Описываемые в статье термометры построены необычно: в первом из них термочувствительный элемент (терморезистор) включен в интегрирующую цепь, во втором — в дифференцирующую. Изменение постоянных времени этих цепей под действием на термистор температуры окружающей среды преобразуется в изменение скважности прямоугольных импульсов, в результате чего изменяется эффективное напряжение на выходе устройства, которое регистрируется микроамперметром. Приборы выполнены на широко распространенных цифровых микросхемах и доступны для повторения даже начинающим радиолюбителям.

Термочувствительный элемент в аналоговых термометрах чаще всего включают в измерительный мост. Такой датчик температуры имеет существенный недостаток, связанный с необходимостью ограничения тока через мост значениями, исключающими саморазогрев образующих его резисторов.

Кроме того, нередко предъявляются довольно высокие требования к стабильности напряжения, подаваемого на измерительный мост. Для усиления сигнала, снимаемого с моста, и стабилизации подаваемого на него напряжения во многих аналоговых термометрах используют операционные усилители. Это усложняет конструкцию и налаживание подобных устройств.

Рис.1.

От названных недостатков свободен предлагаемый импульсный термометр. Он содержит генератор прямоугольных импульсов, интегрирующую цепь с термочувствительным элементом, формирователь импульсов и стрелочный индикатор, регистрирующий эффективное напряжение, пропорциональное скважности импульсов.

Наиболее подходят для такого прибора КМОП цифровые микросхемы: у них напряжение низкого уровня практически не отличается от 0, а высокого — от напряжения питания.

Принципиальная схема термометра изображена на рис. 1. На элементах DD1.1, DD1.2 собран генератор прямоугольных импульсов с частотой следования около 60 кГц и скважностью 2. От генератора колебания поступают на интегрирующую цепь RK1R2C2.

В зависимости от сопротивления терморезистора (далее термистора) RK1 изменяется постоянная времени интегрирующей цепи и, соответственно, длительность импульсов, поступающих на вход формирователя, выполненного на элементах DD1.3 и DD1.4. Длительность импульсов на выходе элемента DD1.4 пропорциональна температуре и определяет эффективное напряжение, регистрируемое прибором РА1.

Подстроечный резистор R1 служит для установки "нуля", R2 — для регулировки чувствительности (она максимальна при его минимальном сопротивлении). При номинале термистора не более 5 кОм зависимость сопротивления от температуры близка к линейной в интервале от -20 до +50 °С. Погрешность измерения не превышает ±1 °С.

Рис.2.

Стабильность напряжения питания (а следовательно, и амплитуды импульсов) обеспечивает параметрический стабилизатор на элементах VD1 и R3. Потребляемый термометром ток не превышает 7 мА.

Все детали, кроме термистора RK1 и микроамперметра РА1, размещают на печатной плате, изготовленной в соответствии с рис. 2. Плата рассчитана на применение постоянных резисторов МЛТ, проволочных подстроенных резисторов СП5-3, конденсаторов КМ-6 (С1 и С2 — желательно группы М47 или М75).

Термистор RK1 — КМТ17 с отрицательным ТКС. Микроамперметр РА1 — М4387 или любой другой с током полного отклонения стрелки до 1 мА и внутренним сопротивлением не менее 500 Ом.

При налаживании термистор помещают в ванночку с тающим льдом и подстроечным резистором R1 устанавливают стрелку прибора РА1 на нулевую отметку шкалы. Затем датчик переносят в воду, нагретую до температуры +50 °С, и подстроечным резистором R2 добиваются отклонения стрелки до последней отметки.

Для измерения температуры в более широком интервале, например, от -60 до +150 °С, параллельно термистору сопротивлением R или последовательно с ним следует включить резистор сопротивлением 3R или 1/3R соответственно.

Чувствительность устройства после такой доработки, разумеется, уменьшится, а погрешность измерения может возрасти до ±3...5 °С. Если необходима более высокая точность, указанный диапазон измеряемых температур следует разбить на два-три поддиапазона и провести линеаризацию термистора в каждом поддиапазоне. В этом случае погрешность измерения можно уменьшить до ±1...1,5 °С.

Рис.3.

У микросхем ТТЛ, ТТЛШ, по сравнению с микросхемами серии КМОП, логические уровни существенно отличаются от идеальных значений. Кроме того, у базовых элементов микросхем этих серий весьма значительны входные токи. Поэтому термометр на таких микросхемах следует собрать по схеме, показанной на рис. 3.

Колебания прямоугольной формы с частотой повторения 60 кГц, вырабатываемые генератором на элементах DD1.1, DD1.2, поступают на входы буферных элементов DD1.3 и DD1.4. Они устраняют взаимное влияние дифференцирующих цепей C2R3RK1 и C3R4 и уменьшают нагрузку на генератор, что благоприятно сказывается на стабильности его частоты.

Элемент DD1.6 формирует последовательность, в которой длительность импульсов определяется “образцовой” дифференцирующей цепью R4C3, a DD1.5 — последовательность, в которой она зависит от сопротивления терморезистора RK1, входящего в измерительную дифференцирующую цепь RK1R3C2. В результате через прибор РА1 течет пульсирующий ток, эффективное значение которого пропорционально температуре окружающей среды.

При номиналах элементов дифференцирующих цепей, указанных на схеме, диоды VD1, VD2 можно исключить. Однако, если используются резисторы меньших номиналов и конденсаторы С1 — С3 большей емкости, для защиты инверторов DD1.5, DD1.6 от пробоя эти диоды необходимы.

Рис.4.

В термометре используют детали тех же типов, что и в предыдущем. Вместо К555ЛН1 допустимо применение микросхем К155ЛН1, К155ЛНЗ, К155ЛН5, К1533ЛН6. Диод КД521А можно заменить другим диодом этой серии, а также серии КД522.

Все детали, кроме термистора RK1 и микроамперметра РА1, размещают на печатной плате (рис. 4). Настройка термометра сводится к установке резистором R3 максимальной температуры, а резистором R4 — нулевой. В интервале температур от -20 до +50 °С погрешность измерения не превышает ±1 °С.

Этим термометром можно измерять температуру тела. Предварительно прибор необходимо откалибровать в интервале +36...+40 °С. Для этого термистор помещают в подогретое до +36 °С вазелиновое масло и подстроечным резистором R4 устанавливают стрелку микроамперметра на нулевую отметку шкалы.

Затем, повысив температуру масла до +40 °С, резистором R3 устанавливают стрелку на последнее деление шкалы. Эти операции необходимо повторить два-три раза для лучшей воспроизводимости результатов измерения.

При калибровке этого прибора следует использовать именно вазелиновое масло, а не воду, поскольку из-за высокой электропроводности водных растворов результаты измерений существенно искажаются.

После калибровки термистор помещают в стеклянную трубку, запаянную с одной стороны, и заливают эпоксидной смолой. Такая конструкция датчика исключает погрешность при измерении температуры, вызванную электрическим контактом термистора с кожей пациента.

В интервале температур от +36 до +40 °С температурная зависимость сопротивления термистора практически линейна. При использовании в качестве С1— С3 термостабильных конденсаторов (например, слюдяных или фторопластовых) погрешность измерения в этом интервале не превысит ±0,1 °С.