CN87214459U - 精密数显热敏电阻温度计 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于中温计量方面精密测量温度和温差的数显温度计，主要在单位可燃物质发热量的测定试验中使用。本装置以负温度系数热敏电阻为敏感元件。有可变电阻分压网路的桥路为线性测量单元。根据最佳分压比N基本上只与热敏电阻的材料常数有关，而与温度高低和阻值大小无关。桥路应满足R₃/R₁＝N。同步改变R₂和Rg可以改变参考温度。放大的模拟量经模/数转换，以数码显示温度值，且有微机接口。测量范围：288.15～308.15K(分四段)；δ(T₂-T₁)＜±0.002K；δ_T＜±0.01K。

Description

精密数显热敏电阻温度计

一、本发明属于中温计量方面，精密测量温度和温差的测试仪器和方法。

二、引证的技术文件：

1、热敏电阻互换电路参数的最佳选择，朱章武，仪器仪表学报、第八卷，第3期（1987），298～303。

2、热敏电阻精密线性温度变换及应用。谭立三，仪器仪表学报，第八卷，第3期（1987），267～273。

3、带微计算机的煤发热量测量仪。洪文学等，仪器仪表学报，第八卷，第3期，（1987），225～231。

4、贝克曼温度计检定规程，国家计量局，JJG114－82。

5、负温度系数热敏电阻温度传感器的设计。蔡竹山，计量技术，1987，第6期，26～28。

三、本发明的目的在于应用、开发我国自产的高稳定性热敏电阻，解决一些我国在常温区内，精密测量温度和温差的问题。为理化实验室和能源计量等方面，提供一种廉价的高精度自动检测仪器。

四、文献（5）对负温度系数热敏电阻的线性化手段，为一个不平衡 电桥，如图1所示，输出电压U_T由下式决定：

U_T＝E( (R₃)/(R₁+R₃) - (R_T)/(R₂+R_T) )……………………（1）

（1）式中第一项R₃／（R₁＋R₃）为常数项，只决定电桥的平衡零点，对线性化没有贡献。电源E为恒压源，也是常数，第二项 R_T／（R₂＋R_T）对负温度系数热敏电阻有线性化作用，因为此项为一个自变电阻分压关系式，是非线性的。R_T是负温度系数热敏电阻元件，R_T－T间的关系可由下式近似地表达：

R_T＝R_T1exp〔B（ 1/(T) － 1/(T₁) ）〕……………………（2）

式中T₁：为已知温度值。 T：为任一温度值。

R_T1：热敏电阻在已知温度T₁下的电阻值。

R_T：热敏电阻在任一温度下的电阻值。

B：热敏电阻的材料常数。

该关系式也是非线性的，与上述分压关系式的非线性凸凹特性方向相反，如果选择合适的分压电阻R₂，可使T－U_T之间达到近似线性关系。线性化范围与线性化效果是互相矛盾的，范围越宽，非线性误差越大。在始点、中点和末点间距相等，三点重合的方式下，分压电阻R₂的选择公式为：

$R_2=\frac{R_{T_1}{R}_{T_2}{\mathrm{+R}}_{T_2}{R}_{T_3}{\mathrm{-2R}}_{T_1}{R}_{T_3}}{R_{T_1}{\mathrm{+R}}_{T_3}{\mathrm{-2R}}_{T_2}}\mathrm{\dots \dots \dots \dots (3)}$

式中T₁、T₂和T₃分别为始点温度、中点温度和末点温度。R_T1、R_T2和R_T3分别为热敏电阻在T₁、T₂和T₃温度下的电阻值。

本发明对上述线性化桥路引入了分压比N这一概念，既R_T1与R₂的比值：

$\mathrm{N\; =}\frac{R^2{}_{T_1}{\mathrm{+R}}_{T_1}{R}_{T_3}{\mathrm{-2R}}_{T_1}{R}_{T_2}}{R_{T_1}{R}_{T_2}{\mathrm{+R}}_{T_2}{R}_{T_3}{\mathrm{-2R}}_{T_1}{R}_{T_3}}\mathrm{\dots \dots \dots (4)}$

同时指出了对于同一支热敏电阻来说，只要线性化的温度段相等，沿着R_T－T曲线，各段有着近似相等的分压比，各段的非线性误差及分布规律也近似一致。

数学表达式为：

$\approx \frac{R^2{}_{T_2}{\mathrm{+R}}_{T_2}{R}_{T_3}{\mathrm{-2R}}_{T_2}{R}_{T_3}}{R_{T_2}{R}_{T_3}{\mathrm{+R}}_{T_3}{R}_{T_3}{\mathrm{-2\; R}}_{T_2}{R}_{T_3}}$

$\approx \frac{R^2{}_{T_2}{\mathrm{+R}}_{T_2}{R}_{T_4}{\mathrm{-2R}}_{T_2}{R}_{T_3}}{R_{T_2}{R}_{T_3}{\mathrm{+R}}_{T_3}{R}_{T_4}{\mathrm{-2R}}_{T_2}{R}_{T_4}}$

$\mathrm{\dots \dots \dots \approx }\frac{R^2{}_{T_n}{\mathrm{+R}}_{T_n}{R}_{T_{\mathrm{n\; +\; 2}}}{\mathrm{-2R}}_{T_n}{R}_{T_{\mathrm{n\; +\; 1}}}}{R_{T_n}{R}_{T_{\mathrm{n\; +\; 1}}}{\mathrm{+R}}_{T_{\mathrm{n\; +\; 2}}}{R}_{T_{\mathrm{n\; +\; 2}}}{\mathrm{-2R}}_{T_n}{R}_{T_{\mathrm{n\; +\; 2}}}}$

                                …………………………（5）

以B值等于4200K的热敏电阻为例，（5）式在288.15～293.15K、293.15～298.15K、298.15～303.15K和        303.15～308.15K，四段的非线性误差及分布规律的近似程度如下表：

对（5）式进行广义地理解，可概述如下：负温度系数热敏电阻利用分压电阻线性化，其最佳分压比基本上只与B值有关，而与阻值大小、温度高低无关。

这一结论，为展宽热敏电阻线性化范围提供了方便，只要根据（4）式求出N，既可设计一个不平衡电桥，如图2所示，R₃和R₁应满足R₃／R₁＝N的条件，且是一个稳定的固定值。分压电阻R₂为可调电阻器，R_T为一个负温度系数的热敏电阻，调整R₂，使桥路在基础温度（始点温度）T₁下平衡，分压电阻R₂也满足 R_T1／R₂＝N的关系，此时的电桥以T₁为基点，在设定的温度段内能够保证AT和U_T间的线性关系，以此来完成在本段内测量温差的目的。如果基础温度改变为T₂，热敏电阻阻值也变为R_T2，我们可以很方便地调整R₂为R₂′，使桥路重新平衡，R₂′仍然满足R_T2／R₂′＝N的条件，电桥又可以T₂为基点，在下一个设定温度段内保证ΔT和U_T间的线性关系，以此来完成在下一段内测量温差的目的。上述调整过程和贝克曼温度计调整水银量相似。

本发明为了利用有限的标尺（数码位为5000），在288.15～308.15K范围内，既能测量温度，又能灵活地测量温差，根据（5）式提出了一个分四段调定、段内平滑调整的不平衡电桥，如图3所示，以R_T在295.65、298.15和300.65K时的电阻值决定N，R₃和R₁为一固定阻值，并满足R₃／R₁＝N的条件，设定288.15、293.15、298.15和303.15K为每温度段的基础温度，在基础温度下，桥路为平衡状态。以R_T288.15／N、R_T293.15／N、R_T298.15／N和R_T303.15／N来决定各段R_2i的调定值，使用时，可根据需要由K₁接通其中一路。由于各段R_2i值和R_T的不同，导致各段的桥路灵敏度不同，平均分度值也不相等。

电桥的输出电压U_T接到前置放大器，该放大器由ICL7650、输入电阻R₅、反馈电阻R_f、接地电阻R_gi组成，做同相放大，其闭环放大倍数M＝1＋R_f／R_gi（27～30倍）。如果R_gi也分别为四个调定值，由K₂切换，并与R_2i保持同步，保证每段的平均分度值为1.0000K，既可实现288.15～293.15、293.15～298.15……303.15～308.15K四段首尾相接，测量温度和温差的目的，以上虽然克服了贝克曼不能测量绝对温度的缺点，但测量温差方面却不如贝克曼温度计灵活，为此在R₂支路串入一个2.2KΩ的精密线绕电位器W₂，W₂平时处于短路状态，只有在所测温差跨在两个温度段内时，才将W₂的短路开关K₃断开，调整W₂可在0～5°范围内，平滑地改变桥路的平衡点，使所测温差都处在标尺范围（5000个码）以内。由于前置放大器没有和W₂做同步调整，平均分度值也要变化，仍以B值等于4200的热敏电阻为例，每调整一度，平均分度值变化0.007K。

至此，本发明实现了在288.15～308.15K范围内，测量绝对温度和温差的目的，可以达到的技术指标如下：

测量范围：288.15～308.15K

基本量程：0.000～5.000K

分辨率（最小分度值）：0.001K

灵敏度（经放大28倍）：100mV／K

非线性误差（孔径修正值）：≤±0.0015K

分布规律为单S型

测温不确定度：≤±0.01K

测温差不确定度：＜±0.002K

如果测量范围在10K以内，且要求本机的不确定度≤±0.005K，R₂和Rg可以一次调定，无需切换开关，原同步切换开关，可以根据需要分别将本机自校电阻或水三相点校正电阻接入桥路，以便检查本机零位和校正零点，增加测温的可靠性。

整机电路也做了专门设计：（如图4）

1.对4 1/2 位双积分模／数转换器的积分电容值和平衡电容值，都减少到常用值的68％，从而失去了1.0000～1.9999数码间的线性度，但降低了信噪比，使原来的噪声≤ 1/2 个码，降低到≤ 1/4 个码。

2.放大回路与模／数转换电路的稳压电源分量，线性测量回路稳压电源浮置。以便消除彼此间的干扰。

图4说明：

精密数显热敏电阻温度计的原理电路图

图中序号为：

线性测量系统（1）、探测头（2）、运算放大器（3）、

模／数转换器（4）、时钟电路（5）、段译码驱动电

路（6）、数位驱动电路（7）、数字显示电路（8）、同

步切换开关（9）、模／数转换与数字电路的稳压

电源（10），运算放大器的稳压电源（11）、线性测量

系统的稳压电源（12）。

五、国内有四个代表性的产品；（1）邢台产的JWC数字温度计（2）湖南出的以石英晶体为传感器数字温度计。（3）煤炭研究院研制以铂电阻为传感器的数字差式温度计。（4）上海科化医用仪表厂的传统产品贝克曼温度计。本发明与上述产品比较，优缺点如下：

1.比（1）（2）（3）（4）稳定可靠。24小时内不闪码，一个月内漂移量少于0.001K。

2.比（1）（2）（3）（4）时间常数小，反应灵敏，便于动态测量。

3.比（1）（2）（3）（4）非线性误差小，且有规律。任何分段展宽测量范围和互换手段，对中间各点的非线性误差，只要求不超出某个值既可，对其分布规律考虑较少。本发明每5K的最大非线性误差约为±0.0015K，以相对值表示为±0.03％，分布规律都为单S形。

4.与（1）（2）（3）（4）相比，具有测量温度和温差兼备的特点。

5.比（1）（2）（3）结构简单，造价低。

6.比（4）（1）使用方便。

7.比（1）（2）（3）基本量程窄，比（4）应用范围窄，但已满足量热方面的要求。

8.虽然热敏电阻阻值的离散性较大，但在同一批热敏电阻中，其材料常数B值，都比较接近，而本发明提出的结论：最佳分压比基本上只与B值有关，而与阻值大小、温度高低无关。无疑将在互换工艺中和多点检测方法有着积极效果。

六、实现本发明的最好方式分两个方面：

1.如前所述：做成单点多段首尾相接的温度计。

2.测量范围要求较窄的地方，如空调间、冷库、油库、粮库等场所，可将上述分温度段切换，改为分测温点切换，组成一个单段多点的测量装置，如图5所示：R₂₁、R₂₂……R_2n分别为各探测头热敏电阻R_1T、R_2T……R_nT的分压电阻。其它代号同前。

Claims (10)

1、一种由外壳、线性测量系统(1)、运算放大器(3)、模拟/数字转换器(4)、时钟电路(5)、驱动电路(6)(7)、数码显示器(8)、同步切换开关(9)、稳压电源(10)、(11)和(12)组成的单点四段首尾相连的测量装置。其特征在于：有包括可变电阻分压网路的桥梁，其电阻分压网路和放大器接地电阻通过联动开关(9)做同步调整。如果将探测头也做同步切换，既可成为一个单段四点测温装置。

2、按照权利要求1所述的测温装置，其特征在于：根据同步切换开关（9）的切换点数和探测头的多少，可分别组成单点多段和单段多点测温装置。

3、按权利要求1所述的测温装置，其特征在于：采用斩波稳零运算放大器和4 1/2 位双积分模拟／数字转换器，且把转换器的积分电容值和平衡电容值减少到正常值的68％。

4、按权利要求1所述的测温装置，其特征在于：线性测量回路的稳压电源浮置，运算放大器电路和模拟／数字转换、数字显示电路的稳压电源分置。

5、按权利要求1所述的测温装置，其特征在于：线性测量系统由包括可变电阻分压网路的桥路、探测杆、探测头和外套管构成，且用导线将探测头经探测杆，连接在桥路上，单独为一个臂。

6、按照权利要求5所述的测温装置，其特征在于：可变电阻分压网路，既可由一个连续可调的电阻器组成，又可由多个调定电阻器组成，还可由上述两种电阻器混合组成。只能作为一个桥臂，并且和探测头处在桥路的同一支路。

7、按照权利要求5所述的测温装置，其特征在于：桥路的另一支路的两个桥臂，由两个固定值电阻器组成，且两个桥臂电阻的比值等于最佳分压比。

8、按照权利要求5所述的测温装置，其特征在于：外套管是用金属做成的空心薄壁开口园杆，并在顶端开设网状分布的圆孔。

9、按照权利要求5所述的测温装置，其特征在于：探测杆是用厚壁玻璃管做成。

10、按照权利要求9所述的测温装置，其特征在于：探测头是用树脂胶将热敏电阻元件封装在探测杆的顶部。

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