較大量程熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

鄧鋰強(qiáng) 方運(yùn)良

(廣東石油化工學(xué)院理學(xué)院,廣東茂名 525000)

較大量程熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

鄧鋰強(qiáng) 方運(yùn)良

(廣東石油化工學(xué)院理學(xué)院,廣東茂名 525000)

本文介紹了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)“較大量程熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)”,該實(shí)驗(yàn)要求了解熱敏電阻的電阻-溫度特性,掌握利用非平衡電橋設(shè)計(jì)較大量程熱敏電阻溫度計(jì)的方法.

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);熱敏電阻;溫度計(jì);非平衡電橋;定標(biāo)

設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生獨(dú)立自主對(duì)實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果進(jìn)行分析和研究的物理實(shí)驗(yàn),它比傳統(tǒng)的測(cè)量性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)更有利于培養(yǎng)學(xué)生的開拓精神和創(chuàng)新能力.作為工科二年級(jí)的學(xué)生,才進(jìn)行一年的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練,既要求實(shí)驗(yàn)的難度不能太高,又要能提高學(xué)生的興趣,“較大量程熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)”就是一個(gè)比較好的選擇.“較大量程熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)課題任務(wù)是:采用半導(dǎo)體熱敏電阻作為傳感器,利用非平衡電橋的電路原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量,設(shè)計(jì)制作一臺(tái)測(cè)溫范圍為40℃～80℃的半導(dǎo)體溫度計(jì).本實(shí)驗(yàn)要求改裝溫度計(jì)的量程較大,為提高靈敏度,不要求線性化設(shè)計(jì).學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)的知識(shí),查找資料,設(shè)計(jì)出“較大量程熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)”的整體方案,內(nèi)容包括:寫出實(shí)驗(yàn)原理和理論計(jì)算公式,研究測(cè)量方法,寫出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟.然后根據(jù)自己設(shè)計(jì)的方案,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,記錄數(shù)據(jù),做好數(shù)據(jù)處理,得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,按書寫科學(xué)論文的要求寫出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下.

1 熱敏電阻的電阻-溫度特性

熱敏電阻是由一些金屬氧化物,如鈷、錳、鎳等的氧化物,采用不同比例的配方,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成,然后采用不同的封裝形式制成珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等各種形狀.按半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的典型特性分為三種類型:即負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC),正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)和在某一特定溫度下電阻值會(huì)發(fā)生突變的臨界溫度電阻器(CTR).熱敏電阻的類型雖然很多,但是一般采用負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC),負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻在它的溫度范圍內(nèi),它的電阻隨溫度的升高而減小,其電阻與溫度的變化特性曲線如圖1所示.

圖1 熱敏電阻的電阻-溫度特性圖

本實(shí)驗(yàn)采用MF58玻璃封裝型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻作為測(cè)溫元件,先測(cè)量其電阻-溫度特性,使學(xué)生了解熱敏電阻能改裝成溫度計(jì)的原因.采用惠斯登電橋測(cè)量電阻,用量熱器加熱,熱敏電阻涂上絕緣漆,防止水的電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響,升溫測(cè)量和降溫測(cè)量相結(jié)合,把升溫測(cè)量和降溫測(cè)量的結(jié)果取平均作為此溫度下的阻值,以減小熱敏電阻內(nèi)部溫差的影響.從40℃開始,逐步升高水溫,每隔4℃測(cè)量一組數(shù)據(jù),直到80℃為止.斷開量熱器的電源,使水溫下降,從80℃開始,每隔4℃測(cè)量一組數(shù)據(jù),直到40℃為止.測(cè)量數(shù)據(jù)既可以繪制熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線圖,又可作為后面的定標(biāo)數(shù)據(jù).測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 熱敏電阻的電阻-溫度特性數(shù)據(jù)表

2 利用非平衡電橋改裝熱敏電阻溫度計(jì)

利用熱敏電阻作為測(cè)溫元件,利用非平衡電橋可將微安表改裝成量程為40℃～80℃的熱敏電阻溫度計(jì),改裝電路如圖2所示.具體方法如下.

圖2 熱敏電阻溫度計(jì)改裝電路圖

將熱敏電阻放入溫度為40℃的熱水中,將微安表外接到電橋,電橋倍率為調(diào)節(jié)可調(diào)電阻 R0使電橋平衡,這時(shí)流過微安表的電流為零,指針不動(dòng),這時(shí)指針的位置為40℃的刻度.再將熱敏電阻放進(jìn)溫度為80℃的熱水中,這時(shí)電橋不平衡,微安表的電流不為零,將產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器W,使微安表滿偏,這時(shí)指針的位置為80℃的刻度.保持電路的參數(shù)不變,當(dāng)熱敏電阻處在溫度在40℃～80℃的熱水時(shí),微安表的指針將在零刻度～滿偏之間變化.當(dāng)水溫從40℃增加Δt時(shí),熱敏電阻的阻值增加ΔRt,則 C、D間的電壓為[1]

從表1的數(shù)據(jù)可知,溫度從40℃升到44℃時(shí),熱敏電阻的ΔRt/Rt=0.119,溫度從72℃升到76℃時(shí),熱敏電阻的ΔRt/Rt=0.108,由式(1)可知,在不同溫度點(diǎn)改變?chǔ),微安表的偏轉(zhuǎn)大小的改變量是不同的,所以熱敏電阻溫度計(jì)的刻度是不均勻的.這可以通過一定的方法進(jìn)行線性化設(shè)計(jì),但線性化要求溫度計(jì)的量程較小[2],溫度計(jì)的靈敏度也將降低[1],也會(huì)提高實(shí)驗(yàn)的難度,學(xué)生難以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn),故不要求線性化設(shè)計(jì).

當(dāng)溫度變化足夠小時(shí),ΔRt?Rt時(shí),式(1)可簡(jiǎn)化為

這時(shí)UCD與ΔRt成正比,微安表的偏轉(zhuǎn)與熱敏電阻的溫度變化成線性關(guān)系,此時(shí)溫度的刻度是均勻的.

溫度在40℃～80℃之間的刻度可采用比較法定標(biāo).在微安表上貼上剪成弧形的白紙,用來標(biāo)定溫度的刻度,把熱敏電阻和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)同時(shí)放入熱水中,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)顯示溫度為44℃時(shí),標(biāo)出此時(shí)微安表的偏轉(zhuǎn)位置,此位置即為44℃的刻度,同理可標(biāo)出其他溫度點(diǎn)刻度.實(shí)際定標(biāo)時(shí),通常采用替代法定標(biāo),根據(jù)電阻-溫度特性得到溫度為44℃時(shí)熱敏電阻的阻值 R44,這時(shí)用電阻箱代替熱敏電阻,把電阻箱阻值調(diào)到 R44,接通電路,此時(shí)微安表偏轉(zhuǎn)位置就是44℃的刻度,同理可標(biāo)出每隔4℃時(shí)其他溫度點(diǎn)的刻度.由式(2)可知,當(dāng)溫度變化在4℃內(nèi)時(shí),其溫度刻度是均勻的,這時(shí)把4℃的刻度平均分成4小格,則每一小格代表1℃,這樣既可以減少操作難度,又能達(dá)到足夠的精度.溫度刻度畫好后,把電阻箱取下來,把熱敏電阻接到電橋的 Rx接線柱上,電路的其他參數(shù)保持不變,熱敏電阻溫度計(jì)改裝完畢.

3 改裝溫度計(jì)的校正

改裝成熱敏電阻溫度計(jì)后,需要用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn),并根據(jù)校正的數(shù)據(jù)繪制校正曲線,以便改裝溫度計(jì)能準(zhǔn)確讀數(shù).常用的簡(jiǎn)便的校正方法就是比較法[3],把標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和熱敏電阻放入熱水中,用改裝溫度計(jì)測(cè)量水溫 tx,每隔5℃校正一次,用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)出水溫,使水溫單調(diào)上升和下降各校正一次,將標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)兩次讀數(shù)的平均值作為ts,計(jì)算各校正點(diǎn)的Δt=tx-ts,作校正曲線,定出這時(shí)改裝溫度計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)S.表2是校正數(shù)據(jù),根據(jù)校正數(shù)據(jù)繪出校正曲線(圖3),熱敏電阻溫度計(jì)的最大引用誤差為:改裝溫度計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí) S為1級(jí).

表2 溫度校正數(shù)據(jù)表

圖3 校正曲線

4 結(jié)論

上述溫度計(jì)具有較寬的測(cè)量范圍,反應(yīng)快,具有較高的靈敏度,準(zhǔn)確度較高,還可以根據(jù)實(shí)際情況,在熱敏電阻的工作溫度范圍內(nèi)增加量程,能達(dá)到實(shí)用的要求.但也存在缺點(diǎn),溫度刻度是非均勻的,換用不同的熱敏電阻,電路的參數(shù)要重新調(diào)整.從幾年的開設(shè)實(shí)驗(yàn)情況來看,同學(xué)的興趣是很高的,尤其是當(dāng)看到改裝的溫度計(jì)成功地測(cè)量出溫度來,都大感興奮.本實(shí)驗(yàn)雖然沒有線性化設(shè)計(jì),但提高了測(cè)溫范圍和靈敏度,適當(dāng)減小了難度,符合只接受一年實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的學(xué)生的實(shí)際情況,使學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)操作,提高了學(xué)生的興趣,取得了較好的效果.

[1] 王麗香,呂春,王吉有.用非平衡電橋原理制作銅電阻熱敏溫度計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2007,20(2):41～42

[2] 張鼎,余蘭山,劉進(jìn).簡(jiǎn)易熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)[J].高等函授學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,21(3):61

[3] 張昌莘,王德明,方運(yùn)良.三級(jí)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2010,161

DESIGN OF A WIDE RANGE THERMISTOR THERMOMETER

Deng Liqiang Fang Yunliang
(College of Science,Guangdong Petrochemical College,Maoming,Guangdong 525000)

This paper introduced the designing experiment“design of a wide range thermistor thermometer”,which requested students to understand the resistance-temperature characteristic of thermistor,and master the design method of a wide range thermistor thermometer by non-equilibrium resistance bridge.

designing experiment;thermistor;thermometer;non-equilibrium electric bridge;calibrate

2011-01-13)

鄧鋰強(qiáng)(1970年出生),男,廣東茂名,實(shí)驗(yàn)師,碩士,研究方向:物理實(shí)驗(yàn)儀器改良.