专利名称:一种数字温度计的制作方法
本发明属于数字测温技术领域：
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非电量的数字化测量，最重要问题是线性化。现在常用的方法有脉冲数字法和数字计算法等方法。脉冲数字法，采用逻辑电路，用输出数字量的高位控制计数脉冲的频率，以分段完成线性化。这种方法，虽然精度可以做得较高，但不能应用大规模集成电路A/D转换器，只能使用中小规模集成电路，电路复杂，技术已经落后，近几年很少采用。美国专利US3979745就是采用此法。数字计算法，它是先把模拟信号变成数字信号，然后利用微计算机进行计算，以实现线性化。此法的优点是可适用各类传感器，不同特性传感器，硬件改动很少甚至不用改动，只改变软件就可以，可以实现较高精度。但此法技术复杂，仪表本身带有微计算机，成本高，不易普及，不适于一般场合下使用。日本专利“昭55-84292”就是采用这种线性化的数字温度计。日本横河技报(1975、V01.19、NO1)“温度的数字测量”一文，全面地论述了各种方法和电路，也没有本发明提出的方法和电路。
本发明便是针对上述缺点作了改进，其发明要点在于把传感器的参量变化，经变换及放大电路变为电压信号，把此信号分为二路一路加到A/D转换器的信号输入端，进行A/D转换;另一路通过基准合成电路，去控制A/D转换器的基准电压，使不同输入信号对应不同的基准电压，而电路的最佳参数用计算机求解，以使在完成A/D转换的同时实现线性化，使显示的数字量即为被测温度。
本发明的数字温度计，原理框图如图1。1为温度传感器;2为变换及放大电路;4为大规模集成电路A/D转换器;5为译码显示电路。3是由一个运算放大器及电阻构成的基准电压合成电路，用它实现被变换信号对基准电压的控制。现在以铂电阻数字温度计为例，电路如图2。
铂电阻温度传感器的电阻是随着温度t的升高，电阻Rt增加，但增加的速率减小，即特性曲线随温度t增加而斜率减小，呈非线性。图2电路，能校正这种非线性，使显示的数字量与温度一一对应。
A/D转换器采用5G14433(国产)或MC14433(美国)，它们都是双积式A/D转换器，则;
N= (N1)/(VR) |VX| (1)其中N1为在采样期间的脉冲数，常量;
VR为基准电压;
VX为被转换的模拟输入电压;
N为VX的数字量。
对于图2电路有VR＝VRo-VRX＝VRo-KVx其中VRo为VR中固定不变部分，由-Eb产生;
VRx是VR中由Vx产生的分量;
K为非线性校正系数，其值影响线性化精度。
将上式代入(1)式N= (N1)/(VRo-KVX) |VX| (2)从(2)式可以定性地看出线性化的作用。设Vx与Rt成正比关系，温度t升高时，Rt加大，即Vx加大，此时VR减小，数字量N比没有KVx这项时要大些，以补偿曲线斜率的减小，从而改善了线性。自然补偿情况与K的大小有关。
在图2电路中，运放A1、电阻R11、R21、R22和铂电阻Rt组成有源电桥，以实现把Rt的变化转换为电压信号。用有源电桥进行Ω-V转换，灵敏度高，线性好。运放A2为电压放大器。运放A2是基准电压合成放大器。由图2得到VX= I △Rt+ I Rt 0-RF2R22Eb]]>
其中I＝GI0，G =RF2R21,]]>I0= (Eb)/(R11) ;
Rt＝Rto+△Rt，Rto是在0℃时Rt的值，对于BA2，则Rto＝100Ω。
考虑到在t＝0℃时，△Rt＝0，Vx＝0，应有R22= (R11)/(Rt0) R21则上式变为Vx＝I△Rt(3)将(3)式代入(2)式，则N= (N1)/(VR0-KI△Rt) I△Rt(4)在(4)式中，选择最佳的I、K参数，以使N是温度t的数字量。最佳参数I、K的求解是此数字温度计电路参数设计的关键。
根据(4)式，可以用试探法求解。先给定I、K值，由选定各温度值计算出N和误差，以找出误差最小时的I、K值，此值即为最佳参数。自然用手工算是非常困难的，用PC-1500计算机求解最佳参数I、K值的程序清单如表1。表2是用求得的最佳参数I、K，代入(4)式计算出的显示温度N和误差。T是对应N的实际温度。
图2电路参数，按下列各式计算RF2=R11R21IEb]]>，R11、R21、Eb预先选定;
R22= (R11)/(Rt0) R21;
RX=RF3K]]>，RF3]]>选定;
R31=EbVR 0RF3。]]>本发明的数字温度计，在铂电阻温度传感器的全温度，即-200℃到+650℃范围内，线性化精度为0.058%。A/D转换器用5G14433(三位半)，实测精度为0.12%，与表2基本相符。现在工业用的铂电阻数字温度计，测量范围一般为0℃到300℃，或-50℃到+200℃或0℃到+500℃，其精度一般为0.5%。电路一般使用中小规模集成电路，要用数十片集成电路芯片。
本发明的数字温度计，还有一个优点，由于采用了有源电桥，在应用时，不用外加导线补偿电阻，就能保证测量精度。当前工业用的铂电阻数字温度计，都要带有一组补偿电阻，根据实际引线电阻的大小，选用不同的补偿电阻，这给用户带来麻烦，而且必然会有附加误差。
本发明所采用的线性化方法，不仅适用于铂电阻等温度传感器，它作为一种线性化法，可以用于各种非电量的数字化测量。
附图附表的说明。
图1，1为传感器;2为信号变换与放大电路;3为基准电压合成电路;4为A/D转换器;5为译码显示电路。
图2，A1、A2、A3为低功耗通用运算放大器。A1与电阻R11、R21、R22和铂电阻Rt构成有源电桥。A2与电阻RF2]]>等构成电压放大器。A3与电阻RX、RF3]]>、R31构成基准电压合成电路。A/D转换器应用5G14433。DD是译码显示电路。
附表1，用PC-1500计算机求解最佳参数I、K的程序清单附表2，按最佳参数计算出的显示温度N和误差等。N为计算出的温度值;T为给定温度(实际温度);S为绝对误差;E为满度误差。
本发明，以图2电路，采用下述元件和电路参数，得以最佳实现。
Rt铂电阻温度传感器采用BA2，A/D转换器采用CMOS大规模集成电路5G14433(国产)或MC14433(美国)，运算放大器A1、A2、A3采用通用低功耗运算放大器F012或F110等。基准电压+Eb＝+5伏，-Eb＝-5伏。电阻R11、R21、R22、RF2]]>、RF3]]>、RX、R31，采用精密金属膜电阻，其值为R11＝3.9KΩ，R21＝10KΩ，RF2＝19.57KΩ，R22＝390KΩ，RF3]]>＝20KΩ，RX＝58.8KΩ，R31＝50KΩ。考虑到运算放大器A1、A2、A3失调电压和失调电流的影响，电阻RF2]]>、R22、RX、R31要由固定电阻和可变电阻器串联，以进行微调。
表2T N S＝N-T E(%)＝S/850-200.00 -200.47 -0.47 -0.05-160.00 -159.73 0.26 0.03-120.00 -119.50 0.49 0.05-80.00 -79.59 0.40 0.04-40.00 -39.79 0.20 0.020.00 0.00 0.00 0.0040.00 39.86 -0.13 -0.0180.00 79.77 -0.22 -0.02120.00 119.76 -0.23 -0.02160.00 159.78 -0.21 -0.02200.00 199.83 -0.16 -0.01240.00 239.92 -0.07 -0.00280.00 280.00 0.00 0.00320.00 320.10 0.10 0.01360.00 360.22 0.22 0.02400.00 400.29 0.29 0.03440.00 440.36 0.36 0.04480.00 480.38 0.38 0.04520.00 520.38 0.38 0.04560.00 560.31 0.31 0.03600.00 600.16 0.16 0.01650.00 649.87 -0.12 -0.0权利要求
1.一种由传感器[1]，变换放大电路[2]，A/D转换器[4]，译码显示电路[5]，所组成的数字温度计，其特征在于所说的数字温度计线性化的方法是靠被变换的信号一路加到A/D转换器[4]的信号输入端，进行A/D转换，另一路加到基准电压合成电路[3]，去控制A/D转换器[4]的基准电压，在完成A/D转换的同时来实现的。A基准电压合成电路[3]，是由低功耗通用运算放大器A3，电阻RX，R31，和RF3所组成。BA/D转换器[4]采用CMOS大规模集成电路A/D转换器。
2.按照权利要求
1所述的数字温度计，其特征在于所说的传感器〔1〕采用铂电阻传感器，所说的变换放大电路〔2〕采用有源电桥进行Ω-V变换放大。
3.按照权利要求
1或2所述的数字温度计，其特征在于电路的参数是根据最佳参数I，K计算的，其最佳参数I、K用计算机求解。
专利摘要
本发明属于数字测温技术领域：
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文档编号G01K7/00GK85102216SQ85102216
公开日1986年9月24日 申请日期1985年4月1日
发明者邵军哲, 陈育斌 申请人:大连工学院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan