Цифровой термометр с USB-интерфейсом

 

Департамент образования  Ярославской области

Государственное образовательное  учреждение

среднего профессионального  образования Ярославской области

Угличский индустриально-педагогический колледж

Цифровой термометр с  USB-интерфейсом

Курсовая работа

Исполнитель:

Буланов Кирилл Алексеевич,

Специальность:

35 группа

Научный руководитель:

Смирнов Евгений Анатольевич  преподаватель Угличского индустриально-педагогического колледжа

Углич

2012

Оглавление

Введение 3

1.Обзор литературы 4

1.1 Анализ  типов термометров 4

1.2 Термометры на основе термометрического вещества 6

1.3 Термометр на основе термопары 8

1.4 Термометр  на основе инфракрасного излучения 10

1.5 Термометры  основанные изменении сопротивления 13

2. Конструкторский раздел 15

2.1 Блок питания 19

2.2 Расчет  потребляемой мощности 20

Заключение 21

Список литературы: 22

 

 

 

Введение

Контроль физических параметров является процессом, осуществляемым практически во всех отраслях деятельности человека. Одним из наиболее распространенных физических параметров является температура. Контроль температуры осуществляется посредством различных технических средств, наиболее простым из которых является ртутный термометр. Однако, на сегодняшний день данное устройство не может обеспечить неточности измерения, неудобство обработки информации.

Все большее развитие получают электронные термометры, которые  обладают широким диапазоном измерения, высокой точностью, хорошими эксплуатационными  характеристиками. Такие электронные  термометры нашли свое применение в  медицине, металлургии, машиностроении и других отраслях. Отличительной  особенностью таких термометров  является выходная характеристика изменение  тока, напряжения или сопротивления  при изменении температуры. Эти  параметры удобно обрабатывать, преобразовывать  и соответственно получать устройство, которое бы являлось конструктивно простым.

На сегодняшний день все  большее развитие получили электронные  термометры, осуществляющие протоколирование результатов измерения. Это позволяет накапливать соответствующую информацию, сохранять ее с целью дальнейшей математической обработки. Одним из способов сохранение информации является передача ее на персональный компьютер. Наибольшее распространение получило USB соединение устройств с ПК. Это связано с высокой скоростью передачи необходимой информации.

Целью данной работы являлось разработка цифрового термометра с  USB-интерфейсом. В соответствии с поставленной целью были определены основные задачи:

1. Провести анализ имеющихся в литературе аналогов;
2. Провести выбор элементов цифрового термометра;
3. Разработать принципиальную электрическую схему.

1.Обзор литературы

1.1 Анализ типов  термометров

В наши дни существует множество  видов и разновидностей термометров, различающихся по назначению, содержанию и внешнему виду. Применение термометров  осуществляется в разных областях.

Медицинские термометры применяются  во врачебной деятельности. Они различаются:

1. Моментальные термометры - используют для определения температуры у больных, которые находятся в коме, без сознания, в спящем состоянии. Определение температуры происходит в течение 2 секунд;
2. Цифровые - обладают памятью, они безопасны, так как не имеют ни ртути, ни стекла;
3. Ртутные термометры - наиболее распространены в медицине и быту. После измерения температуры показания остаются на одном уровне, так в капилляре у основания имеется узкое горлышко, препятствующее возвращению ртути назад в резервуар. Для того чтобы ртуть вернуть в начальное положение следует приложить усилие. Преимуществом ртутных термометров является наиболее точное показание термометра, приближенное к показаниям газового термометра, который считается эталоном.

Технические термометры выдают температурные результаты на основе изменения давления у жидкостных термометров, термоэлектродвижущей силы у термопары, а также на основе электрического сопротивления металла. Все они широко используются в технических масштабах, а так же при работе с техникой. Предназначены они для температурного контроля в трубопроводах, сосудах и в других технических установках. В основном они заполнены органической жидкостью или ртутью. Диапазон их измерения составляет от -35 до 600 градусов. Все технические термометры заключены в защитную оправу, предохраняющую их от неблагоприятных воздействий среды.

Бытовые термометры, как  правило, не содержат ртути. Исключение составляет максимальный ртутный медицинский  термометр. Капилляры бытовых термометров  наполнены органической жидкостью:

1. метанолом – для комнатных термометров;
2. керосином – для банных термометров;
3. толуолом – для водных термометров.

Жидкость обязательно  подкрашивается и содержится она  в небольших количествах и  даже если градусник разобьется, то вреда не принесет.

Водные термометры используют для измерения температуры воды. Капилляр заполнен в основном метилкарбитолом, диапазон измерения температур от 0 до 50-70 градусов. Оконные термометры измеряют температуру в пределах -50 до +50 градусов. Для измерения температур выходящей воды используют метилкарбитоловые  термометры с диапазоном измерения  от 0 до 60 градусов. Диапазон измерения  у термометров внутри холодильника от -30 до +30 градусов.

 

1.2   Термометры на основе термометрического вещества

Жидкостный термометр - прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды. В основу принципа действия жидкостного термометра заложены простые физические свойства жидкости. Как известно, при нагревании тела, его объем увеличивается, а при охлаждении - уменьшается.

Конструктивно жидкостный термометр представляет собой прозрачный стеклянный (реже используется другой материал - например, кварц) резервуар, с капилляром из того же материала. При этом капилляр и резервуар соединены между собой припайкой.

Шкала жидкостного термометра наносится непосредственно на

толстостенный капилляр, либо на пластину, жестко соединенную с  ним.

Термометрическая жидкость находится в термометре на таком  уровне, что заполняет весь резервуар и часть капилляра. В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть (диапазон измерений от -35 до 600 °С). Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале температур. Кроме ртути в качестве термометрического вещества в стеклянных термометрах применяются и другие жидкости:

1. Этиловый спирт (диапазон измерений от -80 до 70 °С);
2. Керосин (от -20 до 300 °С).

 Основные достоинства  стеклянных жидкостных термометров:

1. Простота употребления;
2. Достаточно высокая точность измерения.

К недостаткам можно отнести:

1. значительная тепловая инерция;
2. Не универсальность габаритов в применении к различным ситуациям;
3. Передачи показаний на расстояние;
4. Невозможность ремонта;

Жидкостные термометры, заполненные  ртутью, применяют для точных измерений  температуры (до десятой доли градуса) в лабораториях. Термометры, заполненные  спиртом, применяют в метеорологии для измерения температур ниже –38° (так как при более низкой температуре  ртуть отвердевает).

 

1.3 Термометр на основе термопары

Термоэлектрический термометр – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающий защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды.

На (рис. 2) показана конструкция технического термоэлектрического термометра. Арматура включает защитный чехол 1, гладкий или с неподвижным штуцером 2, и головку 3, внутри которой расположено контактное устройство 4 с зажимами для соединения термоэлектродов 5 с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками 6.

Защитные чехлы выполняются  из газонепроницаемых материалов, выдерживающих  высокие температуры и агрессивное  воздействие среды. При температурах до 10000С применяют металлические  чехлы из углеродистой или нержавеющей  стали, при более высоких температурах – керамические: фарфоровые, карбофраксовые, алундовые, из диборида циркония и т. п.

В качестве термоэлектродов  используется проволока диаметром 0.5 мм (благородные металлы) и до 3 мм (неблагородные металлы). Спай на рабочем конце 7 термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний  способ используется для вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых термопар.

В промышленности применяют  различные термопары, термоэлектроды которых изготовлены как из чистых металлов (платина), так и из сплавов  хрома и никеля (хромель), меди и  никеля (копель), алюминия и никеля (алюмель), платины и родия (платинородий), вольфрама  и рения (вольфрамрений). Материалы  термоэлектродов определяют предельное значение измеряемой температуры. Наиболее распространенные термоэлектродные пары образуют стандартные термопары: хромель-копель (предельная температура 600°С), хромель-алюмель (предельная температура 1000°С), платинородий-платина (предельная температура 1600°С) и вольфрамрений  с 5% рения- вольфрамрений с 20% рения (предельная температура 2200°С). Промышленные термопары отличаются высокой стабильностью  характеристик, что позволяет заменять их без какой-либо переналадки остальных  элементов измерительной цепи.  
Термопары, как и термометры сопротивления, устанавливают в защитных чехлах, на которых указан тип термопары. Для высокотемпературных термопар применяют защитные чехлы из теплостойких материалов: фарфора, оксида алюминия, карбида кремния и т. п.

Термоэлектрические термометры выпускаются двух типов: погружаемые, поверхностные. Промышленность изготавливает  устройства различных модификаций, отличающихся по назначению и условиям эксплуатации, по материалу защитного  чехла, по способу установки термометра в точке измерения, по герметичности  и защищенности от действия измеряемой среды, по устойчивости к механическим воздействиям, по степени тепловой инерционности и т. п.

 

1.4 Термометр на  основе инфракрасного излучения

Пирометр (инфракрасный термометр) – прибор для бесконтактного измерения температуры.

Инфракрасные термометры относятся  к группе приборов неразрушающего контроля, что позволяет проводить измерение  температур без непосредственного  контакта с измеряемой поверхностью, как в случае с контактными электронными термометрами. Их использование гарантирует безопасность при диагностике дефектов и мониторинге различных процессов, а также помехоустойчивость в процессе измерения для получения объективных и точных результатов. Пирометры подразделяются на: односпектральные и мультиспектральные.

Основные параметры пирометров:

1. Выбор диапазона температур зависит непосредственно от объекта, контроль температуры которого осуществляется;
2. Тип прицельного устройства определяется полностью размерами объектов, температуру которых необходимо определить, а также расстоянием до этих объектов;
3. Тип индикатора определяется условиями эксплуатации, в основном значением температуры, при которой планируется использовать прибор;
4. Показатель визирования, по аналогии с типом прицельного устройства выбирается в зависимости от размеров объектов и расстояния до них. Показатель визирования пирометра зависит прямопропорционально от удаленности объекта и обратно-пропорционально от его размеров. Важно также, чтобы при измерении температуры удаленного объекта в поле зрения инфракрасного термометра не попадали посторонние предметы;
5. Расстояние до минимального поля зрения – согласно основным оптическим законам, поле зрения прибора будет увеличиваться пропорционально увеличению расстояния от прибора до объекта.

Принцип действия инфракрасного пирометра  основан на измерении абсолютного  значения амплитуды электромагнитного  излучения от объекта в инфракрасной части спектра и последующем  преобразовании измеренного значения в температуру. Схема такого пирометра  с оптическим видоискателем изображена на рисунке 3.