專利名稱:數(shù)字式溫度計的制作方法
一種數(shù)字式溫度計。屬于用非線性熱敏電阻制作的溫度計。
一般利用熱敏電阻制作的數(shù)字式溫度計具有反映被測溫度時間短、分辨率高、讀數(shù)直觀等優(yōu)點。但是，熱敏電阻存在著兩個明顯的缺點，即熱敏電阻的非線性和不一致性，前者影響了測溫范圍和精度，后者妨礙了熱敏電阻的替換。目前我國利用熱敏電阻生產(chǎn)的測溫儀，其測溫范圍為-30℃～+30℃，測溫精度為±0.4℃;在國外，測溫精度為±0.1℃，其測溫范圍為20℃左右。據(jù)日本公開特許公報昭57-161628介紹，由積分器、控制回路、顯示電路等組成的數(shù)字式溫度計，其顯示溫度值與log 1/(Rt) 成正比關(guān)系，而實際上被測溫度T與熱敏電阻Rt取對數(shù)后的值成反比關(guān)系。因此，這種依據(jù)被測溫度T與log 1/(Rt) 成正比關(guān)系而設(shè)計的溫度計，只能在一個極窄的溫度范圍內(nèi)達到±0.1℃的測量精度。在一個較寬的溫度范圍內(nèi)無法達到這樣高的精度。至于替換熱敏電阻問題，國內(nèi)外都未找到一種簡便的方法。
本發(fā)明的目的本發(fā)明克服了熱敏電阻的非線性和不一致性的缺點，使得由熱敏電阻作感溫元件而制作的溫度計擴大了測溫范圍和提高了測溫精度，并且可以簡便地替換不同參數(shù)的熱敏電阻，還能用于遠距離測溫和控溫。
本發(fā)明的技術(shù)特征是第一，采用電壓一頻率變換電路實現(xiàn)了將熱敏電阻的固有擬合特性曲線T-1＝A+Blog Rt變換成頻率-溫度F(HZ)＝F0+B1T的線性函數(shù)，從而克服了熱敏電阻的非線性缺點。第二調(diào)節(jié)電壓一頻率變換電路中的壓控振蕩器的負(fù)脈沖寬度τp和決定正脈沖寬度的因子τd，可簡易地替換參數(shù)不同的熱敏電阻，克服了熱敏電阻不一致性給替換帶來的困難。第三，采用自平衡電橋?qū)⒈粶y溫度轉(zhuǎn)換成電壓值，并消除了連接熱敏電阻的傳輸線所產(chǎn)生的影響，從而能精確地測量幾十公里內(nèi)任意一點的溫度。第四，采用簡單、可靠的十進位計數(shù)顯示電路，同時能顯示正負(fù)溫度值。
本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容圖(1)是本發(fā)明的實施例方框圖，由置于被測溫度區(qū)域中的熱敏電阻〔1〕作為感溫探頭，經(jīng)自平衡電橋〔2〕、差動放大器〔3〕、對數(shù)放大器〔4〕、至壓控振蕩器〔5〕組成電壓一頻率變換電路;其余組成溫度顯示部件，它包括由控制電路〔7〕、計數(shù)器〔17〕、與門〔13〕和〔14〕、觸發(fā)器〔18〕、鎖存/譯碼/驅(qū)動器〔21〕及液晶顯示器〔24〕組成十進位計數(shù)顯示電路;由鎖存器〔19〕、異或門〔20〕組成正負(fù)符號顯示電路;由非門〔22〕驅(qū)動小數(shù)點顯示。
圖(2)是自平衡電橋〔2〕的電路圖。圖中晶體管Q1及穩(wěn)壓二極管D1和電阻R1，R2組成恒流源電路，給下面的電橋提供一恒定電流IS。運算放大器〔25〕、電阻R3，R4和電容C1，C2及二極管D2構(gòu)成積分器，其輸出控制場效應(yīng)晶體管Q2，用于維持電橋中A點和B點電位相等。由于R3和R4電阻相等，所以流過每一橋臂中的電流均為0.5IS。R5為遠距離測溫時，連接熱敏電阻的傳輸線電阻，將平衡電路中一臂的電阻值R6等于R5。這樣，當(dāng)Rt隨著被測溫度變化時，Q2的漏極和源極間電壓始終跟隨Rt變化，并由B、C兩端輸出，經(jīng)差動放大器〔3〕檢測出Rt兩端的實際電壓值。再經(jīng)對數(shù)放大器〔4〕輸入壓控振蕩器〔5〕。
圖(3)是壓控振蕩器〔5〕的電路圖。由運算放大器〔26〕、555定時器〔27〕、場效應(yīng)晶體管Q3、穩(wěn)壓二極管D3、電阻R7-11和電容C3-4組成。它輸出的負(fù)脈沖寬度τp和正脈沖寬度τo分別為τp≈0.7R9C4(1)τo＝τd/｜V1｜ (2)其中τd≈VcR7C3(3)上式中Vc是穩(wěn)壓二極管D3建立的電壓。根據(jù)電路的傳輸特性和數(shù)學(xué)上的推導(dǎo)，在τp和τd分別滿足以下關(guān)系時τd＝-Aoτp(4)B1＝Ao/Boτp(5)壓控振蕩器的輸出頻率F與被測溫度T成線性關(guān)系，即F＝Fo+B1T (6)在(4)和(5)中，Ao和Bo是主要由熱敏電阻的特性所決定的常數(shù)。在(6)中，F(xiàn)o為常數(shù)，B1是被測溫度變化1℃時其輸出頻率的變化量，T用攝氏溫度表示。其實際測量結(jié)果如圖(6)所示。
同時，對于某一按(4)和(5)要求設(shè)計而成的溫度計，當(dāng)要替換不同參數(shù)的熱敏電阻時，只要調(diào)節(jié)電路中兩只微調(diào)電容、即調(diào)節(jié)一下τp和τd仍然能滿足(6)式時，與原來設(shè)計的參數(shù)F0和B1的值相同。這樣就能在不影響測溫精度的條件下替換熱敏電阻。
為了多功能地顯示被測溫度，其顯示部件包括十進位計數(shù)顯示、正負(fù)符號顯示與小數(shù)點移位顯示，其中，十進位顯示電路中，選B1＝-10HZ/℃或B1＝-100HZ/℃?，F(xiàn)在我們選定B1＝-100HZ/℃則(6)就可以變成
F＝Fo-100T根據(jù)上式我們可以簡單地按頻率確定被測溫度值T為T＝(Fo-F)/100 (7)圖(1)中的顯示電路就是按(7)的要求設(shè)計而成的、其中控制電路〔7〕產(chǎn)生五個脈沖信號，它們分別是清零〔8〕，置數(shù)〔9〕，采樣〔100〕，送數(shù)〔12〕，32HZ對稱方波〔11〕。〔17〕是可預(yù)置BCD可逆計數(shù)器(雙時鐘)?！?5〕、〔16〕分別為計數(shù)器〔17〕的加法和減法計數(shù)輸入端，非門〔22〕驅(qū)動液晶〔24〕顯示的小數(shù)點實現(xiàn)了將(6)中Fo-F的結(jié)果被100除的功能。
顯示電路實現(xiàn)Fo-F的功能是在控制電路〔7〕的支配下完成的。首先清零脈沖〔8〕把觸發(fā)器〔18〕清零，則與門〔14〕關(guān)閉、〔13〕開啟。然后置數(shù)脈沖〔9〕把常數(shù)Fo置入〔17〕，當(dāng)采樣脈沖一到，頻率為F的脈沖信號經(jīng)過與門〔13〕進入〔17〕作減法計數(shù)。若F＜Fo時，由于計數(shù)器〔17d〕不出現(xiàn)借位脈沖，所以觸發(fā)器〔18〕保持原狀態(tài)，在送數(shù)脈沖〔12〕的作用下，計數(shù)器〔17a-d〕的數(shù)據(jù)并行地送入〔21〕供液晶〔24〕顯示，同時把觸發(fā)器〔18〕的內(nèi)容送〔19〕經(jīng)異或門〔20〕供液晶〔24〕顯示“+”符號，此時表示顯示的是正溫度值;若F＞Fo時，計數(shù)器〔17d〕會出現(xiàn)一個借位脈沖，使觸發(fā)器〔18〕改變初始狀態(tài)，此時與門〔13〕關(guān)閉、〔14〕開啟，計數(shù)器〔17〕轉(zhuǎn)變?yōu)榧臃ㄓ嫈?shù)，也就是說，在F＞Fo時，計數(shù)器〔17〕先作減法計數(shù)后作加法計數(shù)，在送數(shù)脈沖〔12〕的作用下，液晶〔24〕顯示“-”符號及溫度值，表示所測溫度為負(fù)溫度。圖(1)中〔21〕輸出的32HZ對稱方波〔23〕與液晶顯示器〔24〕的公共電極相聯(lián)。
本發(fā)明的效果所發(fā)明的數(shù)字式溫度計，在恒溫水槽中用分度值為0.01℃的標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計的讀數(shù)作標(biāo)準(zhǔn)溫度值;用數(shù)字式電壓表分別測出差動放大器〔3〕和對數(shù)放大器〔4〕的輸出電壓，用PB-2頻率計測出壓控振蕩器〔5〕的輸出頻率。把測量數(shù)據(jù)描成曲線就得圖(4)、圖(5)和圖(6)。圖(4)表示Rt兩端的電壓隨溫度的變化趨勢為非線性的;圖(5)表示把Rt兩端的電壓取對數(shù)后的值與溫度T的關(guān)系仍然是曲線形式;圖(6)表示壓控振蕩器〔5〕輸出的頻率隨溫度的變化成線性關(guān)系。
本發(fā)明的一個顯著優(yōu)點，是測溫范圍寬和精度高。在-20～+100℃這個最常用的溫度范圍內(nèi)測溫精度不大于±0.05℃。在分辨率為0.01℃可在±99.99℃范圍內(nèi)測溫;在分辨率為0.1℃時，可顯示最大溫度值為±999.9℃，但由于熱敏電阻的固有特性限制了測溫范圍，一般可在700℃范圍內(nèi)測溫。
本發(fā)明的另一個明顯的優(yōu)點是熱敏電阻Rt的傳輸線電阻可以在自平衡電橋中被消除，這樣就可以按實際需要延長或縮短連接Rt的導(dǎo)線，既能測量近處溫度，也能對遠離觀察者的某點溫度進行測量或控制。
另外，利用該數(shù)字式溫度計的設(shè)計原理，加上適應(yīng)的溫度控制電路，就可以制作適合于不同領(lǐng)域中使用的溫度計和控溫儀。
權(quán)利要求
1.一種用非線性熱敏電阻制作的數(shù)字式溫度計，它包括一個由熱敏電阻制作的感溫探頭，本發(fā)明的特征在于還包括由自平衡電橋、差動放大器，對數(shù)放大器和壓控振蕩器組成的電壓-頻率變換電路與由計數(shù)器、顯示電路組成的顯示部件。
2.據(jù)權(quán)項1所述的溫度計，其中電壓-頻率變換電路中的壓控振蕩器包括運算放大器、555定時器，當(dāng)輸出的負(fù)脈沖與正脈沖寬度成一定比例時，其傳輸特征最終使頻率與溫度成線性變換關(guān)系。
3.據(jù)權(quán)項2所述的溫度計，其中，電壓-頻率變換電路中的壓控振蕩器，調(diào)節(jié)電路中兩只微調(diào)電容，使f0和B1值與原設(shè)計參數(shù)相同時，即可簡便的調(diào)換不同參數(shù)的熱敏電阻。
4.據(jù)權(quán)項1所述的溫度計，其中，電壓-頻率變換電路中的自平衡電橋，包括恒流電路和積分電路，并且使平衡電橋中一臂的電阻值R6與傳輸線電阻值R5相等，以便抵消傳輸線的影響，進行遠距離測溫。
5.據(jù)權(quán)項1至4所述的溫度計，其中，顯示部件包括十進位計數(shù)顯示電路、正負(fù)符號顯示電路和小數(shù)點移位顯示電路。
6.據(jù)權(quán)項5所述的顯示部件，其中，十進位計數(shù)顯示電路包括控制電路、計數(shù)器、與門、鎖存/譯碼/驅(qū)動器、觸發(fā)器及液晶顯示器。
7.據(jù)權(quán)項5所述的顯示部件，其中，正、負(fù)號顯示電路包括鎖存器、異或門和液晶顯示器。
8.據(jù)權(quán)項6、7所述的顯示部件，其中，小數(shù)點移位顯示電路包括非門、驅(qū)動液晶顯示。
專利摘要
一種數(shù)字式溫度計以熱敏電阻作感溫元件，采用電壓-頻率變換電路克服熱敏電阻的非線性缺點；通過調(diào)節(jié)電路中兩只微調(diào)電容可替換不同參數(shù)的熱敏電阻；利用自平衡電橋消除了遠距離測溫時連接熱敏電阻的傳輸線的影響；采用BGD進位制計數(shù)顯示電路使結(jié)構(gòu)簡單可靠。因此，本發(fā)明的溫度計是一種具有讀數(shù)直觀、反映被測溫度時間短，測溫范圍寬和精度高等特點，并能進行遠距離測溫和控溫的新型的數(shù)字式溫度計。
文檔編號G01K7/24GK85105275SQ85105275
公開日1986年12月31日 申請日期1985年7月5日
發(fā)明者錢炳興 申請人:中國科學(xué)院東海研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan