专利名称:数字温度温差仪的制作方法
本发明属于电子数字温度测量仪器。
国内目前采用电子技术进行温度测量的一般精度为0.1℃(除造价昂贵的精密级铂电阻温度计之外)，如上海嘉定科教仪器厂生产的电阻温度计。国外虽有0.01℃分辨率的普通铂电阻温度计，但线性误差一般不优于0.015℃，如英国Solomat公司生产的LIS-135型铂电阻温度计。
在精密温差测量中，目前国内外普遍采用的是贝克曼温度计，它的制造温区通常是-20～+150℃，但由于存在着量程范围小(只有5℃)，操作复杂(需用手拍打调节水银量)，观察不便(要配放大镜进行观察读数)，易损、污染环境等缺点，所以从60年代起国内的一些大专院校就开始了新一代温差测量仪器的研制工作，如南京大学仪器厂生产的非平衡电桥温差仪和南京尧辰机械厂生产的BRT贝氏电子温度计等，但其共同存在的缺点是温区小(-10～+50℃)，量程窄(2～4℃)，校准困难(每次测量前都要进行校准)，操作和读数没有明显改观等，据吉林化工学院反应，近年来国外有在贝克曼温度计上另设附加装置以实现数字读数，但还不能革除贝克曼温度计。
本发明的目的是提供一种精密数字温度温差测量和自动记录仪，同时也为具有二三次分量的非线性传感器提供一种线性补偿电路。
本发明的目的是通过设计一个非线性传感器微变量测量补偿线路来实现的。该线路采用了全封装技术，它由两个运算放大器和阻抗元件组成对称的双恒流源;这两个恒流分别通过传感器和固定电阻产生微电压测量信号和固定电压，然后将它们送到高阻抗差动放大器组件进行差分放大，输出足够的测量信号送下一级电路。在该高阻抗差动放大器组件的输出端和与传感器连接的恒流源运放的反向输入端之间短接了一个电阻，它就是线性补偿电阻。它能使非线性阻抗元件的线性度大大提高。
下面结合附图进一步描述图1是非线性传感器微变量测量补偿线路;
图2是整机线路。
参照图1，由两个运算放大器3、4组成对称的双恒流源，其中一个恒流源的恒流I1，通过传感器5，产生微电压测量信号Usr1，另一个恒流源的恒流I2通过连接在该运算放大器4的输入和输出端之间的固定电阻6产生固定电压Usr2;再用一个高精度、高阻抗差动放大器组件8完成微信号(Usr1-Usr2)的放大，输出足够的测量信号Usc。在高阻抗差动放大器组件8的输出端和恒流源运放3的反向输入端之间短接了一只线性补偿电阻7。
当从零调电位器2输入一个精密基准源UR+时，通过电阻1和运放3、4的作用产生恒流I1和I2。如若传感器5为一铂电阻温度传感器，它在摄氏温度零度时的阻值为R0，我们只要使电阻6的阻值等于R0，并调整电位器2使恒流I1＝I2，则在运放3、4输出端的Usr1和Usr2就相等，通过运放组件8就输出零电位，从而达到摄氏零度时零输出的目的。运放组件8的特点是输入阻抗高，失调和漂移极小，最重要的是噪声电压小于0.2μV，而线路设计的最小分辨电压为1μV，故能满足测量精度和稳定性的要求。在线性补偿中，采用了线性补偿电阻7的短接法。当不接线性补偿电阻7时，usc＝K(usr1-usr2)＝I1·K(R5-R6)(其中I1＝I2;K是放大倍数;R6是固定电阻6的阻值;R5是传感器5的阻值。)但传感器5的阻值是非线性的。以铂电阻传感器为例，它的阻温关系式通常是具有二、三次方分量的，即
(式中R5-铂电阻阻值t-实际温度A、B、C为铂电阻分度常数R0-在0℃时铂电阻阻值)要想得到较好的线性，就必须消除二、三次方分量的影响。
当采用图1所示的线性补偿电阻7后，可使铂电阻的线性度大大提高。这是因为，当短接上线性补偿电阻7时，usr1＝(I1+I7)R5＝I1＋ (uSC)/(R7) R5(1)
(其中R7是线性补偿电阻7的阻值)这时，在高阻抗差动放大器组件8的输出端有usc＝KI1R7(R5-R0)/(R7-KR5)由式可见，当摄氏0℃时，R5＝R0，则usc＝0我们所要得到的是使输出电压usc线性化。
故令usc＝Dt(其中D为常数，t为实际温度)将usc＝Dt代入(1)式有usr1=(I1+ (Dt)/(R7) )R5(2)将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)将分度参数(厂家给定)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]由上式可见，在0℃～+150℃范围内，8.615×10-11·t3《4.116×10-3·t
故有usr1＝R0I1(1+4.116×10-3t)可见usr1也线性化了，这同样也证明了usc＝Dt是正确的，只要我们所令的条件(BI1+ (AD)/(RT) )=0即R7=- (DA)/(BI1) 成立，就能实现输出电压usc线性化。
在R7=- (DA)/(BI1) 中，由于B＝-5.847×10-7为一负值，故R7仍为正数。只要R7阻值选得适当，就能保证usc的良好的线性化。
同理也可以证明，t≤0时，usc＝Dt的结果。此外，由于采用了双恒流源线路，因此当基准源发生变化时(如受温度影响等)，该线路也能自动进行抑制;如若运放3和4的性能一致，就能更有效地消除温度和时间漂移，线性度更好。
在图2所示的整机线路中，9是温度温差转换开关;10是专用放大器组件，原理同运放组件8;11是温差测量的零点调节电位器;12是本仪器的满量程粗调;13是满量程细调;14是温差测量的满量程调节电位器;16是保持按键;17是模数转换器;18是显示器。
工作过程如下1、温度测量此时温度温差转换开关9打在a位置上;传感器5是专用铂电阻传感器，它是用导线和整机连接的。当将铂电阻传感器5放入被测物体中时，它的阻值随温度的变化而变化，经线性补偿后送运放组件8进行放大，通过转换开关9将放大信号送入粗调12、细调13电位器，然后送到模数转换器17，模数转换器17将模拟信号转换成数字信号送显示器18显示。此时小数点在第二位上。因此可测量范围为±199.99℃的任一温度值。从图2可见，由于转换开关9的作用，运放组件10和温差测量调节电位器14都不起作用。
2、温差测量此时温度温差转换开关9打在b位置上。从运放组件8输出的信号再经运放组件10进行第二次放大，通过转换开关9经温差测量调节电位器14送入模数转换器17进行模数转换，此时显示器18中的小数点位置在第三位上，因此最大量程为±19.999℃图2中的运放组件10有两个输入端，除测量端外，另一端作任意零点设置，即运放组件10的反向输入端和精密基准源UR+、UR-在零点调节电位器11上产生的电压基准信号相联。通过调节零点调节电位器11，可以在-50℃～+150℃内任意设置零点，从而达到相对温度变化值的测定。
图2中的15是多圈电位器，通过它可以完成0～10mv不同量程的记录仪的配套工作。此外，还可以作为控制信号UT进行输出。16是保持按键，当按键闭合时，显示器18显示的数字保持瞬间读数;按键打开时将继续进行测量显示。
本发明的优点是解决了实验室的高精度温度和温差的测量，它和精密的铂电阻温度计相比具有插入深度低(铂电阻温度计精密级的插入深度为500mm)，造价低(20∶1)，读数方便可靠，它和水银温度计相比具有读数直观，操作简单，使用寿命长，测量精度高，时间长数小，能实现温度、温差自动记录，由于它具有温度和温差测量两种功能，因此用它可取代实验长期以来占统治地位的水银温度计和贝克曼温度计，同时为测量自动化提供了很好的条件。
下面结合附图给出实施例。
1、温度测量参照图2，将铂电阻传感器5放入沸点仪的溶液中，将其端子接入仪器的探头接线柱上，将温度、温差转换开关9拨在a位置上。接通电源，将沸点仪进行加热。这时运放3的输出usr1将发生变化，通过高阻抗差动放大器组件8放大后，其输出端usc是一个随温度变化的值。通过温度、温差转换开关9将此放大信号送入粗调12和细调13电位器，然后送到模数转换器17。模数转换器17将模拟信号转换成数字信号送显示器18显示。这时显示的数值就是沸点仪中溶液的温度值。从显示器18上可以看到，数字向正方向增大，当进入沸点时，显示器18则显示一稳定的数字，该读数就是溶液沸点温度。
2、温差测量先将50毫升纯水放入试管中，并将铂电阻传感器5同时插入试管。参照图2，这时温度、温差转换开关9拨在b位置上。将试管置于冰域内，当产生冰花后，调整零点调节电位器11，使运放组件10的反向输入电压与运放组件8的输出usc相等，即使运放组件10的输出为零，则显示器18显示数值为0.000。然后，再将冰溶化，在试管中加入0.187克的尿素进行降温。当试管溶液再次结冰时，由于传感器5的阻值变化，使运放组件8的输出usc也变化，而运放组件10的反向输入端没变，则运放组件10有信号输出，通过转换开关9经温差测量调节电位器14送入模数转换器17进行模数转换，此时在显示器18上显示的数值就是试管纯水中加入尿素后的冰点相对温度值，实际显示为＝0.118℃。它表明尿素液比纯水的冰点下降了0.118℃。
权利要求
1.一种数字温度温差仪，其特征是它具有一个由双恒流源、非线性传感器5、固定电阻6、高阻抗差动放大器组件8和线性补偿电阻7以及零调电位器2所组成的非线性传感器微变量测量补偿线路；运放组件10的反向输入端和精密基准源UR-、UR+在零点调节电位器11上产生的电压基准信号相联。
2.根据权利要求
1所述的数字温度温差仪，其特征在于该仪器的非线性传感器微变量测量补偿线路中的线性补偿电阻7的阻值是可选择的。
3.根据权利要求
1所述的数字温度温差仪，其特征在于该仪器的非线性传感器微变量测量补偿线路中的双恒流源是对称的。
专利摘要
本发明提出的是一种数字温度温差测量仪，它是通过一个非线性传感器微变量测量补偿线路实现的，该线路采用双恒流源、非线性传感器、固定电阻、高阻抗差动放大器组件和线性补偿电阻以及零调电位器组成，该温度温差测量仪解决了实验室的高精度温度温差测量由于它具有温度和温差两种功能，因此用它可取代实验长期以来占统治地位的水银及贝克曼温度计。
文档编号G01K7/16GK87102499SQ87102499
公开日1988年10月12日 申请日期1987年3月28日
发明者许胜和 申请人:国营南京尧辰机械厂, 许胜和导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan