較大量程熱敏電阻溫度計的設計

鄧鋰強 方運良

(廣東石油化工學院理學院,廣東茂名 525000)

較大量程熱敏電阻溫度計的設計

鄧鋰強 方運良

(廣東石油化工學院理學院,廣東茂名 525000)

本文介紹了設計性實驗“較大量程熱敏電阻溫度計的設計”,該實驗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計較大量程熱敏電阻溫度計的方法.

設計性實驗;熱敏電阻;溫度計;非平衡電橋;定標

設計性物理實驗是讓學生獨立自主對實驗方法、實驗裝置進行設計,對實驗過程和結果進行分析和研究的物理實驗,它比傳統的測量性、驗證性實驗更有利于培養學生的開拓精神和創新能力.作為工科二年級的學生,才進行一年的實驗技能訓練,既要求實驗的難度不能太高,又要能提高學生的興趣,“較大量程熱敏電阻溫度計的設計”就是一個比較好的選擇.“較大量程熱敏電阻溫度計的設計”實驗課題任務是:采用半導體熱敏電阻作為傳感器,利用非平衡電橋的電路原理來實現對溫度的測量,設計制作一臺測溫范圍為40℃～80℃的半導體溫度計.本實驗要求改裝溫度計的量程較大,為提高靈敏度,不要求線性化設計.學生根據自己所學的知識,查找資料,設計出“較大量程熱敏電阻溫度計的設計”的整體方案,內容包括:寫出實驗原理和理論計算公式,研究測量方法,寫出實驗內容和步驟.然后根據自己設計的方案,進行實驗操作,記錄數據,做好數據處理,得出實驗結果,按書寫科學論文的要求寫出完整的實驗報告.實驗方案設計如下.

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,經高溫燒結而成,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.按半導體電阻隨溫度變化的典型特性分為三種類型:即負電阻溫度系數熱敏電阻(NTC),正電阻溫度系數熱敏電阻(PTC)和在某一特定溫度下電阻值會發生突變的臨界溫度電阻器(CTR).熱敏電阻的類型雖然很多,但是一般采用負電阻溫度系數熱敏電阻(NTC),負溫度系數熱敏電阻在它的溫度范圍內,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

本實驗采用MF58玻璃封裝型負溫度系數熱敏電阻作為測溫元件,先測量其電阻-溫度特性,使學生了解熱敏電阻能改裝成溫度計的原因.采用惠斯登電橋測量電阻,用量熱器加熱,熱敏電阻涂上絕緣漆,防止水的電阻對測量結果產生影響,升溫測量和降溫測量相結合,把升溫測量和降溫測量的結果取平均作為此溫度下的阻值,以減小熱敏電阻內部溫差的影響.從40℃開始,逐步升高水溫,每隔4℃測量一組數據,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℃測量一組數據,直到40℃為止.測量數據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數據.測量數據如表1所示.

表1 熱敏電阻的電阻-溫度特性數據表

2 利用非平衡電橋改裝熱敏電阻溫度計

利用熱敏電阻作為測溫元件,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,改裝電路如圖2所示.具體方法如下.

圖2 熱敏電阻溫度計改裝電路圖

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

從表1的數據可知,溫度從40℃升到44℃時,熱敏電阻的ΔRt/Rt=0.119,溫度從72℃升到76℃時,熱敏電阻的ΔRt/Rt=0.108,由式(1)可知,在不同溫度點改變Δt,微安表的偏轉大小的改變量是不同的,所以熱敏電阻溫度計的刻度是不均勻的.這可以通過一定的方法進行線性化設計,但線性化要求溫度計的量程較小[2],溫度計的靈敏度也將降低[1],也會提高實驗的難度,學生難以在規定的時間內完成實驗,故不要求線性化設計.

當溫度變化足夠小時,ΔRt?Rt時,式(1)可簡化為

這時UCD與ΔRt成正比,微安表的偏轉與熱敏電阻的溫度變化成線性關系,此時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.在微安表上貼上剪成弧形的白紙,用來標定溫度的刻度,把熱敏電阻和標準溫度計同時放入熱水中,當標準溫度計顯示溫度為44℃時,標出此時微安表的偏轉位置,此位置即為44℃的刻度,同理可標出其他溫度點刻度.實際定標時,通常采用替代法定標,根據電阻-溫度特性得到溫度為44℃時熱敏電阻的阻值 R44,這時用電阻箱代替熱敏電阻,把電阻箱阻值調到 R44,接通電路,此時微安表偏轉位置就是44℃的刻度,同理可標出每隔4℃時其他溫度點的刻度.由式(2)可知,當溫度變化在4℃內時,其溫度刻度是均勻的,這時把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,電路的其他參數保持不變,熱敏電阻溫度計改裝完畢.

3 改裝溫度計的校正

改裝成熱敏電阻溫度計后,需要用標準溫度計進行校準,并根據校正的數據繪制校正曲線,以便改裝溫度計能準確讀數.常用的簡便的校正方法就是比較法[3],把標準溫度計和熱敏電阻放入熱水中,用改裝溫度計測量水溫 tx,每隔5℃校正一次,用標準溫度計測出水溫,使水溫單調上升和下降各校正一次,將標準溫度計兩次讀數的平均值作為ts,計算各校正點的Δt=tx-ts,作校正曲線,定出這時改裝溫度計的準確度等級S.表2是校正數據,根據校正數據繪出校正曲線(圖3),熱敏電阻溫度計的最大引用誤差為:改裝溫度計的準確度等級 S為1級.

表2 溫度校正數據表

圖3 校正曲線

4 結論

上述溫度計具有較寬的測量范圍,反應快,具有較高的靈敏度,準確度較高,還可以根據實際情況,在熱敏電阻的工作溫度范圍內增加量程,能達到實用的要求.但也存在缺點,溫度刻度是非均勻的,換用不同的熱敏電阻,電路的參數要重新調整.從幾年的開設實驗情況來看,同學的興趣是很高的,尤其是當看到改裝的溫度計成功地測量出溫度來,都大感興奮.本實驗雖然沒有線性化設計,但提高了測溫范圍和靈敏度,適當減小了難度,符合只接受一年實驗訓練的學生的實際情況,使學生在較短的時間內按時完成實驗方案和實驗操作,提高了學生的興趣,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[J].大學物理實驗,2007,20(2):41～42

[2] 張鼎,余蘭山,劉進.簡易熱敏電阻溫度計的設計[J].高等函授學報(自然科學版),2007,21(3):61

[3] 張昌莘,王德明,方運良.三級物理實驗教程[M].北京:化學工業出版社.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(1970年出生),男,廣東茂名,實驗師,碩士,研究方向:物理實驗儀器改良.