз. Чим більше збільшується опір терморезистора при зниженні температури , тим швидше зростає зразкова напруга , а це призводить до пропорційного зменшення коефіцієнта перетворення АЦП :

          Uзраз = Uзраз + - Uзраз - = U0 -B ( Uк - Uт ) ,                (5.5)

 де Uзраз + - Uзраз - - напруги на виводах 36 і 35 АЦП відповідно. Якщо прийняти ціну поділки молодшого розряду рівною 0,1 ° С , то в кінцевому вигляді показники цифрового індикатора HG1 визначатиметься виразом :

 

Інші елементи термометра , що забезпечують роботу АЦП , типові . Транзистор VT1, включений інвертором , служить для індикації в цифровому індикаторі HG1 знака десяткового дробу .

Постійні резистори - С2 - 29В , підстроювальні резистори - СПЗ- 38а . Конденсатори : С1 - К50 -6 , СЗ і С7 - К22У , С5 - К73 -17 , С2 і С6 - К73 -24. Перемикач SA1 - ПД9 -2 , батарея живлення GB1 - "Корунд" . Індикатор ІЖКЦ1 -4/ 8 можна замінити на ІЖЦ -5.

Через значний розкид параметрів напівпровідникових терморезисторів в пристрій введені три підстроювальних резистора : R5 -для встановлення нуля , R2 - для установки масштабу шкали і R9 - для лінеаризації характеристики терморезистора . Найпростіше регулювання термометра зручно виконати за трьома контрольними значеннями температури: талої води ( 0 ° С) , тіла людини (36,6 ° С) і кипіння води ( 100 ° С). У першій з цих контрольних точок вимірюють температуру води в льоді , а не води з льодом , температура якої може бути більше 1 ° С. У другій контрольній точці в якості зразкового приладу використовують медичний термометр. Регулювання починають , помістивши датчик в талу воду. Підлаштування резистором R5 встановлюють на індикаторі нульове показання . Потім почерговим регулюванням резисторів R2 і R9 добиваються показань індикатора , що відповідають значенням температури в двох інших контрольних точках.

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

30

Терморезистор R4 підключаємо по мостовій схемі для того, щоб при 35 градусах Цельсія напруга на виході датчика температури була рівна нулю. R4 має номінальний опір при 25-ти градусах рівним 1кОм, враховуючи його температурний коефіціент опору (ТКО), рівний від 0,034-0,045 (візьмем середнє значення 0,0395/1кОм/градус) розрахуємо його опір при 35 градусах Цельсія.

         ΔR(Δt=15 C)=1*(1-exp(-0,0395*15))=1,341 кОм                          (5.7)

Далі нам необхідно  в мостовій схемі змінний резистор, з допомогою якого можно було б відкалібрувати міст.Для того щоб  в мостовій схемі Uвых=0 необхідно, щоб виконувалась умова R4/R6+R5=R1/R2+R3. Для того щоб урахувати похибку ТКО резистори R2 та R5 будуть змінними. Візьмемо в якості R2 змінний резистор МЛТ-0,25-1 кОм±10% і послідовно з ним резистор C2-29В-0,25-2,2 кОм±10% ,а в якості R5 - СПЗ-38а-0,25-470 Ом±10% , а послідовно з ним резистор R6 - C2-29В-0,25-1 кОм±10% для того, щоб полегшити калібровку мостової схеми. Для того щоб мостова схема працювала необхідно, щоб вхідний струм не залежав від опору схеми.Далі необхідно розрахувати перегрів терморезистора, для того щоб зменшити похибку вимірювання температури. Нам задана точність 1/10 градуса,це означає, що терморезистор може нагрітись не більш чим на цю температуру. Перегрів - Θ. Він рівний відношенню потужності розсіювання до коефіціента розсіювання.

 Θ=Ppоз/H

Рроз=Н*Θ=0,1*0,5=0,05 мВт                                                           (5.8)

Знайдемо допустимий струм. Візьмемо максимальне значення опору терморезистора R4, так як при ньому буде віділятись найбільша потужність.

ΔR(Δt=25 C)=1*(1-exp(-0,0395*25))=0,63 кОм(45)= 1,63 кОм                   (5.9)

Рроз=I^2*R4 => I= 0,5 мА

Струм R4 не повинен перевищувати 0,5 мА.

ВисновокЗмн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

31

 

     В даному  курсовому проекті було розроблено  цифровий термометр. Була розглянута сучасна елементна база, проаналізоване технічне завдання та побудовано структурну схему пристрою. У роботі було розглянуто принцип дії як всього пристрою, так і його окремих структурних блоків. Результатом розробки цифрового пристрою стала електрична принципова схема, яка була подана у додатках. В результаті роботи було спроектовано простий у виконанні, однофункціональний цифровий термометр. Було дотримано точності вимірювань, заданої технічним завданням (0,5°С).

Технічні характеристики розробленого мною термометра:

         Інтервал вимірювальної температури, °С ...............-50...+100

Дозволяюча здібність, °С, ......................0,1

Похибка вимірювання, °С,

По краям робочого інтервалу ................... ±0,5

В середній частині робочого інтервалу, не гірше ... +_0,1...0,2

Напруга джерела живлення, В....................9

Струм споживання,мА ...............................1

Розміри, мм...................................... 175х65х30

Маса, г.......................................... 250

До побутових термометрів зазвичай пред’являють такі вимоги, як точність вимірювання - не гірше 0,5 ° С в інтервалі температури від -50 до +100 ° С -(при вимірюванні температури тіла людини - не гірше 0,1...0,2 °С), малі розміри приладу, економічність, автономне живлення, мала теплова інерційність та гігієнічна нешкідливість.Цифровий термометр, який був тут розроблений, взагалом відповідає цим вимогам.

 

 

 

 

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

32

ЛІТЕРАТУРА

 

1. Медицинские приборы. Разработка и применение. / Ред. Л.Г. Меркурьева, С.В. Ревенко. – М.: Медицинская книга, 2004. – 720с.
2. Спектрально-статистический подход к бесконтактному измерению температуры. / Б. П. Ионов, А. Б. Ионов. Датчики и системы. Номер 2, 2009.
3. http://invent-systems.narod.ru/DS18B20.htm. DS18B20 русское описание работы с датчиком температуры.
4. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ: Пер. с япон. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. – 120 с. (6)
5. http://autexspb.da.ru. Методы практического конструирования при нормировании сигналов c датчиков.
6. Медицинская электронная аппаратура для здравоо<span class="N