CN1143183A - 不平衡/平衡电桥测温方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种电桥测温方法及其装置，通过不平衡/平衡/不平衡三步测量的方法达到多量程、高精度的测量要求。

Description

不平衡/平衡电桥测温方法及其装置

本发明涉及一种电桥测温方法及其装置，尤其涉及一种测温方法及实现该方法的利用不平衡/平衡/不平衡三个测量步骤进行测量的多量程高精度测量装置。

众所周知，现有技术中通常采用图1所示的惠斯通电桥测温仪。其中R_T为测温头电阻；R₁₀、R₃₀为可调电阻器；R₂₀为已知电阻，G为电流计；E为电源；K为开关。该电路电流方向如图中箭头所示。由图中可知，a、b两点的电势差为：V_ab＝I₁R₁₀＋(I₁＋I_G)R_T＝IaR₂₀＋I_GR_G＋(I₁＋I_G)R_T＝IaR₂₀＋(I_a－I_G)R₂₀，因此： $I_G=\frac{\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{ab}}-I_1{R}_T}{\frac{1}{2}{R}_{20}+R_G+R_r}\…\left(1\right)$ 上式中，R_G为电流计G的内阻。测温头R_T通常采用热敏电阻构成，其阻值与温度呈如下函数关系：

        R_T(T)＝R_Tre^{β〔1/T)－(1/Tr)〕}    …(2)其中：R_T是温度T(K)时的电阻值；

R_Tr是温度为Tr(K)时的电阻值；

Tr是参考温度

B是热敏电阻的材料常数图1中，当R₁₀＝R_T1时，电桥平衡，I_G＝0，电流计读数为0，即由R₁₀决定了电流计上温度量程的下限值，I_G等于电流计最大量程，即当I_G＝I_max时，电流计所示刻度为测温量程的上限值T_max，这时： $I_G=I_{\max }=\frac{\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{ab}}-I_1{R}_{T\max }}{\frac{1}{2}{R}_{20}+R_G+R_{T\max }}\…\…\left(3\right)$ 而    V_ab＝V－I₂R₃₀    ……(4)其中V为电源E的端电压值。由等式(3)、(4)可得到，I_amx一定时，由R₃₀确定了V_ab，从而确定了R_Tmax，即决定了温度量程的上限值T_max。现有技术中，通常通过同步调换R₁₀与R₃₀来改变测温时的量程，厂家出售测温仪时一般同时配套提供几组电阻器以便用户进行调换。而用户进行测温时一般采用下述两种方法之一：(1)调节R₁₀使电桥平衡，由可调电阻器R₁₀上所标的刻度得到所测温度值；(2)在电桥不平衡的状态下由电流计上的读数直接得到所测温度值。显然使用这两种方法进行测量时，量程的多少受到厂家所提供的电阻器数量所限，精度则受到电阻器及温度显示仪例如图1中电流计现有的制作工艺所限，难以根据用户需要提供大量量程及高精度的测量。

本发明的目的在于提供一种多量程且可根据用户需要选择测量精度的电桥测温方法及其装置。

本发明是通过以下构思来实现的。

本发明所述的电桥测温方法包括下述三个步骤：(1)在电桥不平衡状态下由测温仪直接读出初步测温值(t₁)；(2)调节电桥平衡，由可调精密电阻器读出较精确测温值(t₂)；(3)调节可调精密电阻器，使之与平衡状态时所对应的刻度间相差一最小的标定刻度，此时电桥不平衡，根据所选择的量程对测温仪的读数进行刻度放大，从而得出精确测温值(t₃)。

本发明所述的实施上述方法的装置包括由惠斯通电桥构成的测温电路，其中，所述电桥中位于桥臂上的一可调电阻器及与电源相串联的另一可调电阻器分别为可精密调节的第一和第二可调精密电阻器，所述电桥测温电路中还包括提供了量程、电流计读数与实际测量值间的对应关系的附件。

本发明所述的方法也可通过具有另一种结构的装置来实现。它由惠斯通电桥构成，其中，所述装置还包括双向开关、运算放大器、A/D转换器、液晶显示装置及同步旋转开关，所述惠斯通电桥的两个桥臂由可调精密电阻器构成，电桥的输出电压经由双向开关、运算放大器及A/D转换器输入液晶显示器。

本发明与现有技术相比，其优点是明显的。它通过所述三步测量方法及其装置，利用调节可调精密电阻器来选择所需量程，并通过对测温仪的显示刻度进行放大达到了提高测量精度的目的。

以下将参照附图详细描述本发明的具体实施例。

图1是现有技术电桥测温仪的一种电路图；

图2是本发明的电桥测温仪的一个实施例的电路图；

图3是本发明的电桥测温仪的另一实施例的电路图。

图2示出了采用本发明电桥测温方法进行测量的电桥测温装置的一个较佳实施例。其中：R_a、R_b为可调精密电阻器，所述电阻器可采用较粗的电阻丝均匀绕制而成，并在转盘上标出阻值及与各阻值相对应的温度值，作为一种替换，也可以采用可精密调节的电阻箱构成；R₁、R₂、R₃、R₄为已知阻值的电阻器；G为电流计，它可以是指针式电流计，也可以是数字显示式电流计。图中K₃为开关，K₃打开时，由二极管D和电阻器R₅构成的反向保护电路对电流计G进行反向电流保护；K₂为双向开关，将它分别置于1、2位置时，可使电路中流过相反方向的电流；E为电源；K₁为电源开关。本发明中，电流计G的指针可向左、右两个方向偏转，相应地，当开关K₂在1、2点间切换时，电流计G中流过呈相反方向的电流，与现有技术中指针仅可单向偏转的电桥测温仪相比，这种结构增大了量程。

下面将对上述实施例中用于测温的电流计和可调精密电阻器R_a、R_b的定标方法进行描述。首先，将测温头置于恒温槽中，由标准温度计读出其准确的温度T₁。调节R_a使电桥平衡，在可调精密电阻器R_a的转盘上标出此时的电阻值及其所对应的温度值，调节温度使其有微小变化ΔT，在电流计指针偏转后所指处标上其温度值。重复上述过程建立量程T₁→T₂期间各点温度与R_a及电流计所标刻度间的一一对应关系。一般可根据用户的需要采用上述方法建立几组不同量程的对应关系。其次，当测温头所处温度为T₁时，调节R_a＝R_T1，便电桥平衡，此时R_A阻值所对应的温度T₁为量程下限值，改变恒温槽温度至T₂，调节可调精密电阻器R₆使电流计指针满偏，此时T₂为量程上限值，在R_b上标出其对应的电阻值，且在恒温槽温度由T₁变化至T₂期间逐点记录实际温度与电流计上刻度间的一一对应关系，在R_a、R_b已确定的情况下，可将其制成电流计刻度—实际温度的关系曲线，也可以将其制成一一对应的关系表格以便于对照。分别改变R_a、R_b的阻值以改变测量时的量程，从而以上述方法得到各种量程下电流计刻度与实际温度值间的对应关系。

下文将对根据本发明的方法、使用上述实施例的装置进行测温时的具体步骤进行描述。本发明的测温方法包括以下三步骤：(1)调节可调精密电阻器R_a至粗略估计的被测温度值，将测温头置于被测环境，由电流计读出初步测温值t₁；(2)调节R_a至t₁，细调R_a使电桥平衡，此时电流计G指针指向零，合上K₃，再细调R_a至电流计读数为零，由R_a读数得到较精确测温值t₂，由于R_a为可精密调节的电阻，t₂的测量精度高于t₁；(3)调节R_a至对应于t₂＋Δt的刻度，其中Δt为对应于R_a上所标的最小单位刻度的温度变化量，即，将R_a调节至与对应于t₂的刻度间相差一个最小标定刻度的刻度t₂＋Δt上，此时t₂’为测量量程的下限值，且电桥不平衡，电流计G指针偏离零值，根据所需的测量精度对照电流计所附量程与R_a、R_b间的对应关系选出所需的量程上限值，将R_b调节至对应于该上限值的阻值，读出此时电流计的读数，并根据电流计所附的关系曲线或关系表格，在上述所选量程下得到电流计读数所对应的实际温度值，从而得到了精确测温值t₃。

在使用本发明的方法及其装置进行测量时，用户还可根据自己的特殊要求，采用前文所述的定标方法在关系曲线或关系表格中增加其特殊需要的量程及读数。

作为采用本发明测温方法进行测量的测温装置的的另一较佳实施例，图3示出了电桥测温装置的另一种电路图。参见图3，1为液晶显示器；2为A/D转换器，它可采用例如7106集成电路构成；3为运算放大器，它可采用例如ICL7650集成电路芯片构成；4为双向开关，通过切换开关4可连接/断开运算放大器3；5为6×11同步旋转开关，它由六组开关组成，每一组开关有11个触点，其中一组11档开关5a上连接有R₀₁-R₀₁₁共11个电阻器，由此构成可调精密电阻器5a；6为场效应管，它起稳流作用，7为测温头，8为可调电阻器。为了便于进行说明，图3中所述同步旋转开关5接在第三档。在R₀₁-R₀₁₁上标有不同的温度段的数值，测量时可根据所需量程选用不同的温度段，总量程可从例如4K至880K。测温头7可采用由PN结构成的半导体测温头，对应于上述不同的量程采用不同的测温头7，因而共有11个测温头。可调电阻器8的作用是校正数字显示器1的读数，同样地，对应于不同的量程段采用不同的电阻器8，因而共有11个可调电阻器8。使用时，若如图3中所示将同步旋转开关5接到第三档，可调精密电阻器5a、6×11开关的其它五组开关均接在第三档，这时相对应地接入了可调电阻器8中的R₃₃及测温头7中的PN₃，且可调精密电阻器R_ox接在第三档电阻器R₀₃上，则由R₀₁-R₀₃、R₀₃-R₁₁、PN₃及电阻器R₂共同构成了惠斯通电桥的四个桥臂，电桥输出电压经运算放大器3和模/数转换器2输入温度显示器1的输入端口IN_-和IN₊，由液晶显示器1对所测温度进行显示。图3中为简便起见，略去了另10个可调电阻器8和另10个测温头7。

制造该测温仪时，首先对可调精密电阻器5a标刻度，其步骤是：将测温头置于恒温槽中，调节5a上的R_ox使数字显示器显示为零；此时电桥平衡，在R₀₁-R₀₁₁上标出此时恒温槽所处的温度。显然可根据用户的需要在5a上精密地标出温度量程内的各点温度值；接着对可调电阻器8进行定位，其步骤是：(1)调节恒温槽温度至T₁，切换双向开关4断开运算放大器2，将测温头7放入恒温槽，调节R_ox至T₁的刻度，此时电桥平衡，数字显示器显示为零，调节恒温槽温度至T₂，电桥不平衡，调节可调电阻器R₈使数字显示器显示为T₂-T₁，在电阻器8上标上温度范围“T₁——T₂”；(2)切换双向开关4以接入运算放大器2，作为举例，本实施例中运算放大器3的放大系数为10，则将数字显示器显示器的小数点向左移动一位，这可以方便地采用本领域技术人员所公知的方法来实现，因而这里不对此进行叙述。调节恒温槽温度至T₁，放入测温头，调节R_ox至T₁刻度，电桥平衡，数字显示器显示为零，调节恒温槽温度至T_I＋(T₂－T₁)/10，电桥不平衡，调节可调电阻器8使数字显示器显示为(T₂－T₁)/10，并在电阻器8上标上“T₁——T₁＋(T₂－T₁)/10”的温度范围。显然，使用上述方法对R₀₁-R₁₁及可调电阻器8标刻度时，应对应于不同的温度采用不同的测温头7和电阻器8来进行。

下面将对本实施例的测温步骤进行描述。其步骤如下：(1)切换双向开关4断开运算放大器2，将测温头放入所测环境中，此时电桥不平衡，由液晶显示器1上读出初步测温值t₁；(2)调节R_ox至t₁刻度附近，此时同步旋转开关5同时选出了适配的测温头及可调电阻器8，调节电阻器8至T₁-T₂一档，放入测温头，调节R_ox至t₁刻度附近，使数字显示器显示为零，此时电桥平衡，由于制造时对5a上的电阻器精密地标出了各点温度，因而可由R_ox上所标温度读出较精确测温值t₂；(3)切换双向开关4接入运算放大器2，同时采用已有技术将数字显示器显示位的小数点向左移动一位，调节电阻器8至T₁——T₁＋(T₂－T₁)/10一档，放入测温头，调节R_ox至与t₂相差一最小标定刻度的温度刻度值t₂’，此时电桥不平衡，由于接入了运算放大器3，使电桥的输出电压放大10倍后再接入数字显示器，而数字显示器的显示数值已缩小了10倍，因而，对液晶显示器的显示刻度进行放大，将R_ox上的读数加上液晶显示器此时的显示数即得到了实际测得的精确测温值t₃。在本实施例中，对应于不同的温度段采用适用于各相应温度段的半导体测温头，从而确保了测量的准确率，作为一种替换，同样也可采用测温范围较大的热电偶作为测温头。

以上对本发明的电桥测温方法及其装置进行了描述，可以理解，基于上文的描述，本领域内的技术人员不脱离本发明的实质易对本发明的方法及其装置进行变换及修改，但这些变化均应认为包括在本发明权利要求书的范围内。

Claims (7)

1.一种电桥测温方法，其特征在于，包括以下步骤：

在电桥不平衡状态下由测温仪直接读出初步测温值(t₁)；

调节电桥平衡，由可调精密电阻器读出较精确测温值(t₂)；

调节可调精密电阻器，使之与平衡状态时所对应的刻度间相差一最小的标定刻度，此时电桥不平衡，根据所选择的量程对测温仪的读数进行刻度放大，从而得出精确测温值(t₃)。

2.一种用来实施上述电桥测温方法的电桥测温仪，包括电惠斯通电桥构成的测温电路，其特征在于，所述电桥测温电路中位于桥臂上的一可调电阻器及与电源相串联的另一可调电阻器分别为可精密调节的第一和第二可调精密电阻器，所述电桥测温仪还包括提供了量程、电流计读数与实际测量值间的对应关系的附件。

3.如权利要求2所述的电桥测温仪，其特征在于，反映所述对应关系的所述附件为关系曲线。

4.如权利要求2所述的电桥测温仪，其特征在于，反映所述对应关系的所述附件为关系表格。

5.如权利要求2或3或4所述的电桥测温仪，其特征在于，还包括与所述电流计串联的、由二极管及电阻串联支路构成的反向保护电路。

6.如权利要求5所述的电桥测温仪，其特征在于，所述电流计为指针可向左、右两个方向偏转的电流计。

7.一种用如权利要求1的方法进行测量的电桥测温仪，它由惠斯通电桥构成，其特征在于，所述装置还包括双向开关、运算放大器、A/D转换器、液晶显示装置及同步旋转开关，所述惠斯通电桥的两个桥臂由可调精密电阻器构成，电桥的输出电压经由双向开关、运算放大器及A/D转换器输入液晶显示器。

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