较大量程热敏电阻温度计的设计

邓锂强 方运良

(广东石油化工学院理学院,广东茂名 525000)

较大量程热敏电阻温度计的设计

邓锂强 方运良

(广东石油化工学院理学院,广东茂名 525000)

本文介绍了设计性实验“较大量程热敏电阻温度计的设计”,该实验要求了解热敏电阻的电阻-温度特性,掌握利用非平衡电桥设计较大量程热敏电阻温度计的方法.

设计性实验;热敏电阻;温度计;非平衡电桥;定标

设计性物理实验是让学生独立自主对实验方法、实验装置进行设计,对实验过程和结果进行分析和研究的物理实验,它比传统的测量性、验证性实验更有利于培养学生的开拓精神和创新能力.作为工科二年级的学生,才进行一年的实验技能训练,既要求实验的难度不能太高,又要能提高学生的兴趣,“较大量程热敏电阻温度计的设计”就是一个比较好的选择.“较大量程热敏电阻温度计的设计”实验课题任务是:采用半导体热敏电阻作为传感器,利用非平衡电桥的电路原理来实现对温度的测量,设计制作一台测温范围为40℃～80℃的半导体温度计.本实验要求改装温度计的量程较大,为提高灵敏度,不要求线性化设计.学生根据自己所学的知识,查找资料,设计出“较大量程热敏电阻温度计的设计”的整体方案,内容包括:写出实验原理和理论计算公式,研究测量方法,写出实验内容和步骤.然后根据自己设计的方案,进行实验操作,记录数据,做好数据处理,得出实验结果,按书写科学论文的要求写出完整的实验报告.实验方案设计如下.

1 热敏电阻的电阻-温度特性

热敏电阻是由一些金属氧化物,如钴、锰、镍等的氧化物,采用不同比例的配方,经高温烧结而成,然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状.按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型:即负电阻温度系数热敏电阻(NTC),正电阻温度系数热敏电阻(PTC)和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器(CTR).热敏电阻的类型虽然很多,但是一般采用负电阻温度系数热敏电阻(NTC),负温度系数热敏电阻在它的温度范围内,它的电阻随温度的升高而减小,其电阻与温度的变化特性曲线如图1所示.

图1 热敏电阻的电阻-温度特性图

本实验采用MF58玻璃封装型负温度系数热敏电阻作为测温元件,先测量其电阻-温度特性,使学生了解热敏电阻能改装成温度计的原因.采用惠斯登电桥测量电阻,用量热器加热,热敏电阻涂上绝缘漆,防止水的电阻对测量结果产生影响,升温测量和降温测量相结合,把升温测量和降温测量的结果取平均作为此温度下的阻值,以减小热敏电阻内部温差的影响.从40℃开始,逐步升高水温,每隔4℃测量一组数据,直到80℃为止.断开量热器的电源,使水温下降,从80℃开始,每隔4℃测量一组数据,直到40℃为止.测量数据既可以绘制热敏电阻的电阻-温度特性曲线图,又可作为后面的定标数据.测量数据如表1所示.

表1 热敏电阻的电阻-温度特性数据表

2 利用非平衡电桥改装热敏电阻温度计

利用热敏电阻作为测温元件,利用非平衡电桥可将微安表改装成量程为40℃～80℃的热敏电阻温度计,改装电路如图2所示.具体方法如下.

图2 热敏电阻温度计改装电路图

将热敏电阻放入温度为40℃的热水中,将微安表外接到电桥,电桥倍率为调节可调电阻 R0使电桥平衡,这时流过微安表的电流为零,指针不动,这时指针的位置为40℃的刻度.再将热敏电阻放进温度为80℃的热水中,这时电桥不平衡,微安表的电流不为零,将产生一定的偏转,调节滑动变阻器W,使微安表满偏,这时指针的位置为80℃的刻度.保持电路的参数不变,当热敏电阻处在温度在40℃～80℃的热水时,微安表的指针将在零刻度～满偏之间变化.当水温从40℃增加Δt时,热敏电阻的阻值增加ΔRt,则 C、D间的电压为[1]

从表1的数据可知,温度从40℃升到44℃时,热敏电阻的ΔRt/Rt=0.119,温度从72℃升到76℃时,热敏电阻的ΔRt/Rt=0.108,由式(1)可知,在不同温度点改变Δt,微安表的偏转大小的改变量是不同的,所以热敏电阻温度计的刻度是不均匀的.这可以通过一定的方法进行线性化设计,但线性化要求温度计的量程较小[2],温度计的灵敏度也将降低[1],也会提高实验的难度,学生难以在规定的时间内完成实验,故不要求线性化设计.

当温度变化足够小时,ΔRt≪Rt时,式(1)可简化为

这时UCD与ΔRt成正比,微安表的偏转与热敏电阻的温度变化成线性关系,此时温度的刻度是均匀的.

温度在40℃～80℃之间的刻度可采用比较法定标.在微安表上贴上剪成弧形的白纸,用来标定温度的刻度,把热敏电阻和标准温度计同时放入热水中,当标准温度计显示温度为44℃时,标出此时微安表的偏转位置,此位置即为44℃的刻度,同理可标出其他温度点刻度.实际定标时,通常采用替代法定标,根据电阻-温度特性得到温度为44℃时热敏电阻的阻值 R44,这时用电阻箱代替热敏电阻,把电阻箱阻值调到 R44,接通电路,此时微安表偏转位置就是44℃的刻度,同理可标出每隔4℃时其他温度点的刻度.由式(2)可知,当温度变化在4℃内时,其温度刻度是均匀的,这时把4℃的刻度平均分成4小格,则每一小格代表1℃,这样既可以减少操作难度,又能达到足够的精度.温度刻度画好后,把电阻箱取下来,把热敏电阻接到电桥的 Rx接线柱上,电路的其他参数保持不变,热敏电阻温度计改装完毕.

3 改装温度计的校正

改装成热敏电阻温度计后,需要用标准温度计进行校准,并根据校正的数据绘制校正曲线,以便改装温度计能准确读数.常用的简便的校正方法就是比较法[3],把标准温度计和热敏电阻放入热水中,用改装温度计测量水温 tx,每隔5℃校正一次,用标准温度计测出水温,使水温单调上升和下降各校正一次,将标准温度计两次读数的平均值作为ts,计算各校正点的Δt=tx-ts,作校正曲线,定出这时改装温度计的准确度等级S.表2是校正数据,根据校正数据绘出校正曲线(图3),热敏电阻温度计的最大引用误差为:改装温度计的准确度等级 S为1级.

表2 温度校正数据表

图3 校正曲线

4 结论

上述温度计具有较宽的测量范围,反应快,具有较高的灵敏度,准确度较高,还可以根据实际情况,在热敏电阻的工作温度范围内增加量程,能达到实用的要求.但也存在缺点,温度刻度是非均匀的,换用不同的热敏电阻,电路的参数要重新调整.从几年的开设实验情况来看,同学的兴趣是很高的,尤其是当看到改装的温度计成功地测量出温度来,都大感兴奋.本实验虽然没有线性化设计,但提高了测温范围和灵敏度,适当减小了难度,符合只接受一年实验训练的学生的实际情况,使学生在较短的时间内按时完成实验方案和实验操作,提高了学生的兴趣,取得了较好的效果.

[1] 王丽香,吕春,王吉有.用非平衡电桥原理制作铜电阻热敏温度计[J].大学物理实验,2007,20(2):41～42

[2] 张鼎,余兰山,刘进.简易热敏电阻温度计的设计[J].高等函授学报(自然科学版),2007,21(3):61

[3] 张昌莘,王德明,方运良.三级物理实验教程[M].北京:化学工业出版社.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)

邓锂强(1970年出生),男,广东茂名,实验师,硕士,研究方向:物理实验仪器改良.