专利名称:模拟线性化方法及数字温度表的制作方法
本发明涉及一种数字温度表电路和热电偶的线性化方法，该方法尤其适合于袖珍式数字温度表，工业用面板表和小型面板表。
近年来，3 1/2 位单片双斜式A/D转换器和少量外围元件构成的200mV基本表(以下简称基本表)得到广泛的采用。如用它构成各种数字式繁用表，体温表，500℃以下温度表等。但工业上很需要1000℃以上的高温表，目前虽有一些，但均没有非线性补偿。如日本产的配K型热电偶的DM-801D型数字温度表，国产的配各种热电偶的SW型便携式数字温度表，由于没有非线性补偿，所以测量温度范围很窄，尤其是SW型性能差，需手动调零，限制使用。
从63年以来各国专利使用模拟法补偿的有各种各样的方式，1974年美国Howard S.Hoopes申请的专利US3939459用数字电路补偿。70年代后期，双斜式A/D转换实现了集成化，如1978年美国申请的专利US4227185利用了I2L技术，提高了数字表的性能。这之后，非线性补偿主要采用数字补偿方式，如日本冈本光兴1981年2月申请的专利热电偶温度计JP57-139631，同年4月他又申请的专利JP57-169637均利用ROM存贮器进行数字非线性补偿与冷端补偿。
我国生产的PY型数字温度表采用了折线非线性补偿，但它需要5～7个折线电路，增加近十个运算放大器和大量的二极管，线路复杂，体积大，性能低，使用麻烦，需要手动调零。
本发明的目的是在200mV基本表的基础上，提供一种模拟线性化方法，只使用很少外围元件构成成本低，量程宽的数字温度表，并保持基本表自动调零，抗干扰能力强，温度影响小，性能稳定，一节9V电池供电等优点，精度均为0.5级。
本发明采用了双斜式单片A/D转换器，用2～3段折线来逼近热电偶分度特性。本方法的一种形式是具有一个转折点〔P〕，转折信号取自对应的温度示值驱动电压〔19〕脚，用异或门G2和G3做为电子模拟开关，用电阻R8改变基本表特性的斜率，从(OP)斜率变为(ON)斜率，同时用异或门G4和电阻R9改变冷端补偿电桥输出电压Uab。制成的数字温度表配K型热电偶按所需的折线(OPQ)工作，折线过原点，(如图2所示)，量程为0～1300℃。制成配S型热电偶的数字温度表，则按折线(KPQ)工作，(如图10所示)，折线不过原点，量程为650℃～1600℃。误差均为±5℃。
实现上述方法的电路是用200mV基本表和基本表原有的四异或门再增加两个电阻R8和R9作为线性化电路，其电路原理如图3所示。用电阻R4、R5、R6和电位器W7，PN结T组成桥路实现冷端补偿。用异或门G1的输入端连接点〔i〕和〔21〕脚，异或门的〔7〕脚接模拟地，输出接LCD的〔38〕脚，实现低电压指示。
用上述方法和电路制成的数字温度表，基本表可以是LCD显示，也可以是LED显示;门电路可以是异或门，也可以是或门、非门或与门;是3 1/2 位或4 1/2 位(如7135)。电路不带需要散热的元件(如变压器和7805)，表壳用密封式，因密封表壳内的温度变化是一个缓慢过程，所以冷端补偿的感温元件可用温度响应慢的PN结。热电偶冷端直接引入装在表壳内的弹簧接线柱，接线柱手柄〔5〕盖住下压片〔4〕，手柄〔5〕的上端是一根0.5～1.5mm的止档杆〔2〕，这样使得两者温度保持一致。弹簧式接线柱具有适应性强，粗细规格不同的补偿导线都能方便连接的优点。传统的便携式数字温度表都必须配专用的连接插头。
本发明线性化方法的另一种形式是两个转折点〔P〕，〔S〕，如图11所示。转折信号取自对应的温度示值驱动电压〔19〕脚和〔22〕脚，它两之间是“与”的关系，用一个简单的与门，这样制成的数字温度表按所需折线(JPSQ)工作。配B型热电偶，量程为800℃～1700℃，误差为±5℃。
本发明线性化方法的转折点不只限于图2、图10和图11所示的1000℃、1200℃，可以取在其它需要的温度值上，选取七段数码上相应的一段，配以与门和非门就可以实现。
本发明的线性化方法适合于配各种热电偶的数字温度表及其它有电量输出的传感器。适合于工业用面板表，四位半数字表。
本发明是在200mV基本表的基础上增加很少量外围元件构成，它保持了基本表的一切优点;使用可靠，具有自动调零，冷端温度自动补偿，一节电池和低电压指示等优点。线路简单、价格低廉，实现了工业用所要求的宽量程，精度均能达到0.5级。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例的框图。由冷端补偿电路〔Ⅱ〕，线性化电路〔Ⅲ〕和200mV基本表〔Ⅳ〕组成。其中〔Ⅰ〕是所配K型热电偶。
图2是配K型热电偶温度表(以下简称DMTI表)的线性化折线。图中小黑点是K型热电偶分度特性。
图3是DMTI表线性化折线电路原理图。
图4是DMTI表线性化工作原理图。
图5是DMTI表电路总图。
图6是DMTI表的外貌图。
图7是图6的A-A向剖视图。用以表示接线柱的安装位置。
图8是接线柱主视图。
图9是图8的俯视图。(画图时去掉局部上盖〔9〕)。
图10是配S型热电偶的线性化折线。
图11是配B型热电偶的线性化折线。
下面参照图2和图3对线性化电路原理进行说明。PN结T是作为冷端温度补偿的感温元件，电桥输出的电压随冷端温度to而变，变化率与K型热电偶在0～70℃范围内相同。
图2中的(OPQ)折线是这样实现的，取显示千位数的1作为1000℃的转折信号，用基本表驱动小数点的四异或门作为模拟开关，这样简化了折线电路。具体工作过程是在0～999℃范围内千位数1不亮，〔19〕脚与〔21〕脚同相位，异或门G3的输出〔d〕点为0。经异或门G2反相后，输出点〔C〕为1，即高电位V+，电阻R8就与R1，R2，(W3-R3)并联，此时工作原理如图4(a)所示。图中V+与VZ为常数，在这里和以下电压、电位值都是对32脚，即对模拟地而言，设计合理的电阻值，使此时的VR＝41.27mV，则DMTI表按(OP)斜率工作，此时电桥对角线电压Uab＝E(to)。to为表壳内温度，E(to)为热电偶冷端热电势值。
当温度达到1000℃，即在1000℃～1300℃范围内，千位数1亮，〔19〕脚和〔21〕脚反相，异或门G3输出〔d〕点为1，经异或门G2反相后，〔C〕点为0，即C点为模拟地。由于R8＞＞R3，则其工作原理电路如图4(b)所示，与200mV基本表完全一样。比较图4(b)和图4(a)，可以看出图4(b)中〔l〕点电位降，约为36.9mV，即图2中MN斜率。
虽然1000℃以上的变化率已与(PQ)一致，但还不是沿(PQ)段工作，由于(PQ)与(MN)只差一个恒定的电势EPM，所以只要在基本表输入端减去这一数值即可，换句话说就是把〔b〕点电位提高EPM，其值约为4.57mV。这由异或门G4和电阻R9来完成，其中R9＞＞R7。由于改变输入电压Uab与改变基准电压UR的电路一致(见图4)，只是少用一个作为反相器的异或门G2，也就是说只是将图4的(a)和(b)更换位置。
本实施例用的是40脚集成片7106，图中未加特殊说明的标号〔32〕，〔35〕，〔20〕，〔40〕等均为7106集成片的管脚号。异或门G1用作低电压指示，输出接LCD的〔38〕脚，取合适的电阻R10，R11，使电池电压小于临界电压时LOBAT就显示，大于时就熄灭。
下面结合图6、图7、图8和图9具体说明接线柱的特点。〔3〕是带缺口的固定压片，〔4〕是带圆形缺口的动压片，补偿导线从上部盒盖〔9〕的小孔〔1〕插入表壳内，夹在压片〔3〕与〔4〕之间，靠弹簧〔6〕的力量将补偿导线压住。〔5〕是动压片〔4〕的转动用手柄，用塑料制成，它的另一作用是将动压片〔4〕与小孔〔1〕隔开，避免从小孔〔1〕吹入冷风冲刷压片〔4〕，以保持压片的温度与表壳内的PN结温度一致。〔7〕是转动轴，〔2〕是止档杆，〔10〕是底盒。这种结构虽与现有的弹簧接线柱相似，但有明显区别，现有弹簧接线柱只起“接线”作用。而本发明的弹簧接线柱除接线作用外还要将“接点”真正引入到表壳内部，使热电偶的冷端接点与表壳内PN结〔11〕温度相等，因此除在动压片〔4〕上部增加塑料复盖隔热外，很细的止档杆〔2〕也起到这一作用，经止档杆〔2〕传导，再从小孔〔1〕流失的热量就降到最小。〔8〕是线路版。
权利要求
1.一种热电偶数字温度表的线性化方法，其特征在于用2～3段折线逼近热电偶分度特性。
2.按照权利要求
1所述的线性化方法，其特征在于用一个转折点〔P〕，转折信号取自对应的温度示值驱动电压〔19〕脚，用异或门G2和G3做为模拟电子开关，用电阻R8改变基本表特性的斜率，从(OP)斜率变为(ON)斜率，用异或门G4和电阻R9改变冷端补偿电桥输出电压Uab，使制成的数字温度表按所需的折线(OPQ)工作。
3.按照权利要求
1所述的线性化方法，其特征在于用两个转折点〔P〕，〔S〕，转折信号取自对应的温度示值驱动电压〔19〕脚和〔22〕脚，〔19〕、〔22〕脚用简单的与门实现与的逻辑，使制成的数字温度表按所需的折线(JPSQ)工作。
4.按照权利要求
1、2或3所述的线性化方法，其特征在于转折点可在其它需要的温度值上，用选取七段数码上相应的一段并配以与门和非门来实现。
5.一种数字温度表及电路，其特征在于用200mV基本表及基本表原有的四异或门再加两个电阻R8和R9实现线性化电路。
6.按照权利要求
5所述的数字温度表及电路，其特征在于基本表是LCD显示或LED显示，门电路可以是非门、或门或与门。
7.按照权利要求
5或6所述的数字温度表及电路，其特征在于用一个异或门G1，输入端连接点〔i〕和〔21〕脚、异或门的〔7〕脚接模拟地，输出接LCD的〔38〕脚，实现低电压指示。
8.按照权利要求
5或6所述的数字温度表及电路，其特征在于热电偶冷端直接引入装在表壳内的弹簧式接线柱，接线柱手柄〔5〕盖住动压片〔4〕，手柄〔5〕的上部是一根0.5～1.5mm的止档杆〔2〕。
9.按照权利要求
7所述的数字温度表及电路，其特征在于热电偶冷端直接引入装在表壳内的弹簧式接线柱，接线柱手柄〔5〕盖住动压片〔4〕，手柄〔5〕的上部是一根0.5～1.5mm的止档杆〔2〕。
专利摘要
一种数字温度表和线性化方法及电路。该方法用2～3段折线逼近热电偶分度特性，制成配各种热电偶的数字温度表，在200mv基本表的基础上增加少量元件，实现了热电偶的非线性补偿，并保持了200mv基本表的各项优点。可以用LCD显示，也可以用LED显示。量程宽，误差±5℃，自动校零，自动冷端补偿，一节9V电池供电，有低电压指示。线路简单，成本低。
文档编号G01K7/02GK86101551SQ86101551
公开日1987年10月21日 申请日期1986年3月13日
发明者方之岗 申请人:北京钢铁学院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan