高精度低成本測控溫儀的設(shè)計

高精度、低成本測控溫儀的設(shè)計，選擇熱電偶測溫，用溫度補償?shù)霓k法，實現(xiàn)熱電偶冷端處在等效零度環(huán)境中；選用與溫度補償電路、熱電偶、與其相適配網(wǎng)絡(luò)及放大器調(diào)零等電路；用四個電阻值通過8421組合法替代撥碼盤上10個電阻值，既提高精度、簡化了控溫用的溫度預(yù)設(shè)定值的設(shè)計，又達到工業(yè)化低成本的要求。

【關(guān)鍵詞】熱電偶 低成本 測控溫度 溫度補償 8421組合法

1 高精度測溫的實現(xiàn)

1.1 消除室溫對高精度測溫的影響

加熱器要實現(xiàn)精確的控溫，精確的測溫是首要前提。選用感溫元件熱電偶測溫，熱電偶有熱、冷兩端，熱端供加熱器中測溫用。冷端，供讀取溫度信號用。熱電偶的工作原理是兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體兩端連接成回路，如果兩連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。它的熱、冷兩端只要有溫度差，就會產(chǎn)生電動勢與溫差成正比。測溫時，將熱端放進加熱器中的溫度為T，冷端放置在室溫為TJ時，冷端可測出的溫度信號與溫差成正比，即

U=C（T-TJ） （1）

其中C為熱電偶伏特溫度比，C在熱端的加熱器中溫度0～100℃范圍內(nèi)是常數(shù)。上式因室溫TJ變化無常態(tài)，冷端測出的溫度信號也隨之無常，只有讓冷端所處溫度等效零度就能直接測出與T成正比。于是

U=CT （2）

讓冷端處于等效零度，有軟件模擬法、冰水罐里等多種，本文用溫度補償法，增加不到一元錢成本而達到極高精度的測溫，測溫精度不亞于軟件模擬法。

1.2 溫度補償產(chǎn)生負TJ

用硅二極管正向電壓，隨溫度增加而降低的特點，將其精準(zhǔn)的分壓，取其分壓隨溫度負變化分量與TJ等值，以此值疊加在熱電偶冷端，可實現(xiàn)式（2）的結(jié)果。熱電偶、溫補、放大電路的連接電路圖如圖1。

為求出R3、R4的比值獲得需補償?shù)睦硐腚妷?，先由室溫環(huán)境中TJ所產(chǎn)生的電壓UB，由式（1）得UB=-CTJ，即

（UB/TJ）=-C （3）

再求補償電壓，R4和R3對溫補的正向二極管電壓VD進行分壓。并求微分dVD/dT，得

R4/（R3+R4）*（dVD/dT） （4）

要得到理想的溫度補償，式（3）必等于式（4），即

R4/（R3+R4）*（dVD/dT）=（UB/TJ）=-C

（5）

在上式分母中R4相對R3很小，可略去，硅二極管正向電壓隨溫升一度減低2毫伏，查表康銅-銅材料制作的熱電偶，其C=41（伏/℃）*10-6，代入式（5），得（R4/R3）*（-2mv）=-C。即

R4=20.5 R3*10-3Ω （6）

上式具有普遍性意義，多種不同金屬材料熱電偶的測溫均適用。

1.3 放大器增益的確定

冷端溫度信號U，經(jīng)增益A的放大器放大后，得VD=AU，A=VD/U，顯示器輸入極限電壓2V決定放大器輸出電壓的上限。本文要測100℃內(nèi)的溫度，取測溫范圍為0～200℃，這樣上限2v電壓除以200℃，得到每1℃ 有10mv壓變，熱電偶冷端的溫度信號每度為41*10-6伏，于是放大器增益 A=（10*10-3伏）/（41*10-6伏）=243。

若要拓寬測量溫度范圍，改變R8，令A(yù)=24.3，測溫范圍0～2000℃，A=2.43，測溫范圍0～20000℃，等等。顯然據(jù)此也可裝配多種高精度低成本測溫裝置的系列產(chǎn)品。

2 溫度預(yù)設(shè)定值裝置的設(shè)計與極低成本高精度測控溫儀的實現(xiàn)

2.1 撥碼盤特點與加熱控溫過程

加熱器要求溫度在0-100℃范圍內(nèi)進行控溫加熱，只需10位、個位、小數(shù)位三位數(shù)顯示，用三片10檔撥碼盤實現(xiàn)。每片撥碼盤就是一進十出的十檔開關(guān)，兩根引出線，一根引線與十檔波段開關(guān)中心線一樣，每撥一次只與一檔接通，其余九檔不通，每檔接一不同電阻值到撥碼盤的另一根公共引出線。不同的是盤的外圓側(cè)面有0到9的10個數(shù)字顯示，隨撥碼撥動順序顯示，每按一次直到10次，相應(yīng)數(shù)字顯示0、1、--9為一輪，再按就周而復(fù)始。這樣變每片撥碼盤為十種阻值的可變電阻器。把三片撥碼盤公共線并接，三片可撥動的三根線也并接，側(cè)貼三片盤組成的總撥碼裝置，實質(zhì)是個可變電阻器，將此電阻器接在電源與晶體管射極之間，基極接恒壓源，集電極接RL到地，即撥碼裝置總線三位數(shù)電流流經(jīng)RL到地，所產(chǎn)生的電壓，提供驅(qū)動加熱器用的電壓比較器雙輸入的一端，作為加熱器中溫度T值的門檻。該同一電壓比較器的另一輸入端，與A放大器輸出端相連接，當(dāng)輸出端溫度信號超過溫度預(yù)設(shè)定值T時，加熱器過熱就需減低加熱強度，反之就增加加熱強度，讓加熱器中溫度T一直維持在預(yù)設(shè)定值的恒溫中。

2.2 利用撥碼盤制作溫度T預(yù)設(shè)定值

三片撥碼盤中，各檔設(shè)定流出的電流I如下所示：

檔（0）（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）

10位數(shù)（ma） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

個位數(shù)（ma）0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

小數(shù)點數(shù)（ma）0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

兩根總線是三路電流相疊加，流經(jīng)RL而產(chǎn)生三位數(shù)的溫度預(yù)設(shè)定門檻值T。

2.3 撥碼盤內(nèi)確定各檔電阻

撥碼盤的各檔與公共端分別接電阻阻值的確定：令n為整數(shù)0、1---9撥碼盤上的各檔順序編號，電阻值為R，10位數(shù)撥碼盤：0檔不接電阻；（1）檔接電阻阻值為R；（2）檔接（1/2）*R； ---，（n）檔接電阻的阻值為RN=（R/n）；依此類推個位數(shù)盤第n檔的電阻阻值等于10*RN。小數(shù)點位盤的第n檔電阻阻值為100*RN。

撥碼裝置共30檔，要接上27個不同的精確電阻值，理論可行，但實際要實現(xiàn)簡直不可能。27個不同電阻的阻值，不存在都有大量生產(chǎn)的規(guī)格型號，或接近生產(chǎn)規(guī)格。要批量生產(chǎn)需尋出新辦法，采用8421組合法，每片撥碼盤只用四個電阻的阻值按8421組合，以替代9個電阻的阻值，（即第8檔、第4檔、第2檔、第1檔各用單一個電阻，其余5檔的電阻，都用這四個電阻中的2個或3個電阻并聯(lián)的阻值來實現(xiàn)）。以10位數(shù)撥碼盤為例，各檔與公共線之間所接的電阻為：（0）檔不接；（1）檔接電阻R；（2）檔接電阻（1/2）R；（3）檔接用【檔（1）電阻和檔（2）電阻】相并聯(lián)；（4）檔接（1/4）R；（5）檔接用【（1）檔電阻和（4）檔電阻】相并聯(lián)；（6）檔接用【（2）檔電阻和（4）檔電阻】相并聯(lián)；（7）檔接用【（1）檔電阻、（2）檔電阻、（4）檔電阻】三個電阻相并聯(lián)而成；（8）檔接（1/8）R；（9）檔接用【（1）檔電阻和（8）檔電阻】相并聯(lián)。個位和小數(shù)點位可依此類推。將27種電阻規(guī)格降到12種電阻規(guī)格，實現(xiàn)用有大量生產(chǎn)規(guī)格或近有生產(chǎn)規(guī)格的電阻值成為可能。10位數(shù)盤中的8421四個電阻值（KΩ）分別為： 0.5、1、2、4，；個位數(shù)盤中8421四個電阻分別為：5、10、20、40（KΩ）；小數(shù)點位盤中8421四個電阻分別為：50、100、200、400（KΩ）；所用電阻，基本都有或接近有生產(chǎn)規(guī)格的阻值。再選擇恒定電壓源為4伏，選擇R=4kΩ。電阻值R一經(jīng)確定，27個阻值隨之確定，解決了非8421各檔難找到無生產(chǎn)規(guī)格電阻的難題，從而實現(xiàn)了高精度極低成本測控溫儀的制作。

3 結(jié)束語

高精度低成本測控溫儀已被多臺設(shè)備中采用，今后仍將繼續(xù)采用，配合小功率直至特大功率系列的驅(qū)動器，可實現(xiàn)多種測控溫小功率直到特大功率系列的加熱設(shè)備的制備。不足之處，就是對電阻選擇較嚴(yán)格，有待于今后進一步改進。

（本工作是在老師的指導(dǎo)下進行，在此敬表謝意?。?/p>

參考文獻

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[4]劉希民.熱電偶線性溫度測量裝置[J]. 儀器儀表學(xué)報，2007.

作者簡介

陳沛彥（2000-），男，安徽省合肥市人。高中學(xué)歷。

作者單位

合肥市第十中學(xué) 安徽省合肥市 230012