張鳳云，羅 偉，張利巍

(東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318)

溫度是基本物理量之一，自然界中幾乎所有物質(zhì)的基本特性及其變化規(guī)律均與溫度密切相關(guān)，因而方便、快捷、準(zhǔn)確地測(cè)量溫度一直被人們所追求［1］?，F(xiàn)在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中所使用的溫度計(jì)通常都是精度為1℃和0.1℃的水銀、煤油或酒精溫度計(jì)，這些溫度計(jì)的刻度間隔通常都很密，不容易準(zhǔn)確分辨，讀數(shù)困難，而且它們的熱容量還比較大，達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間較長(zhǎng)，因此很難讀準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)過程中的溫度［2］。PN結(jié)溫度傳感器是一種半導(dǎo)體敏感器件，它是一種負(fù)溫度系數(shù)溫度—電壓轉(zhuǎn)換器件，兼有熱電偶、鉑電阻和熱敏電阻［3］的各自優(yōu)點(diǎn)，又克服了這些傳統(tǒng)測(cè)溫器件難以克服的某些固有缺陷，成為一種新的計(jì)量器具，是自動(dòng)控制技術(shù)和儀器儀表工業(yè)不可缺少的基礎(chǔ)元器件［4］。文中在深刻掌握PN結(jié)溫度敏感器件的基本特性的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字電壓表單元模塊、恒流源、AD620等設(shè)計(jì)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)電路，設(shè)計(jì)制作出0～100℃的數(shù)字溫度計(jì)，用帶有標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)對(duì)所組裝的數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定后，再進(jìn)行校正以確定其測(cè)溫誤差。它具有線性度高、熱響應(yīng)速度快、測(cè)溫精度較高、重量輕、易制作、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以測(cè)量固體、液體和氣體的溫度，具有廣泛的用途。該溫度計(jì)可以用在各類量熱學(xué)實(shí)驗(yàn)［2］中進(jìn)行溫度的測(cè)量和控制，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度。

1 實(shí)驗(yàn)原理

一個(gè)完整的數(shù)字溫度計(jì)及其校準(zhǔn)標(biāo)定系統(tǒng)，見圖1。

圖1 數(shù)字溫度計(jì)及其校準(zhǔn)標(biāo)定系統(tǒng)

2.1 標(biāo)定用“標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)”

由于溫度計(jì)是中低溫區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，所以標(biāo)定用的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)使用1/3 B級(jí)鉑電阻溫度傳感器作為感溫元件，通過校準(zhǔn)0℃時(shí)的阻值誤差后自行制作或組裝。將所溫度傳感器置于盛有冰水混合液(水的三相點(diǎn))的容器中，達(dá)到熱平衡后利用4 1/2精度的電阻電壓表，采用4線制測(cè)量方式測(cè)量出該傳感器在0.01℃下的阻值作為R0。將傳感器置于＞0.01℃的環(huán)境中測(cè)量出相應(yīng)的阻值Rt，利用公式導(dǎo)出的該環(huán)境溫度值的計(jì)算式:

2.2 PN結(jié)溫度傳感器

硅半導(dǎo)體PN結(jié)的電流特性可用下式來表示:

式中:Is是PN結(jié)的反向飽和電流，T是熱力學(xué)溫度(K)，k是玻爾茲曼常數(shù)，Upn是正向結(jié)電壓，q0是電子的電量。顯然，如果正向配置PN結(jié)電壓Upn且維持結(jié)電流I為某個(gè)恒定值I0，則Upn與T的比值應(yīng)為恒量C，即

使用攝氏溫度(℃)t來表示時(shí)，

式中:比例常數(shù)K就是PN結(jié)正向壓降的溫度系數(shù)，UZ0是一個(gè)與溫度無關(guān)的正向結(jié)壓降。對(duì)于硅半導(dǎo)體PN結(jié)，UZ0≈600 mV，溫度系數(shù)K≈2.3 mV/℃，線性度和重復(fù)性都很好，本實(shí)驗(yàn)采用4018二極管并將其密封。

2.3 信號(hào)調(diào)理

使用的信號(hào)調(diào)理模塊由低漂移、低功耗儀表放大器AD620構(gòu)成，輸出電壓UO為

式中G是增益，且

2.4 傳感器的工作電源

利用LM334 3端可調(diào)電流源芯片構(gòu)建成一個(gè)零溫度系數(shù)的200μA恒流源，見圖2。

圖2 零溫度系數(shù)恒流源

2.5 數(shù)字電壓表

利用數(shù)字電壓表測(cè)量出通過信號(hào)調(diào)理模塊后的輸出電壓，根據(jù)一定的比率關(guān)系得到待測(cè)溫度值。

3 數(shù)字溫度計(jì)的組裝

采用圖3所示的電路，由于PN結(jié)壓降的溫度系數(shù)為負(fù)值，所以溫敏信號(hào)應(yīng)輸入到信號(hào)調(diào)理模塊的-IN端，補(bǔ)償電壓需連接到+IN端，組裝后的實(shí)無圖，見圖4。

圖3 基于pn溫敏效應(yīng)的數(shù)字溫度計(jì)

圖4 數(shù)字溫度計(jì)實(shí)物圖

4 數(shù)字溫度計(jì)定標(biāo)校準(zhǔn)與數(shù)據(jù)測(cè)量

先在輸入電壓(U+IN-U－IN)=0時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)REF端的電位E0為模塊校準(zhǔn)零點(diǎn)。再將二極管D置于冰水混合液中，當(dāng)數(shù)字電壓表的讀數(shù)基本穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)EC至數(shù)字電壓表的讀數(shù)為零，此時(shí)已基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器0℃輸出的補(bǔ)償。然后再將二極管D置于如圖1所示的加熱器中(水浴鍋)并將水煮沸，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的讀數(shù)基本穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)圖3中的RG使數(shù)字電壓表的讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的讀數(shù)大小相同即可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器溫度系數(shù)斜率的標(biāo)定。

圖5 數(shù)字溫度計(jì)校正曲線

然后開始測(cè)量數(shù)據(jù)，將二極管和鉑電阻同時(shí)置于冰水混合液中，當(dāng)數(shù)字電壓表的讀數(shù)基本穩(wěn)定后，同時(shí)讀出電阻電壓表和數(shù)字電壓表的讀數(shù)，然后向混合液中加水使其溫度升高記錄他們的讀數(shù)，然后再將傳感器置于如圖1所示的水浴鍋并將水煮沸，再記錄他們的讀數(shù)如表1所示。最后，畫出校正曲線，見圖5。

表1 校正數(shù)據(jù)表

［1］肖波齊.半導(dǎo)體溫度計(jì)的計(jì)算機(jī)仿真［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2009，22(3):75-79.

［2］潘學(xué)軍.0.01℃的數(shù)顯溫度計(jì)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2003，23(5):22-25.

［3］林上金，胡澄，李延標(biāo)，等.熱敏電阻數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)制作實(shí)驗(yàn)的線性化方案探究［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011，24(1):23-25.

［4］王小旗，李新路.基于PN結(jié)傳感器的發(fā)電機(jī)定子溫度監(jiān)測(cè)研究［J］.產(chǎn)品與技術(shù)，2012(1):108-109.