專利名稱:數(shù)字溫度溫差儀的制作方法
本發(fā)明屬于電子數(shù)字溫度測(cè)量?jī)x器。
國(guó)內(nèi)目前采用電子技術(shù)進(jìn)行溫度測(cè)量的一般精度為0.1℃(除造價(jià)昂貴的精密級(jí)鉑電阻溫度計(jì)之外)，如上海嘉定科教儀器廠生產(chǎn)的電阻溫度計(jì)。國(guó)外雖有0.01℃分辨率的普通鉑電阻溫度計(jì)，但線性誤差一般不優(yōu)于0.015℃，如英國(guó)Solomat公司生產(chǎn)的LIS-135型鉑電阻溫度計(jì)。
在精密溫差測(cè)量中，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的是貝克曼溫度計(jì)，它的制造溫區(qū)通常是-20～+150℃，但由于存在著量程范圍小(只有5℃)，操作復(fù)雜(需用手拍打調(diào)節(jié)水銀量)，觀察不便(要配放大鏡進(jìn)行觀察讀數(shù))，易損、污染環(huán)境等缺點(diǎn)，所以從60年代起國(guó)內(nèi)的一些大專院校就開始了新一代溫差測(cè)量?jī)x器的研制工作，如南京大學(xué)儀器廠生產(chǎn)的非平衡電橋溫差儀和南京堯辰機(jī)械廠生產(chǎn)的BRT貝氏電子溫度計(jì)等，但其共同存在的缺點(diǎn)是溫區(qū)小(-10～+50℃)，量程窄(2～4℃)，校準(zhǔn)困難(每次測(cè)量前都要進(jìn)行校準(zhǔn))，操作和讀數(shù)沒有明顯改觀等，據(jù)吉林化工學(xué)院反應(yīng)，近年來國(guó)外有在貝克曼溫度計(jì)上另設(shè)附加裝置以實(shí)現(xiàn)數(shù)字讀數(shù)，但還不能革除貝克曼溫度計(jì)。
本發(fā)明的目的是提供一種精密數(shù)字溫度溫差測(cè)量和自動(dòng)記錄儀，同時(shí)也為具有二三次分量的非線性傳感器提供一種線性補(bǔ)償電路。
本發(fā)明的目的是通過設(shè)計(jì)一個(gè)非線性傳感器微變量測(cè)量補(bǔ)償線路來實(shí)現(xiàn)的。該線路采用了全封裝技術(shù)，它由兩個(gè)運(yùn)算放大器和阻抗元件組成對(duì)稱的雙恒流源;這兩個(gè)恒流分別通過傳感器和固定電阻產(chǎn)生微電壓測(cè)量信號(hào)和固定電壓，然后將它們送到高阻抗差動(dòng)放大器組件進(jìn)行差分放大，輸出足夠的測(cè)量信號(hào)送下一級(jí)電路。在該高阻抗差動(dòng)放大器組件的輸出端和與傳感器連接的恒流源運(yùn)放的反向輸入端之間短接了一個(gè)電阻，它就是線性補(bǔ)償電阻。它能使非線性阻抗元件的線性度大大提高。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步描述圖1是非線性傳感器微變量測(cè)量補(bǔ)償線路;
圖2是整機(jī)線路。
參照?qǐng)D1，由兩個(gè)運(yùn)算放大器3、4組成對(duì)稱的雙恒流源，其中一個(gè)恒流源的恒流I1，通過傳感器5，產(chǎn)生微電壓測(cè)量信號(hào)Usr1，另一個(gè)恒流源的恒流I2通過連接在該運(yùn)算放大器4的輸入和輸出端之間的固定電阻6產(chǎn)生固定電壓Usr2;再用一個(gè)高精度、高阻抗差動(dòng)放大器組件8完成微信號(hào)(Usr1-Usr2)的放大，輸出足夠的測(cè)量信號(hào)Usc。在高阻抗差動(dòng)放大器組件8的輸出端和恒流源運(yùn)放3的反向輸入端之間短接了一只線性補(bǔ)償電阻7。
當(dāng)從零調(diào)電位器2輸入一個(gè)精密基準(zhǔn)源UR+時(shí)，通過電阻1和運(yùn)放3、4的作用產(chǎn)生恒流I1和I2。如若傳感器5為一鉑電阻溫度傳感器，它在攝氏溫度零度時(shí)的阻值為R0，我們只要使電阻6的阻值等于R0，并調(diào)整電位器2使恒流I1＝I2，則在運(yùn)放3、4輸出端的Usr1和Usr2就相等，通過運(yùn)放組件8就輸出零電位，從而達(dá)到攝氏零度時(shí)零輸出的目的。運(yùn)放組件8的特點(diǎn)是輸入阻抗高，失調(diào)和漂移極小，最重要的是噪聲電壓小于0.2μV，而線路設(shè)計(jì)的最小分辨電壓為1μV，故能滿足測(cè)量精度和穩(wěn)定性的要求。在線性補(bǔ)償中，采用了線性補(bǔ)償電阻7的短接法。當(dāng)不接線性補(bǔ)償電阻7時(shí)，usc＝K(usr1-usr2)＝I1·K(R5-R6)(其中I1＝I2;K是放大倍數(shù);R6是固定電阻6的阻值;R5是傳感器5的阻值。)但傳感器5的阻值是非線性的。以鉑電阻傳感器為例，它的阻溫關(guān)系式通常是具有二、三次方分量的，即
(式中R5-鉑電阻阻值t-實(shí)際溫度A、B、C為鉑電阻分度常數(shù)R0-在0℃時(shí)鉑電阻阻值)要想得到較好的線性，就必須消除二、三次方分量的影響。
當(dāng)采用圖1所示的線性補(bǔ)償電阻7后，可使鉑電阻的線性度大大提高。這是因?yàn)?，?dāng)短接上線性補(bǔ)償電阻7時(shí)，usr1＝(I1+I7)R5＝I1＋ (uSC)/(R7) R5(1)
(其中R7是線性補(bǔ)償電阻7的阻值)這時(shí)，在高阻抗差動(dòng)放大器組件8的輸出端有usc＝KI1R7(R5-R0)/(R7-KR5)由式可見，當(dāng)攝氏0℃時(shí)，R5＝R0，則usc＝0我們所要得到的是使輸出電壓usc線性化。
故令usc＝Dt(其中D為常數(shù)，t為實(shí)際溫度)將usc＝Dt代入(1)式有usr1=(I1+ (Dt)/(R7) )R5(2)將R5＝R0(1+At+Bt2)(t≥0)代入(2)式有usr1=Ro［I1+(AI1+ (D)/(R7) )t+(BI1+ (AD)/(R7) )t2+ (BD)/(R7) t3令BI1+ (AD)/(R7) =0，可得 1/(R7) =- (BI1)/(DA) ，代入(3)式有usr1=RoI1［1+(A- (B)/(A) )t- (B2)/(A) t3］(4)將分度參數(shù)(廠家給定)A＝3.96847×10-3，B＝-5.847×10-7代入(4)式有usr1＝R0I1[1+4.116×10-3·t-8.615×10-11·t3]由上式可見，在0℃～+150℃范圍內(nèi)，8.615×10-11·t3《4.116×10-3·t
故有usr1＝R0I1(1+4.116×10-3t)可見usr1也線性化了，這同樣也證明了usc＝Dt是正確的，只要我們所令的條件(BI1+ (AD)/(RT) )=0即R7=- (DA)/(BI1) 成立，就能實(shí)現(xiàn)輸出電壓usc線性化。
在R7=- (DA)/(BI1) 中，由于B＝-5.847×10-7為一負(fù)值，故R7仍為正數(shù)。只要R7阻值選得適當(dāng)，就能保證usc的良好的線性化。
同理也可以證明，t≤0時(shí)，usc＝Dt的結(jié)果。此外，由于采用了雙恒流源線路，因此當(dāng)基準(zhǔn)源發(fā)生變化時(shí)(如受溫度影響等)，該線路也能自動(dòng)進(jìn)行抑制;如若運(yùn)放3和4的性能一致，就能更有效地消除溫度和時(shí)間漂移，線性度更好。
在圖2所示的整機(jī)線路中，9是溫度溫差轉(zhuǎn)換開關(guān);10是專用放大器組件，原理同運(yùn)放組件8;11是溫差測(cè)量的零點(diǎn)調(diào)節(jié)電位器;12是本儀器的滿量程粗調(diào);13是滿量程細(xì)調(diào);14是溫差測(cè)量的滿量程調(diào)節(jié)電位器;16是保持按鍵;17是模數(shù)轉(zhuǎn)換器;18是顯示器。
工作過程如下1、溫度測(cè)量此時(shí)溫度溫差轉(zhuǎn)換開關(guān)9打在a位置上;傳感器5是專用鉑電阻傳感器，它是用導(dǎo)線和整機(jī)連接的。當(dāng)將鉑電阻傳感器5放入被測(cè)物體中時(shí)，它的阻值隨溫度的變化而變化，經(jīng)線性補(bǔ)償后送運(yùn)放組件8進(jìn)行放大，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)9將放大信號(hào)送入粗調(diào)12、細(xì)調(diào)13電位器，然后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器17，模數(shù)轉(zhuǎn)換器17將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送顯示器18顯示。此時(shí)小數(shù)點(diǎn)在第二位上。因此可測(cè)量范圍為±199.99℃的任一溫度值。從圖2可見，由于轉(zhuǎn)換開關(guān)9的作用，運(yùn)放組件10和溫差測(cè)量調(diào)節(jié)電位器14都不起作用。
2、溫差測(cè)量此時(shí)溫度溫差轉(zhuǎn)換開關(guān)9打在b位置上。從運(yùn)放組件8輸出的信號(hào)再經(jīng)運(yùn)放組件10進(jìn)行第二次放大，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)9經(jīng)溫差測(cè)量調(diào)節(jié)電位器14送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器17進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，此時(shí)顯示器18中的小數(shù)點(diǎn)位置在第三位上，因此最大量程為±19.999℃圖2中的運(yùn)放組件10有兩個(gè)輸入端，除測(cè)量端外，另一端作任意零點(diǎn)設(shè)置，即運(yùn)放組件10的反向輸入端和精密基準(zhǔn)源UR+、UR-在零點(diǎn)調(diào)節(jié)電位器11上產(chǎn)生的電壓基準(zhǔn)信號(hào)相聯(lián)。通過調(diào)節(jié)零點(diǎn)調(diào)節(jié)電位器11，可以在-50℃～+150℃內(nèi)任意設(shè)置零點(diǎn)，從而達(dá)到相對(duì)溫度變化值的測(cè)定。
圖2中的15是多圈電位器，通過它可以完成0～10mv不同量程的記錄儀的配套工作。此外，還可以作為控制信號(hào)UT進(jìn)行輸出。16是保持按鍵，當(dāng)按鍵閉合時(shí)，顯示器18顯示的數(shù)字保持瞬間讀數(shù);按鍵打開時(shí)將繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量顯示。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是解決了實(shí)驗(yàn)室的高精度溫度和溫差的測(cè)量，它和精密的鉑電阻溫度計(jì)相比具有插入深度低(鉑電阻溫度計(jì)精密級(jí)的插入深度為500mm)，造價(jià)低(20∶1)，讀數(shù)方便可靠，它和水銀溫度計(jì)相比具有讀數(shù)直觀，操作簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，測(cè)量精度高，時(shí)間長(zhǎng)數(shù)小，能實(shí)現(xiàn)溫度、溫差自動(dòng)記錄，由于它具有溫度和溫差測(cè)量?jī)煞N功能，因此用它可取代實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期以來占統(tǒng)治地位的水銀溫度計(jì)和貝克曼溫度計(jì)，同時(shí)為測(cè)量自動(dòng)化提供了很好的條件。
下面結(jié)合附圖給出實(shí)施例。
1、溫度測(cè)量參照?qǐng)D2，將鉑電阻傳感器5放入沸點(diǎn)儀的溶液中，將其端子接入儀器的探頭接線柱上，將溫度、溫差轉(zhuǎn)換開關(guān)9撥在a位置上。接通電源，將沸點(diǎn)儀進(jìn)行加熱。這時(shí)運(yùn)放3的輸出usr1將發(fā)生變化，通過高阻抗差動(dòng)放大器組件8放大后，其輸出端usc是一個(gè)隨溫度變化的值。通過溫度、溫差轉(zhuǎn)換開關(guān)9將此放大信號(hào)送入粗調(diào)12和細(xì)調(diào)13電位器，然后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器17。模數(shù)轉(zhuǎn)換器17將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送顯示器18顯示。這時(shí)顯示的數(shù)值就是沸點(diǎn)儀中溶液的溫度值。從顯示器18上可以看到，數(shù)字向正方向增大，當(dāng)進(jìn)入沸點(diǎn)時(shí)，顯示器18則顯示一穩(wěn)定的數(shù)字，該讀數(shù)就是溶液沸點(diǎn)溫度。
2、溫差測(cè)量先將50毫升純水放入試管中，并將鉑電阻傳感器5同時(shí)插入試管。參照?qǐng)D2，這時(shí)溫度、溫差轉(zhuǎn)換開關(guān)9撥在b位置上。將試管置于冰域內(nèi)，當(dāng)產(chǎn)生冰花后，調(diào)整零點(diǎn)調(diào)節(jié)電位器11，使運(yùn)放組件10的反向輸入電壓與運(yùn)放組件8的輸出usc相等，即使運(yùn)放組件10的輸出為零，則顯示器18顯示數(shù)值為0.000。然后，再將冰溶化，在試管中加入0.187克的尿素進(jìn)行降溫。當(dāng)試管溶液再次結(jié)冰時(shí)，由于傳感器5的阻值變化，使運(yùn)放組件8的輸出usc也變化，而運(yùn)放組件10的反向輸入端沒變，則運(yùn)放組件10有信號(hào)輸出，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)9經(jīng)溫差測(cè)量調(diào)節(jié)電位器14送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器17進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，此時(shí)在顯示器18上顯示的數(shù)值就是試管純水中加入尿素后的冰點(diǎn)相對(duì)溫度值，實(shí)際顯示為＝0.118℃。它表明尿素液比純水的冰點(diǎn)下降了0.118℃。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字溫度溫差儀，其特征是它具有一個(gè)由雙恒流源、非線性傳感器5、固定電阻6、高阻抗差動(dòng)放大器組件8和線性補(bǔ)償電阻7以及零調(diào)電位器2所組成的非線性傳感器微變量測(cè)量補(bǔ)償線路；運(yùn)放組件10的反向輸入端和精密基準(zhǔn)源UR-、UR+在零點(diǎn)調(diào)節(jié)電位器11上產(chǎn)生的電壓基準(zhǔn)信號(hào)相聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的數(shù)字溫度溫差儀，其特征在于該儀器的非線性傳感器微變量測(cè)量補(bǔ)償線路中的線性補(bǔ)償電阻7的阻值是可選擇的。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的數(shù)字溫度溫差儀，其特征在于該儀器的非線性傳感器微變量測(cè)量補(bǔ)償線路中的雙恒流源是對(duì)稱的。
專利摘要
本發(fā)明提出的是一種數(shù)字溫度溫差測(cè)量?jī)x，它是通過一個(gè)非線性傳感器微變量測(cè)量補(bǔ)償線路實(shí)現(xiàn)的，該線路采用雙恒流源、非線性傳感器、固定電阻、高阻抗差動(dòng)放大器組件和線性補(bǔ)償電阻以及零調(diào)電位器組成，該溫度溫差測(cè)量?jī)x解決了實(shí)驗(yàn)室的高精度溫度溫差測(cè)量由于它具有溫度和溫差兩種功能，因此用它可取代實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期以來占統(tǒng)治地位的水銀及貝克曼溫度計(jì)。
文檔編號(hào)G01K7/16GK87102499SQ87102499
公開日1988年10月12日 申請(qǐng)日期1987年3月28日
發(fā)明者許勝和 申請(qǐng)人:國(guó)營(yíng)南京堯辰機(jī)械廠, 許勝和導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan