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专利名称:数字式温度计的制作方法
一种数字式温度计。属于用非线性热敏电阻制作的温度计。
一般利用热敏电阻制作的数字式温度计具有反映被测温度时间短、分辨率高、读数直观等优点。但是,热敏电阻存在着两个明显的缺点,即热敏电阻的非线性和不一致性,前者影响了测温范围和精度,后者妨碍了热敏电阻的替换。目前我国利用热敏电阻生产的测温仪,其测温范围为-30℃~+30℃,测温精度为±℃;在国外,测温精度为±℃,其测温范围为20℃左右。据日本公开特许公报昭57-161628介绍,由积分器、控制回路、显示电路等组成的数字式温度计,其显示温度值与log1/(Rt)成正比关系,而实际上被测温度T与热敏电阻Rt取对数后的值成反比关系。因此,这种依据被测温度T与log1/(Rt)成正比关系而设计的温度计,只能在一个极窄的温度范围内达到±℃的测量精度。在一个较宽的温度范围内无法达到这样高的精度。至于替换热敏电阻问题,国内外都未找到一种简便的方法。
本发明的目的本发明克服了热敏电阻的非线性和不一致性的缺点,使得由热敏电阻作感温元件而制作的温度计扩大了测温范围和提高了测温精度,并且可以简便地替换不同参数的热敏电阻,还能用于远距离测温和控温。
本发明的技术特征是第一,采用电压一频率变换电路实现了将热敏电阻的
固有拟合特性曲线T-1=A+BlogRt变换成频率-温度F(HZ)=F0+B1T的线性函数,从而克服了热敏电阻的非线性缺点。第二调节电压一频率变换电路中的压控振荡器的负脉冲宽度τp和决定正脉冲宽度的因子τd,可简易地替换参数不同的热敏电阻,克服了热敏电阻不一致性给替换带来的困难。第三,采用自平衡电桥将被测温度转换成电压值,并消除了连接热敏电阻的传输线所产生的影响,从而能精确地测量几十公里内任意一点的温度。第四,采用简单、可靠的十进位计数显示电路,同时能显示正负温度值。
本发明的详细内容图(1)是本发明的实施例方框图,由置于被测温度区域中的热敏电阻〔1〕作为感温探头,经自平衡电桥〔2〕、差动放大器〔3〕、对数放大器〔4〕、至压控振荡器〔5〕组成电压一频率变换电路;其余组成温度显示部件,它包括由控制电路〔7〕、计数器〔17〕、与门〔13〕和〔14〕、触发器〔18〕、锁存/译码/驱动器〔21〕及液晶显示器〔24〕组成十进位计数显示电路;由锁存器〔19〕、异或门〔20〕组成正负符号显示电路;由非门〔22〕驱动小数点显示。
图(2)是自平衡电桥〔2〕的电路图。图中晶体管Q1及稳压二极管D1和电阻R1,R2组成恒流源电路,给下面的电桥提供一恒定电流IS。运算放大器〔25〕、电阻R3,R4和电容C1,C2及二极管D2构成积分器,其输出控制场效应晶体管Q2,用于维持电桥中A点和B点电位相等。由于R3和R4电阻相等,所以流过每一桥臂中的电流均为
。R5为远距离测温时,连接热敏电阻的传输线电阻,将平衡电路中一臂的电阻值R6等于R5。这样,当Rt随着被测温度变化时,Q2的漏极和源极间电压始终跟随Rt变化,并由B、C两端输出,经差动放大器〔3〕检测出Rt两端的实际电压值。再经对数放大器〔4〕输入压控振荡器〔5〕。
图(3)是压控振荡器〔5〕的电路图。由运算放大器〔26〕、555定时器〔27〕、场效应晶体管Q3、稳压二极管D3、电阻R7-11和电容C3-4组成。它输出的负脉冲宽度τp和正脉冲宽度τo分别为τp≈(1)τo=τd/|V1|(2)其中τd≈VcR7C3(3)上式中Vc是稳压二极管D3建立的电压。根据电路的传输特性和数学上的推导,在τp和τd分别满足以下关系时τd=-Aoτp(4)B1=Ao/Boτp(5)压控振荡器的输出频率F与被测温度T成线性关系,即F=Fo+B1T(6)在(4)和(5)中,Ao和Bo是主要由热敏电阻的特性所决定的常数。在(6)中,Fo为常数,B1是被测温度变化1℃时其输出频率的变化量,T用摄氏温度表示。其实际测量结果如图(6)所示。
同时,对于某一按(4)和(5)要求设计而成的温度计,当要替换不同参数的热敏电阻时,只要调节电路中两只微调电容、即调节一下τp和τd仍然能满足(6)式时,与原来设计的参数F0和B1的值相同。这样就能在不影响测温精度的条件下替换热敏电阻。
为了多功能地显示被测温度,其显示部件包括十进位计数显示、正负符号显示与小数点移位显示,其中,十进位显示电路中,选B1=-10HZ/℃或B1=-100HZ/℃。现在我们选定B1=-100HZ/℃则(6)就可以变成
F=Fo-100T根据上式我们可以简单地按频率确定被测温度值T为T=(Fo-F)/100(7)图(1)中的显示电路就是按(7)的要求设计而成的、其中控制电路〔7〕产生五个脉冲信号,它们分别是清零〔8〕,置数〔9〕,采样〔100〕,送数〔12〕,32HZ对称方波〔11〕。〔17〕是可预置BCD可逆计数器(双时钟)。〔15〕、〔16〕分别为计数器〔17〕的加法和减法计数输入端,非门〔22〕驱动液晶〔24〕显示的小数点实现了将(6)中Fo-F的结果被100除的功能。
显示电路实现Fo-F的功能是在控制电路〔7〕的支配下完成的。首先清零脉冲〔8〕把触发器〔18〕清零,则与门〔14〕关闭、〔13〕开启。然后置数脉冲〔9〕把常数Fo置入〔17〕,当采样脉冲一到,频率为F的脉冲信号经过与门〔13〕进入〔17〕作减法计数。若F<Fo时,由于计数器〔17d〕不出现借位脉冲,所以触发器〔18〕保持原状态,在送数脉冲〔12〕的作用下,计数器〔17a-d〕的数据并行地送入〔21〕供液晶〔24〕显示,同时把触发器〔18〕的内容送〔19〕经异或门〔20〕供液晶〔24〕显示“+”符号,此时表示显示的是正温度值
;若F>Fo时,计数器〔17d〕会出现一个借位脉冲,使触发器〔18〕改变初始状态,此时与门〔13〕关闭、〔14〕开启,计数器〔17〕转变为加法计数,也就是说,在F>Fo时,计数器〔17〕先作减法计数后作加法计数,在送数脉冲〔12〕的作用下,液晶〔24〕显示“-”符号及温度值,表示所测温度为负温度。图(1)中〔21〕输出的32HZ对称方波〔23〕与液晶显示器〔24〕的公共电极相联。
本发明的效果所发明的数字式温度计,℃的标准水银温度计的读数作标准温度值;用数字式电压表分别测出差动放大器〔3〕和对数放大器〔4〕的输出电压,用PB-2频率计测出压控振荡器〔5〕的输出频率。把测量数据描成曲线就得图(4)、图(5)和图(6)。图(4)表示Rt两端的电压随温度的变化趋势为非线性的;图(5)表示把Rt两端的电压取对数后的值与温度T的关系仍然是曲线形式;图(6)表示压控振荡器〔5〕输出的频率随温度的变化成线性关系。
本发明的一个显著优点,是测温范围宽和精度高。在-20~+100℃这个最常用的温度范围内测温精度不大于±℃。℃可在±℃范围内测温;℃时,可显示最大温度值为±℃,但由于热敏电阻的固有特性限制了测温范围,一般可在700℃范围内测温。
本发明的另一个明显的优点是热敏电阻Rt的传输线电阻可以在自平衡电桥中被消除,这样就可以按实际需要延长或缩短连接
Rt的导线,既能测量近处温度,也能对远离观察者的某点温度进行测量或控制。
另外,利用该数字式温度计的设计原理,加上适应的温度控制电路,就可以制作适合于不同领域中使用的温度计和控温仪。
权利要求
,它包括一个由热敏电阻制作的感温探头,本发明的特征在于还包括由自平衡电桥、差动放大器,对数放大器和压控振荡器组成的电压-频率变换电路与由计数器、显示电路组成的显示部件。
,其中电压-频率变换电路中的压控振荡器包括运算放大器、555定时器,当输出的负脉冲与正脉冲宽度成一定比例时,其传输特征最终使频率与温度成线性变换关系。
,其中,电压-频率变换电路中的压控振荡器,调节电路中两只微调电容,使f0和B1值与原设计参数相同时,即可简便的调换不同参数的热敏电阻。
,其中,电压-频率变换电路中的自平衡电桥,包括恒流电路和积分电路,并且使平衡电桥中一臂的电阻值R6与传输线电阻值R5相等,以便抵消传输线的影响,进行远距离测温。
,其中,显示部件包括十进位计数显示电路、正负符号显示电路和小数点移位显示电路。
,其中,十进位计数显示电路包括控制电路、计数器、与门、锁存/译码/驱动器、触发器及液晶显示器。
,其中,正、负号显示电路包括锁存器、异或门和液晶显示器。
、7所述的显示部件,其中,小数点移位显示电路包括非门、驱动液晶显示。
专利摘要
一种数字式温度计以热敏电阻作感温元件,采用电压-频率变换电路克服热敏电阻的非线性缺点;通过调节电路中两只微调电容可替换不同参数的热敏电阻;利用自平衡电桥消除了远距离测温时连接热敏电阻的传输线的影响;采用BGD进位制计数显示电路使结构简单可靠。因此,本发明的温度计是一种具有读数直观、反映被测温度时间短,测温范围宽和精度高等特点,并能进行远距离测温和控温的新型的数字式温度计。