專利名稱：一種多功能礦物熱電儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量金屬和半導(dǎo)體礦物熱電效應(yīng)的儀器，屬于礦物物性測試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬或半導(dǎo)體礦物處在溫差條件下可產(chǎn)生溫差熱電勢。礦物熱電性具有特殊的標(biāo)型意義，用以表征礦物結(jié)構(gòu)、成分與形成條件(如溫度、壓力、介質(zhì)成分變化等等)關(guān)系的重要參數(shù)，可指示礦物形成的環(huán)境及物理化學(xué)條件，利用熱電性可以判斷古地溫和成礦溫度，預(yù)測隱伏礦體，研究成礦分帶性，評價礦床剝蝕水平等，在找礦礦物學(xué)、成因礦物學(xué)及地球化學(xué)等研究中具有重要用途。如何快捷準(zhǔn)確地測量樣品的溫度、熱電勢或熱電曲線、熱電系數(shù)，是研究金屬及半導(dǎo)體礦物熱電性的關(guān)鍵。
根據(jù)文獻檢索，前蘇聯(lián)較早研制出了恒溫差法礦物熱電儀，在冷熱端有兩個熱電偶按差熱計接法測定溫差，冷端用流水恒溫，電位差計測量±E，轉(zhuǎn)換接線后由電位差計測量熱電偶電勢而取得ΔT(即TH-TL)。其后，國內(nèi)相繼出現(xiàn)了類似裝置的研發(fā)報道(1)李家駒研制的“礦物熱電效應(yīng)測試裝置”(李家駒，礦物熱電效應(yīng)測試.地質(zhì)科學(xué)，1973，Vol.4317-326)；(2)遼寧地礦局實驗研究中心的“礦物熱電圖譜儀”(中國專利，CN 86208116U)；(3)中國有色金屬工業(yè)總公司礦產(chǎn)地質(zhì)研究院研制的“DYW-1型礦物熱電系數(shù)測量儀”(黃東，黃鐵礦熱電系數(shù)的研究與應(yīng)用.物探與化探，1991，15(3)188-195)；(4)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)組裝的“RD2型攜帶式礦物熱電儀”(邵偉，陳光遠(yuǎn)，孫岱生.黃鐵礦熱電性研究方法及其在膠東金礦的應(yīng)用.現(xiàn)代地質(zhì)，1990，49(1)46-57)?？偲饋砜矗?1)～(3)的冷極都是通過水流恒溫，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易控制，影響了活化溫度的精確度；而(4)是在取定溫差10℃時數(shù)字顯示熱電系數(shù)，但由于設(shè)定活化溫度較小，測試結(jié)果難以真實地反映樣品的熱電性規(guī)律(礦物的熱電動勢E與活化溫度Δt之間不呈線性關(guān)系)；以上測試裝置的熱極都沒有采取專門的絕熱保溫措施，散熱太快使得恒溫穩(wěn)定性降低；它們的溫度控制都是使用傳統(tǒng)的電路，控溫精度較低，并且只能取單一的活化溫度，不能根據(jù)測量的實際需要設(shè)置不同的活化溫度；尤其是，這些測試裝置的功能單一，只能測試與熱電效應(yīng)相關(guān)的某一項參數(shù)，不能全面反映樣品的熱電性特征。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種活化溫度范圍寬、結(jié)構(gòu)合理、性能可靠、易操作、集熱電系數(shù)、熱電勢、熱電曲線、導(dǎo)型、溫度、濕度等參量測量功能于一體的礦物熱電效應(yīng)測試儀器。其技術(shù)方案為包括熱活化裝置、熱極溫度傳感器S2、冷極溫度傳感器S3、冷極E2、信號處理電路、溫控開關(guān)電路TK和顯示器LED2；其中熱活化裝置包括熱極E1和安裝在熱極E1體內(nèi)的電加熱器HTR，其作用是在溫控開關(guān)電路TK控制之下對熱極E1加熱；冷極溫度傳感器S3安裝在冷極E2上，熱極溫度傳感器S2設(shè)置在熱極E1中，它們分別與信號處理電路的輸入端連接，將采集的冷熱極溫度信號輸入信號處理電路；冷極E2和熱極E1分別連接信號處理電路的輸入端，將采集的熱電信號送入信號處理電路；信號處理電路的輸出端分別連接溫控開關(guān)電路TK和顯示器LED2，將溫度信號和熱電信號運算處理的結(jié)果分別輸出到溫控開關(guān)電路TK和顯示器LED2，以控制加熱電路工作和顯示熱電測量結(jié)果，其特征在于信號處理電路包括溫度信號前置電路DL1～2、熱電信號前置電路DL3、濕度信號前置電路DL4和連接顯示器LED1～2的單片機MCU；增加與單片機MCU相連的溫度預(yù)置裝置SET、電存儲器IC1、測量控制按板CTR，增加測溫探頭S1、濕度傳感器S4、“恒溫-測溫”切換開關(guān)K1、加熱電路“接通-斷開”開關(guān)K2，其中測溫探頭S1、熱極溫度傳感器S2經(jīng)“恒溫-測溫”切換開關(guān)K1與溫度信號前置電路DL1輸入端相連，冷極溫度傳感器S3經(jīng)“恒溫-測溫”切換開關(guān)K1與溫度信號前置電路DL2輸入端相連，溫度信號前置電路DL1～2的輸出端分別接單片機MCU的輸入端；熱電信號前置電路DL3輸入端連接冷極E2、熱極E1，輸出端連接單片機MCU的輸入端，濕度信號前置電路DL4的輸入端連接濕度傳感器S4，其輸出端連接單片機MCU輸入端，單片機MCU的輸出端接顯示器LED1～2和溫控開關(guān)電路TK，電加熱器HTR依次經(jīng)加熱電路“接通-斷開”開關(guān)K2、溫控開關(guān)電路TK接220V交流電源。
所述的一種多功能礦物熱電儀，“恒溫-測溫”切換開關(guān)K1置于“測溫”時，測溫探頭S1接通溫度信號前置電路DL1，其采集的被測物質(zhì)溫度信號經(jīng)溫度信號前置電路DL1放大并處理成非負(fù)信號后送單片機MCU處理，測溫結(jié)果由顯示器LED1數(shù)字輸出；“恒溫-測溫”切換開關(guān)K1置于“恒溫”時，熱極溫度傳感器S2與溫度信號前置電路DL1接通，同時冷極溫度傳感器S3與溫度信號前置電路DL2輸入端接通，兩個溫度傳感器采集的熱、冷極溫度信號分別經(jīng)溫度信號前置電路DL1、DL2調(diào)理后送入單片機MCU進行運算比較，結(jié)果輸出到溫控開關(guān)電路TK控制加熱電路工作并同時由顯示器LED1顯示熱極溫度或熱冷極溫差；冷極E2、熱極E1采集的冷熱極熱電勢信號經(jīng)熱電信號前置電路DL3調(diào)理后由單片機MCU進行運算處理，得到被測物質(zhì)的熱電勢、熱電系數(shù)、導(dǎo)型等，由顯示器LED2顯示輸出；濕度信號前置電路DL4將濕度傳感器S4采集的濕度信號調(diào)理后送單片機處理，由顯示器LED2輸出濕度測量結(jié)果。
所述的一種多功能礦物熱電儀，溫度預(yù)置裝置SET包括“設(shè)置”按鍵AN1和“置數(shù)”按鍵AN2，對應(yīng)接單片機MCU的P0口，測量控制板(CTR)包括“溫差/溫度”切換按鍵AN3、“濕度/熱電”切換按鍵AN4、“熱電勢/熱電系數(shù)”切換按鍵AN5，分別對應(yīng)接單片機(MCU)的P0、P5、P4口，其中“設(shè)置”按鍵AN1用于激活預(yù)置功能，“置數(shù)”按鍵AN2用于設(shè)置相關(guān)參數(shù)，“設(shè)置”按鍵AN1與“置數(shù)”按鍵AN2的組合使用可以預(yù)設(shè)活化溫度(熱極溫度傳感器溫度同冷極溫度傳感器溫度之差)和超限溫度(活化溫度的上下限)，預(yù)置的參數(shù)存儲在電存儲器中，掉電不丟失，設(shè)置完成后可以隨時按“設(shè)置”按鍵AN1查看預(yù)置狀態(tài)。“溫差/溫度”切換按鍵AN3單獨使用可以切換顯示器LED1顯示當(dāng)前活化溫度或熱極溫度；“濕度/熱電”切換按鍵AN4使顯示器LED2切換“濕度/熱電”顯示，“熱電勢/熱電系數(shù)”切換按鍵AN5用以實現(xiàn)切換顯示器LED2顯示熱電系數(shù)或熱電勢。
所述的一種多功能礦物熱電儀，其設(shè)有的溫度信號前置電路DL1～2可以對溫度電壓信號進行放大和電平移動而將其轉(zhuǎn)化為適合單片機MCU輸入的信號，從而使儀器可以測量負(fù)溫度，并使活化溫度范圍更寬。溫度信號前置電路DL1包括穩(wěn)壓管TL1、微調(diào)電位器RW1～2、運算放大器IC2～3、電阻R1～7和電容C1～2，其中微調(diào)電位器RW1的一端(溫度信號前置電路DL1的輸入端)，經(jīng)“恒溫-測溫”切換開關(guān)K1(“恒溫-測溫”切換開關(guān)K1為雙刀雙擲開關(guān))，連接熱極溫度傳感器S2和測溫探頭S1中的一個，微調(diào)電位器RW1的另一端分別接電阻R4～5的一端和經(jīng)穩(wěn)壓管TL1接地，微調(diào)電位器RW1的可調(diào)端經(jīng)電阻R1接運算放大器IC3的同相輸入端，電阻R4的另一端經(jīng)微調(diào)電位器RW2接地，電阻R5的另一端接-5V電源，微調(diào)電位器RW2的可調(diào)端接運算放大器IC2的同相輸入端，運算放大器IC2的反相輸入端經(jīng)電阻R6接其輸出端，運算放大器IC2的輸出端經(jīng)電阻R2分別接運算放大器IC3的反相輸入端和電容C1、電阻R3的一端，電容C1、電阻R3的另一端及運算放大器IC3的輸出端(溫度信號前置電路DL1的輸出端)相接后，經(jīng)電阻R7接單片機MCU的P4口，并經(jīng)電容C2接地，溫度信號前置電路DL2與溫度信號前置電路DL1電路相同，其輸入端經(jīng)“恒溫-測溫”切換開關(guān)K1連接冷極溫度傳感器S3，輸出端連接單片機MCU的P4端口。
所述的一種多功能礦物熱電儀，熱電信號前置電路DL3包括電壓信號放大電路DL5和電路結(jié)構(gòu)與溫度信號前置電路DL1相同的熱電信號調(diào)理電路DL6，電壓信號放大電路DL5包括運算放大器IC4、電阻R19～22和電容C3，其中運算放大器IC4的同相輸入端經(jīng)電阻R19接冷極E2，其反相輸入端經(jīng)電阻R20接熱極E1、接地和電容C3的負(fù)極，電容C3的正極與運算放大器IC4的輸出端相接后接熱電信號調(diào)理電路DL6的輸入端，熱電信號調(diào)理電路DL6的輸出端接單片機MCU的P4端口。
所述的一種多功能礦物熱電儀，濕度信號前置電路DL4包括運算放大器IC7、電阻R30～32和電容C6，其中運算放大器IC7的同相輸入端經(jīng)電阻R30接濕度傳感器S4的輸出端，其反相輸入端與其輸出端之間并接有電阻R31和電容C6，且反相輸入端經(jīng)電阻R32接地，運算放大器IC7的輸出端接單片機MCU的P4端口。
所述的一種多功能礦物熱電儀，增設(shè)頂部敞口的絕熱盒BOX，熱極E1安裝在絕熱盒BOX內(nèi)，熱極E1與絕熱盒BOX之間充填絕熱層MAT。電加熱器HTR的電源端設(shè)有加熱指示器LED，加熱指示器LED與電加熱器HTR并聯(lián)，用以指示電加熱器HTR的工作狀態(tài)。
所述的一種多功能礦物熱電儀，熱極E1安裝在絕熱性能良好的絕熱盒BOX內(nèi)，電加熱器HTR安裝在熱極E1內(nèi)部，這樣的結(jié)構(gòu)使得熱極E1溫度分布均勻、絕熱保溫性能提高，有效提高了系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性和恒溫精度。加熱電路“接通-斷開”開關(guān)K2是個手動開關(guān)，通過該開關(guān)可以強行斷開加熱電路，以實現(xiàn)一些特別的功能(如測量隨活化溫度降低的熱電曲線等)或滿足安全方面的需要。
所述的一種多功能礦物熱電儀，溫控開關(guān)電路TK包括三極管T1、電阻R15～17、光電耦合器GD和雙向可控硅SK，其中光電耦合器GD的輸入端分別經(jīng)電阻R15接+5V電源、接三極管T1的集電極，光電耦合器GD輸出端的一端經(jīng)電阻R16接雙向可控硅SK的一端，其另一輸出端接雙向可控硅SK的控制端，并經(jīng)電阻R17分別接雙向可控硅SK的另一端和加熱電路“接通-斷開”開關(guān)K2，三極管T1的發(fā)射極接地，其基極接單片機MCU的P1端口，溫控開關(guān)電路TK配合單片機MCU控制電加熱器的加熱，有效避免了溫度過沖，使系統(tǒng)的恒溫狀態(tài)更穩(wěn)定。
所述的一種多功能礦物熱電儀，增設(shè)帶有輔極E3～4和顯示器LED3的數(shù)字萬用表模塊MTR，該模塊與系統(tǒng)共享電源，但是采用相對獨立的電路，輔極E3～4配合數(shù)字萬用表模塊MTR，可以測量電阻、電壓、電流等與分析礦物性質(zhì)有關(guān)的輔助參量；輔極E3～4和冷極E2均為外接插拔式電極，冷極E2探針直徑0.05mm～0.1mm，可以實現(xiàn)對礦物的微區(qū)測量熱極溫度傳感器S2、冷極溫度傳感器S3和測溫探頭S1均使用高精度集成溫度傳感器LM35A，測溫探頭S1設(shè)計成伸縮式探頭并采用鋼管特別封裝，方便于氣、液、固不同環(huán)境使用。
其工作原理為本發(fā)明主要用于測量礦物熱電性研究涉及的熱電參量(熱電勢、熱電曲線、熱電系數(shù)、導(dǎo)型)、溫度、濕度等，還可以測量外部溫度、外部濕度、電壓、電流、電阻等輔助參量。各功能可通過控制面板上的控制按鍵方便切換，測量結(jié)果無需另外運算，各參量數(shù)據(jù)可直接從數(shù)字顯示器讀取。
使用活化溫度預(yù)置裝置來預(yù)設(shè)活化溫度(熱極溫度傳感器溫度同冷極溫度傳感器溫度之差)和超限溫度(活化溫度的上下限)，系統(tǒng)工作時，通過按“設(shè)置”按鍵AN1激活預(yù)置功能，用“置數(shù)”按鍵AN2設(shè)置相關(guān)參數(shù)，設(shè)置完成后可以隨時按“設(shè)置”按鍵AN1查看預(yù)置狀態(tài)。預(yù)置的參數(shù)存儲在電存儲器中，可以根據(jù)需要隨時更改，并且掉電不丟失，再次開機如果使用的參數(shù)相同，則無需重新設(shè)置。
測溫功能和恒溫控制功能的切換由“恒溫-測溫”切換開關(guān)實現(xiàn)。實現(xiàn)恒溫功能“恒溫-測溫”切換開關(guān)置于“恒溫”時，熱極溫度傳感器、冷極溫度傳感器采集的溫度信號經(jīng)“恒溫-測溫”切換開關(guān)送入溫度信號前置電路進行信號放大、電平移動等處理，調(diào)理成適合單片機輸入的信號后送入單片機，單片機將運算得到的熱極冷極溫差同預(yù)置的活化溫度相比較，根據(jù)比較的結(jié)果輸出控制使溫控開關(guān)電路處在不同的工作狀態(tài)，此時若加熱電路“接通-斷開”開關(guān)K2處在“接通”狀態(tài)，則可實現(xiàn)電加熱器的調(diào)功輸出，使熱極冷極溫差恒定在預(yù)設(shè)活化溫度。熱極冷極溫差低于預(yù)置活化溫度較多時，加熱器全功率工作，使熱極快速升溫，熱冷極溫差接近預(yù)設(shè)活化溫度時，電加熱器減小加熱功率，減小溫度過沖，熱冷極溫差達(dá)到預(yù)置活化溫度后，單片機經(jīng)過運算會控制溫控開關(guān)電路輸出一較小加熱功率以補償熱極散熱的熱量損失，使熱冷極溫差穩(wěn)定在預(yù)置活化溫度。該過程中加熱指示器會以不同的聲音或亮度指示加熱狀態(tài)，熱極冷極溫差及熱極溫度可由顯示器LED1顯示，兩者的切換可通過按“溫差/溫度”切換按鍵AN3實現(xiàn)。如果不需要恒溫系統(tǒng)工作或出于特別需要，可手動將加熱電路“接通-斷開”開關(guān)K2置于“斷開”狀態(tài)，使電加熱器停止加熱。
實現(xiàn)測溫功能“恒溫-測溫”切換開關(guān)置于“測溫”時，熱極溫度傳感器、冷極溫度傳感器與溫度信號前置電路的連接被斷開，加熱電路由溫控開關(guān)電路自動切斷，將測溫探頭置于待測環(huán)境中(氣、液、固均可)，測溫探頭采集的溫度信號經(jīng)“恒溫-測溫”切換開關(guān)進入溫度信號前置電路，再經(jīng)單片機運算處理，溫度測量結(jié)果由單片機送顯示器LED1顯示。不進行專門的溫度測量時，測溫探頭就處在當(dāng)前的測量環(huán)境中，測量的就是環(huán)境溫度，可以通過“恒溫-測溫”切換開關(guān)在“恒溫”、“測溫”之間切換，隨時了解當(dāng)前環(huán)境溫度。
濕度測量功能只要開機就有效，濕度傳感器S4將采集的濕度信號送濕度信號前置電路DL4，放大調(diào)理后送單片機運算處理，測量結(jié)果由顯示器LED2顯示輸出。
熱電參量的測量在恒溫狀態(tài)下，將礦樣置于熱極上，冷極探針接觸礦樣的上表面，礦樣的冷端(與冷極接觸的一端，其溫度與冷極溫度相同，為環(huán)境溫度)與熱端(與熱極接觸的一端，溫度為熱極溫度)之間產(chǎn)生熱電動勢，冷極和熱極將礦樣兩端的電勢差傳遞到熱電勢信號前置電路，經(jīng)過信號放大和調(diào)理后送入單片機，進行熱電勢和熱電系數(shù)的運算，測量結(jié)果由顯示器LED2顯示輸出。顯示器LED2默認(rèn)的是濕度顯示，通過按“濕度/熱電”切換按鍵AN4可以將其置為熱電參量顯示狀態(tài)，用“熱電勢/熱電系數(shù)”切換按鍵AN5切換顯示器LED2顯示熱電勢、熱電系數(shù)。顯示的熱電勢或熱電系數(shù)為正值表明礦物導(dǎo)型為P型(空穴型)，若顯示的熱電勢或熱電系數(shù)為負(fù)值則被測礦物的導(dǎo)型是N型(電子型)?？梢赃B續(xù)測量冷熱極溫差逐漸升高或降低過程中相應(yīng)不同溫差的熱電勢，由此得到熱電曲線。也可以分多次預(yù)置不同的活化溫度，分別多次測量冷熱極溫差穩(wěn)定在不同活化溫度時相應(yīng)的礦物熱電勢，取平均值，得到更精確的熱電曲線。當(dāng)不需要恒溫系統(tǒng)工作或者欲測量隨活化溫度降低的熱電曲線時，可以用加熱電路“接通-斷開”開關(guān)將加熱電路強行斷開。
集成的通用數(shù)字萬用表是一個獨立的模塊，用以測量礦樣以及外部物質(zhì)的電壓、電阻、電流等與物性分析有關(guān)的輔助參量。使用時由兩個輔極采集相關(guān)信號，送通用數(shù)字萬用表，測量結(jié)果由顯示器LED3顯示輸出。
本發(fā)明具有以下特點(1)本發(fā)明具有多功能的特點，可以同步測量礦物熱電性研究涉及的多種參數(shù)，如熱電勢、熱電曲線、熱電系數(shù)、導(dǎo)型、溫度、濕度、電阻等，還可以測量外部溫度(氣、液、固皆可，測溫范圍-50℃～150℃)、外部濕度、電壓、電流等與分析礦物性質(zhì)有關(guān)的輔助參量。各功能可通過控制面板上的控制按鍵方便切換，測量結(jié)果無需另外運算，各參量數(shù)據(jù)可直接從數(shù)字顯示器讀取。
(2)設(shè)有活化溫度預(yù)置裝置，可以根據(jù)所測礦物樣品、環(huán)境溫度、濕度等條件的不同而任意設(shè)定不同的活化溫度，以獲得最佳的測量條件?；罨瘻囟确秶鷮挘蛇_(dá)0℃～120℃。
(3)可預(yù)置超限溫度(設(shè)置活化溫度的上限和下限)，配合單片機控制的溫控開關(guān)電路調(diào)功輸出，可以實現(xiàn)很高的控溫精度，并有效提高了恒溫狀態(tài)的穩(wěn)定性。
(4)熱活化裝置采用電加熱器嵌在熱極內(nèi)部并使用了絕熱盒的新型結(jié)構(gòu)，熱極的溫度分布均勻并且增強了隔熱保溫性能；冷極溫度設(shè)計為礦樣的冷端溫度，無需專門設(shè)置冷極恒溫系統(tǒng)，既簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又使操作更為簡單。
(5)集成的數(shù)字萬用表模塊與系統(tǒng)共享電源，但是采用相對獨立的電路，外部濕度、電壓、電流等與分析礦物性質(zhì)有關(guān)的輔助參量。有效避免了其對熱電系數(shù)、熱電勢、溫度、濕度等參量測量的干擾。


圖1是本發(fā)明的工作原理框圖；圖2是本發(fā)明實施例中單片機與電存儲器、顯示器、按鍵及電路DL1～4連接的電路圖；圖3是本發(fā)明實施例中溫度信號前置電路DL1～2及其與熱極溫度傳感器、冷極溫度傳感器、測溫探頭、溫控開關(guān)電路、電加熱器和單片機連接的電路圖；圖4是本發(fā)明實施例中熱電信號前置電路及其與熱極、冷極和單片機連接的電路圖；
圖5是本發(fā)明實施例中濕度信號前置電路及其與濕度傳感器、單片機連接的電路圖；圖6是本發(fā)明實施例中熱活化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
AN1“設(shè)置”按鍵 AN2“置數(shù)”按鍵AN3“溫差/溫度”切換按鍵AN4“濕度/熱電”切換按鍵 AN5“熱電勢/熱電系數(shù)”切換按鍵DL1～2溫度信號前置電路DL3熱電信號前置電路DL4濕度信號前置電路DL5熱電信號放大電路 DL6熱電信號調(diào)理電路S1測溫探頭S2熱極溫度傳感器 S3冷極溫度傳感器 S4濕度傳感器E1熱極E2冷極 E3～4輔極K1“恒溫-測溫”切換開關(guān) K2加熱電路“接通-斷開”開關(guān)TK溫控開關(guān)電路SK雙向可控硅 MCU單片機IC1電存儲器 SET溫度預(yù)置裝置CTR測量控制板HTR電加熱器 BOX絕熱盒 MAT絕熱層LED加熱指示器 LED1～3顯示器 T1三極管GD光電耦合器 U1～2串行-并行芯片 MTR通用數(shù)字萬用表模塊在圖1～6所示的實施例中單片機MCU選用臺灣松翰電子公司的產(chǎn)品SN8P2704A，其9～12腳對應(yīng)接濕度信號前置電路DL4、熱電信號前置電路DL3、溫度信號前置電路DL1～2的輸出端，其P1口接顯示器LED1～2，其27腳經(jīng)電阻R12接“溫差/溫度”切換按鍵AN3，其18腳經(jīng)電阻R13接“濕度/熱電”切換按鍵AN4，其8腳經(jīng)電阻R14接“熱電勢/熱電系數(shù)”切換按鍵AN5，其25腳經(jīng)電阻R10接“設(shè)置”按鍵AN1，其26腳經(jīng)電阻R11接“置數(shù)”按鍵AN2，其1腳經(jīng)溫控開關(guān)電路TK接AC220V電源和控制為電加熱器HTR通電的加熱電路“接通-斷開”開關(guān)K2，其19腳、20腳對應(yīng)經(jīng)串行-并行芯片U1～2接顯示器LED1～2，作為筆段驅(qū)動，利用分時掃描位驅(qū)動，使單片機MCU同時輸出到兩個4.5位的數(shù)碼管顯示器LED1～2，其P1口的6、5、4、2腳接顯示器LED1～2，用于提供顯示器LED1～2的位驅(qū)，其1腳輸出到溫控開關(guān)電路TK。溫控開關(guān)電路TK包括三極管T1、電阻R15～17、光電耦合器GD和雙向可控硅SK，其中光電耦合器GD的輸入端分別經(jīng)電阻R15接+5V電源、接三極管T1的集電極，光電耦合器GD輸出端的一端經(jīng)電阻R16接雙向可控硅SK的一端，其另一輸出端接雙向可控硅SK的控制端，并經(jīng)電阻R17分別接雙向可控硅SK的另一端和加熱電路“接通-斷開”開關(guān)K2，加熱電路“接通-斷開”開關(guān)K2的另一端接電加熱器HTR，三極管T1的發(fā)射極接地，其基極接單片機MCU的P1端口，溫控開關(guān)電路TK配合單片機MCU控制電加熱器HTR的加熱，有效避免了溫度過沖，使系統(tǒng)的恒溫狀態(tài)更穩(wěn)定。本實施例中活化溫度范圍可達(dá)0℃～120℃，測溫范圍在-50℃～150℃。
溫度信號前置電路DL1～2可以對溫度電壓信號進行放大和電平移動而將其轉(zhuǎn)化為適合單片機MCU輸入的信號，從而使儀器可以測量負(fù)溫度，并使活化溫度范圍更寬。其中溫度信號前置電路DL1包括穩(wěn)壓管TL1、微調(diào)電位器RW1～2、運算放大器IC2～3、電阻R1～7和電容C1～2，其中微調(diào)電位器RW1的一端(溫度信號前置電路DL1的輸入端)，經(jīng)雙刀雙擲的“恒溫-測溫”切換開關(guān)K1連接熱極溫度傳感器S2和測溫探頭S1中的一個，微調(diào)電位器RW1的另一端分別接電阻R4～5的一端和經(jīng)穩(wěn)壓管TL1接地，微調(diào)電位器RW1的可調(diào)端經(jīng)電阻R1接運算放大器IC3的同相輸入端，電阻R4的另一端經(jīng)微調(diào)電位器RW2接地，電阻R5的另一端接-5V電源，微調(diào)電位器RW2的可調(diào)端接運算放大器IC2的同相輸入端，運算放大器IC2的反相輸入端經(jīng)電阻R6接其輸出端，運算放大器IC2的輸出端經(jīng)電阻R2分別接運算放大器IC3的反相輸入端和電容C1、電阻R3的一端，電容C1、電阻R3的另一端及運算放大器IC3的輸出端(溫度信號前置電路DL1的輸出端)相接后，經(jīng)電阻R7接單片機MCU的11腳，并經(jīng)電容C2接地，溫度信號前置電路DL2與溫度信號前置電路DL1電路相同，其輸入端經(jīng)“恒溫-測溫”切換開關(guān)K1連接冷極溫度傳感器S3，輸出端連接單片機MCU的12腳。
熱電信號前置電路DL3包括電壓信號放大電路DL5和電路結(jié)構(gòu)與溫度信號前置電路DL1相同的熱電信號調(diào)理電路DL6，電壓信號放大電路DL5包括運算放大器IC4、電阻R19～22和電容C3，其中運算放大器IC4的同相輸入端經(jīng)電阻R19接冷極E2，其反相輸入端經(jīng)電阻R20接熱極E1、接地和電容C3的負(fù)極，電容C3的正極與運算放大器IC4的輸出端相接后接熱電信號調(diào)理電路DL6的輸入端，熱電信號調(diào)理電路DL6的輸出端接單片機MCU的10腳。
濕度信號前置電路DL4包括運算放大器IC7、電阻R30～32和電容C6，其中運算放大器IC7的同相輸入端經(jīng)電阻R30接濕度傳感器S4的輸出端，其反相輸入端與其輸出端之間并接有電阻R31和電容C6，且反相輸入端經(jīng)電阻R32接地，運算放大器IC7的輸出端接單片機MCU的9腳。
絕熱盒BOX頂部敞口，熱極E1采用導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好的鋁合金材質(zhì)，安裝在絕熱盒BOX內(nèi)，熱極E1與絕熱盒BOX之間充填絕熱層MAT，電加熱器HTR使用兩根20W的內(nèi)熱式電烙鐵芯，安裝在熱極E1內(nèi)部，這樣的結(jié)構(gòu)使得熱極E1溫度分布均勻、絕熱保溫性能提高，有效提高了系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性和恒溫精度，加熱電路“接通-斷開”開關(guān)K2是個手動開關(guān)，通過該開關(guān)可以強行斷開加熱電路，以實現(xiàn)一些特別的功能(如測量隨活化溫度降低的熱電曲線等)或滿足安全方面的需要。電加熱器HTR并接有加熱指示器LED，用以指示電加熱器HTR的工作狀態(tài)。
數(shù)字萬用表模塊采用了DT9205A型通用數(shù)字萬用表的核心，去掉了與礦物物性分析不相關(guān)的測量項目，只保留基本測量功能，用于測量礦樣以及外部物質(zhì)的電壓、電阻、電流等與物性分析有關(guān)的輔助參量，測量結(jié)果由顯示器LED3顯示輸出，其冷極E2和輔極E3～4均為外接插拔式電極，其探針直徑0.1mm，可實現(xiàn)高精度微區(qū)測量。
本實施例設(shè)計成礦樣的冷端溫度與冷極E2的溫度相同，始終為環(huán)境溫度，無需專門設(shè)置冷極恒溫系統(tǒng)。這樣不僅使冷極E2結(jié)構(gòu)簡化，而且令操作簡單且提高了測量精度。熱極溫度傳感器S2、冷極溫度傳感器S3和測溫探頭S1均使用高精度集成溫度傳感器LM35A，測溫探頭S1設(shè)計成伸縮式探頭并采用鋼管特別封裝，方便于氣、液、固不同環(huán)境使用。
本實施例所有功能通過控制面板上的按鍵和開關(guān)來實現(xiàn)，過程如下先將加熱電路“接通-斷開”K2開關(guān)置于“斷開”，再打開電源開關(guān)開機，電源指示燈亮。如果原先儲存在電存儲器IC1中的預(yù)置活化溫度和超限溫度不符合需要，則需要更新按“設(shè)置”按鍵AN1，激活活化溫度設(shè)置狀態(tài)，顯示器LED1上循環(huán)顯示原先預(yù)存的活化溫度和超限溫度(上下限)，按“置數(shù)”按鍵AN2，(如不更新則直接按“設(shè)置”按鍵AN1退出)，顯示器LED1上顯示閃爍的活化溫度值(T)，可按”置數(shù)”按鍵AN2依次更改顯示的各數(shù)位，將活化溫度設(shè)為需要的值，之后LED1上閃爍顯示超限溫度上限(TH)，通過按“置數(shù)”按鍵AN2將其更改為需要的超限溫度上限值，同樣方法設(shè)置好超限溫度下限值(TL)后，按“設(shè)置”按鍵AN1退出設(shè)置狀態(tài)(或者10秒后自動退出)，更新了的各參數(shù)存儲在電存儲器IC1中。
只要開機，濕度測量模塊就開始工作，濕度傳感器S4將采集的濕度信號送濕度信號前置電路DL4，放大調(diào)理后送單片機MCU運算處理，測量結(jié)果由顯示器LED2顯示輸出。
如果不測量熱電參量(熱電勢、熱電系數(shù)、導(dǎo)型、熱電曲線)而只進行其他參量測量，恒溫系統(tǒng)不需要工作，加熱電路“接通-斷開”K2開關(guān)就置于“斷開”，否則將其置于“接通”。
需要恒溫控制時，“恒溫-測溫”切換開關(guān)K1置于“恒溫”，此時熱極溫度傳感器S2和冷極溫度傳感器S3分別同溫度信號前置電路DL1～2接通，它們采集的熱極溫度信號和冷極溫度信號分別經(jīng)溫度信號前置電路DL1～2調(diào)理成適合單片機A/D輸入的信號后送入單片機處理，如果熱極E1與冷極E2溫差小于預(yù)置超限溫度上限，則單片機輸出控制雙向可控硅SK動作，接通加熱電路使電加熱器HTR工作給熱極E1加熱，加熱指示燈亮起；當(dāng)熱極E1與冷極E2溫差接近預(yù)置活化溫度時，雙向可控硅SK控制電加熱器HTR減小加熱功率，有效減小溫度“過沖”，此時加熱指示燈亮變暗，如果熱極E1與冷極E2溫差達(dá)到或超預(yù)置超限溫度上限，雙向可控硅SK會立即斷開加熱電路使熱極E1降溫，此時加熱指示燈熄滅，到熱極E1與冷極E2溫差降到預(yù)置超限溫度下限時，電加熱器HTR再次開啟加熱。單片機MCU會根據(jù)開機后溫差最初幾次到達(dá)預(yù)置活化溫度、預(yù)置超限溫度上限和下降到預(yù)置超限溫度下限所需的時間自動計算出最佳的全功率加熱時間、低功率加熱時間以及達(dá)到預(yù)置活化溫度時所需要的最小加熱功率(以補償熱活化裝置的散熱功率)，并控制溫控開關(guān)電路相應(yīng)調(diào)功輸出，使熱極E1與冷極E2溫差穩(wěn)定地恒定在預(yù)置活化溫度。恒溫過程中，顯示器LED1默認(rèn)地顯示當(dāng)前熱極E1與冷極E2溫差，按“溫差/溫度”切換按鍵AN3可以顯示當(dāng)前熱極E1溫度，再按一次返回溫差顯示狀態(tài)(或者10秒后自動返回溫差顯示狀態(tài))。
“恒溫-測溫”切換開關(guān)K1置于“測溫”時，測溫探頭S1與溫度信號前置電路DL1接通，熱極溫度傳感器S2和冷極溫度傳感器S3與溫度信號前置電路DL1～2的連接被切斷，加熱電路同時自動斷開。測溫探頭S1采集的溫度信號經(jīng)溫度信號前置電路DL1調(diào)理后送入單片機MCU處理，顯示器LED1上同步顯示溫度測量結(jié)果。當(dāng)不進行專門的溫度測量時，測溫探頭S1就處在當(dāng)前的測量環(huán)境中，顯示器LED1上顯示的是當(dāng)前的環(huán)境溫度。
當(dāng)熱極E1與冷極E2溫差恒定在預(yù)置活化溫度時，就可以進行恒定活化溫度下的熱電勢、熱電系數(shù)測量了。將礦樣置于熱極E1表面上，冷極E2探針接觸礦樣的上表面(冷端，其溫度同冷極溫度相同，同為環(huán)境溫度)，礦樣的熱端(與熱極接觸的一端，溫度為熱極溫度)與冷端間的溫差(等于活化溫度)使其兩端之間產(chǎn)生電動勢，該電勢差由冷極E2和熱極E1傳遞到熱電信號前置電路DL3，經(jīng)過信號放大和調(diào)理送入單片機MCU，進行熱電勢和熱電系數(shù)的運算，測量結(jié)果由顯示器LED2顯示輸出。顯示器LED2默認(rèn)的是濕度顯示，通過按“濕度/熱電”切換按鍵AN4(3秒鐘以上)可以將其置為熱電(熱電勢、熱電系數(shù))顯示狀態(tài)，(要想返回濕度顯示，只需再按該鍵3秒鐘以上)?！盁犭妱荨犭娤禂?shù)”切換按鍵AN5是一個反復(fù)鍵，在熱電顯示狀態(tài)下，按一次顯示熱電勢，再按一次顯示熱電系數(shù)。顯示的熱電勢即冷熱極間的電勢差，精度為0.1mv，熱電系數(shù)是對熱電勢做了一定運算處理得到的數(shù)據(jù)(α＝u/(TH-TC)，TH、TC分別是熱端溫度和冷端溫度)，精度為1μv/℃。
熱電測量模塊還可以測量被測樣品的導(dǎo)型，上述熱電測量中，如果測的熱電勢或者熱電系數(shù)為正值，則被測物為P型(空穴型)，如果測的熱電勢或者熱電系數(shù)為負(fù)值，則被測物為N型(電子型)。
在熱極E1與冷極E2溫差逐漸升到預(yù)置的活化溫度的過程中，連續(xù)測量熱電勢，即可得到隨活化溫度升高而變化的熱電曲線，或者在熱極E1與冷極E2溫差達(dá)到預(yù)置的活化溫度后，關(guān)閉加熱電路“接通-斷開”開關(guān)K2，在熱極E1與冷極E2溫差逐漸降低的過程中，連續(xù)測量熱電勢而得到隨活化溫度降低而變化的熱電曲線。如果想得到更為準(zhǔn)確的熱電曲線，可以分別預(yù)置不同的活化溫度，等系統(tǒng)恒溫在各個活化溫度時，多次測量相應(yīng)的熱電勢取平均值，即可得到隨活化溫度連續(xù)變化而變的熱電曲線。
如要測量電壓、電阻、電流等參量，可調(diào)整旋盤式通用數(shù)字萬用表檔位切換開關(guān)到所需檔位，用兩只探針式輔極連接被測對象，從顯示器LED3上讀取測量數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種多功能礦物熱電儀，包括熱活化裝置、熱極溫度傳感器(S2)、冷極溫度傳感器(S3)、冷極(E2)、信號處理電路、溫控開關(guān)電路(TK)和顯示器(LED2)；其中熱活化裝置包括熱極(E1)和安裝在熱極(E1)體內(nèi)的電加熱器(HTR)；冷極溫度傳感器(S3)安裝在冷極(E2)上，熱極溫度傳感器(S2)設(shè)置在熱極(E1)中，信號處理電路的輸入端分別連接熱極溫度傳感器(S2)、冷極溫度傳感器(S3)、冷極(E2)和熱極(E1)，其輸出端分別連接溫控開關(guān)電路(TK)和顯示器(LED2)；其特征在于信號處理電路包括溫度信號前置電路(DL1～2)、熱電信號前置電路(DL3)、濕度信號前置電路(DL4)和連接顯示器(LED1～2)的單片機(MCU)，增加與單片機(MCU)相連的溫度預(yù)置裝置(SET)、電存儲器(IC1)、測量控制板(CTR)，增加測溫探頭(S1)、濕度傳感器(S4)、“恒溫-測溫”切換開關(guān)(K1)、加熱電路“接通-斷開”開關(guān)(K2)，其中測溫探頭(S1)、熱極溫度傳感器(S2)經(jīng)“恒溫-測溫”切換開關(guān)(K1)與溫度信號前置電路(DL1)輸入端相連，冷極溫度傳感器(S3)經(jīng)“恒溫-測溫”切換開關(guān)(K1)與溫度信號前置電路(DL2)輸入端相連，溫度信號前置電路(DL1～2)的輸出端分別接單片機(MCU)的輸入端；熱電信號前置電路(DL3)輸入端連接冷極(E2)、熱極(E1)，輸出端連接單片機(MCU)的輸入端，濕度信號前置電路(DL4)的輸入端連接濕度傳感器(S4)，其輸出端連接單片機(MCU)輸入端，單片機(MCU)的輸出端接顯示器(LED1～2)和溫控開關(guān)電路(TK)，電加熱器(HTR)依次經(jīng)加熱電路“接通-斷開”開關(guān)(K2)、溫控開關(guān)電路(TK)接220V交流電源。
2.如權(quán)利要求1所述的一種多功能礦物熱電儀，其特征在于溫度預(yù)置裝置(SET)包括“設(shè)置”按鍵(AN1)和“置數(shù)”按鍵(AN2)，對應(yīng)接單片機(MCU)的P0口；測量控制板(CTR)包括“溫差/溫度”切換按鍵AN3、“濕度/熱電”切換按鍵AN4、“熱電勢/熱電系數(shù)”切換按鍵AN5，分別對應(yīng)接單片機(MCT)的P0、P5、P4口。
3.如權(quán)利要求1所述的一種多功能礦物熱電儀，其特征在于“恒溫-測溫”切換開關(guān)(K1)為雙刀雙擲開關(guān)，溫度信號前置電路(DL1)包括穩(wěn)壓管(TL1)、微調(diào)電位器(RW1～2)、運算放大器(IC2～3)、電阻(R1～7)和電容(C1～2)，其中微調(diào)電位器(RW1)的一端即溫度信號前置電路(DL1)的輸入端，經(jīng)“恒溫-測溫”切換開關(guān)(K1)連接熱極溫度傳感器(S2)和測溫探頭(S1)中的一個，微調(diào)電位器(RW1)的另一端分別接電阻(R4～5)的一端和經(jīng)穩(wěn)壓管(TL1)接地，微調(diào)電位器(RW1)的可調(diào)端經(jīng)電阻(R1)接運算放大器(IC3)的同相輸入端，電阻(R4)的另一端經(jīng)微調(diào)電位器(RW2)接地，電阻(R5)的另一端接-5V電源，微調(diào)電位器(RW2)的可調(diào)端接運算放大器(IC2)的同相輸入端，運算放大器(IC2)的反相反向輸入端經(jīng)電阻(R6)接其輸出端，運算放大器(IC2)的輸出端經(jīng)電阻(R2)分別接運算放大器(IC3)的反相輸入端和電容(C1)、電阻(R3)的一端，電容(C1)、電阻(R3)的另一端及運算放大器(IC3)的輸出端即溫度信號前置電路(DL1)的輸出端相接后，經(jīng)電阻(R7)接單片機(MCU)的P4口，并經(jīng)電容(C2)接地，溫度信號前置電路(DL2)與溫度信號前置電路(DL1)電路相同，其輸入端經(jīng)“恒溫-測溫”切換開關(guān)(K1)連接冷極溫度傳感器(S3)，輸出端連接單片機(MCU)的P4端口。
4.如權(quán)利要求1、3所述的一種多功能礦物熱電儀，其特征在于熱電信號前置電路(DL3)包括電壓信號放大電路(DL5)和電路結(jié)構(gòu)與溫度信號前置電路(DL1)相同的熱電信號調(diào)理電路(DL6)，電壓信號放大電路(DL5)包括運算放大器(IC4)、電阻(R19～22)和電容(C3)，其中運算放大器(IC4)的同相輸入端經(jīng)電阻(R19)接冷極(E2)，其反相輸入端經(jīng)電阻(R20)接熱極(E1)、接地和電容(C3)的負(fù)極，電容(C3)的正極與運算放大器(IC4)的輸出端相接后接熱電信號調(diào)理電路(DL6)的輸入端，熱電信號調(diào)理電路(DL6)的輸出端接單片機(MCU)的P4端口。
5.如權(quán)利要求1所述的一種多功能礦物熱電儀，其特征在于濕度信號前置電路(DL4)包括運算放大器(IC7)、電阻(R30～32)和電容(C6)，其中運算放大器(IC7)的同相輸入端經(jīng)電阻(R30)接濕度傳感器(S4)的輸出端，其反相輸入端與其輸出端之間并接有電阻(R31)和電容(C6)，且反相輸入端經(jīng)電阻(R32)接地，運算放大器(IC7)的輸出端接單片機(MCU)的P4端口。
6.如權(quán)利要求1所述的一種多功能礦物熱電儀，其特征在于增設(shè)頂部敞口的絕熱盒(BOX)，熱極(E1)安裝在絕熱盒(BOX)內(nèi)，熱極(E1)與絕熱盒(BOX)之間充填絕熱層(MAT)。
7.如權(quán)利要求1、6所述的一種多功能礦物熱電儀，其特征在于溫控開關(guān)電路(TK)包括三極管(T1)、電阻(R15～17)、光電耦合器(GD)和雙向可控硅(SK)，其中光電耦合器(GD)的輸入端分別經(jīng)電阻(R15)接+5V電源、接三極管(T1)的集電極，光電耦合器(GD)輸出端的一端經(jīng)電阻(R16)接雙向可控硅(SK)的一端，其另一輸出端接雙向可控硅(SK)的控制端，并經(jīng)電阻(R17)分別接雙向可控硅(SK)的另一端和加熱電路“接通-斷開”開關(guān)(K2)，三極管(T1)的發(fā)射極接地，其基極接單片機(MCU)的P1端口。
8.如權(quán)利1要求所述的一種多功能礦物熱電儀，其特征在于增設(shè)帶有輔極(E3～4)和顯示器(LED3)的數(shù)字萬用表模塊(MTR)，輔極(E3～4)和冷極(E2)均為外接插拔式電極，冷極(E2)探針直徑0.05mm～0.1mm；熱極溫度傳感器(S2)、冷極溫度傳感器(S3)和測溫探頭(S1)均使用高精度集成溫度傳感器LM35A，測溫探頭(S1)采用鋼管特別封裝。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多功能礦物熱電儀，包括熱極、冷極，安裝在熱極內(nèi)的電加熱器和熱極溫度傳感器，安裝在冷極上的冷極溫度傳感器，信號處理電路，溫控開關(guān)電路和顯示器，其中信號處理電路的輸入端分別連熱極、冷極及熱、冷極溫度傳感器，其輸出端分別連接溫控開關(guān)電路和顯示器，溫控開關(guān)電路連接電加熱器，其特征在于信號處理電路包括單片機和與其連接的溫度信號前置電路、熱電信號前置電路、濕度信號前置電路，增設(shè)通用數(shù)字萬用表模塊和與單片機連接的活化溫度預(yù)置裝置、電存儲器、測溫探頭、濕度傳感器，其中單片機的輸出端接顯示器和溫控開關(guān)電路。本發(fā)明可對金屬和半導(dǎo)體礦物熱電性研究所涉及的熱電勢、熱電曲線、熱電系數(shù)、導(dǎo)型、溫度、濕度、電阻等多種參數(shù)進行同步測試，應(yīng)用于礦物標(biāo)型研究中。
文檔編號G01N35/00GK1991350SQ200510131128
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者楊贊中, 楊贊國, 劉玉金, 石學(xué)法 申請人:山東理工大學(xué)