电路在温度测量中的应用与分析

电路在温度测量系统中的应用与分析重温度测量的基本原理假定有两个热力学系统，原来各处在一定的平衡态，这两个系统互相接触时，它们之间将发生热交换(这种接触叫做热接触)。实验证明，热接触后的两个系统一般都发生变化，但经过一段时间后，两个系统的状态便不再变化，说明两个系统又达到新的平衡态。这种平衡态是两个系统在有热交换的条件下达到的，称为热平衡。取3个热力学系统A，B，C，进一步实验。将B和C相互隔绝开，但使它们同时与A接触，经过一段时间后，A与B以及A与C都达到了热平衡。这时如果再将履与C接触，则发现月和C的状态都不再发生变化，说明B与C也达到热乎衡。由此可以得出结论：如果两个热力学系统都分别与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此间也必定处于热平衡。该结论通常称为热力学第零定律。由热力学第零定律得知，处于同一热平衡状态的所有物体都具有某一共同的宏观性质，表征这个宏观性质的物理量就是温度。温度这个物理量仅取决于热平衡时物体内部的热运动状态。换言之，温度能反映出物体内部热运动状况，即温度高的物体，分子平均动能大；温度低的物体，分子平均动能小。因此，温度可表征物体内部大量分子无规则运动的程度。一切互为热平衡的物体都具有相同温度，这是用温度计测量温度的基本原理。选择适当的温度计，在测量时使温度计与待测物体接触，经过一段时间达到热平衡后，温度计就可以显示出被测物体的温度。根据温度传感器的使用方式，分为接触式和非接触式两种。（1）接触法。由热平衡原理可知，两个物体接触后，经过足够长的时间达到热平衡，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。其特点是，温度计要与被测物体有良好的热接触，使两者达到热平衡。因此，测温准确度较高。用接触法测温时，感温元件要与被测物体接触，往往要破坏被测物体的热平衡状态，并受被测介质的腐蚀作用，因此，对感温元件的结构、性能要求苛刻。(2)非接触法。利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法。它的特点是：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小。从原理上看，用这种方法测温上限可以很高。通常用来测定1000℃以上的移动、旋转或反应迅速的高温物体的温度。随着技术的发展电子技术的普及，电子技术、电路在温度测量及检测中占有越来越重要的地位。下面分析三种电路在温度测量中运用的实例。（一）电子温度计电子温度计时常用的测温工具，比传统的温度计更具可操作性，读数也更客观精准，虽然精度受到热电阻等元件限制，但是通过精密设计，也可以得到较好的解决。电子温度计的测温范围为—50一+50℃，其电路如图所示。图中Vl接成二极管形式，作温度传感器，并且同R1组成分压器(V1与其他元件之间的连接要用绞合线)。温度每增加l℃，V1的Vbc下降2．5mV。这样加在运算放大器N1同相端的电压将随被测温度的上升而减小。温度升高时，N1的输入电压降低，输出电压也降低，I5减小。N2为反相器，其反相输入端为虚地，故加在R6、R7两端的电压为恒定值，只要月R6,R7调定，I6就基本不变，于是：Il=I6-I5.Il将增加，即表头偏转角度随温度上升而增加，并成线性关系，实现了测量温度的目的。若温度低于一50℃，，将产生一个反相电流，V起隔断反相电流的作用。定标时，调整R6,R7，使I5=I6(温度为一50℃时)，此时IL=0，表头应指向0mA，当温度为+50℃时，表头应指向1mA。定标要在已知温度的环境中进行，以便与另一个较准的温度计对比。（二）温差测量电路在热量测量，水泵效率测量以及不同材料凝固点差异测量时常用到温差的测量，两点温差的测量有单探头和双探头两种方式，单探头如贝克曼温度计等不能实现温差实时测量，也不利于测量自动化的实现，双探头解决了实时性问题，但要求特性匹配，在使用中有需要做进一步调整。图中的温度传感器AD590是八十年代产品。由于其性能良好，已在测温技术中越来越得到广泛应用。两只AD590分别处于两个被测点，其温度分别为了Tk1、Tk2.I=Ik3-Ik1=Ki(Tk3-Tk1)如果两只感温器件具有相同标度因子，于是，运算放人器的输出电压：Vout=IR3=TkR3(Tk2-Tk1)整个电路的标度因子F取决于R3的值。此电路要求两只感温器件，具有相同的标度因子Kt，但差异总是存在的，电路中引入一只电位器RP，通过隔离电阻R1注入一个校正电流⊿I，以获得平稳的零位误差。测量精度主要取决于下列因素：(1)感温器件的非线性和两只器件特性的差异大小。(2)虽然供电电源±E对运算放大器和感温器件本身来说，共稳定度要求不高，但却影响校正值的稳定，所以RP宜刁：单独供电。(3)运算放大器的漂移。（三）自动记录温度微小变化的装置在引力实验、重力测量和地球固体潮汐检测等领域,由于所要探测的信号极其微弱以及对实验结果精度有相当高的要求,必须设法克服各种外界干扰因素的影响.温度变化是其中的重要影响因素之一.因此,有条件的实验室和工作台站均建造在隔热及温控条件非常好的地下室或温度非常稳定的山洞之中.即使如此,仍需要对实验所处环境的温度变化特别是周日变化进行精确测量,这对于提高实验结果的精度和置信水平具有相当重要的意义。下面就是一种通过电路实现的测量并自动记录温度问小变化的装置。它由两部分组成：一台量程为0—10mV，精度为0．5%的XWT-100型自动长度记录仪，一台自制测量用的直流电桥。直流电桥的作用是把被测对象的温度变化通过感温元件RT的转换，在桥路内产生偏差电压⊿V，由长度记录仪自动记录此偏差电压，记录下来的电压变化曲线，实质上就是温度微变曲线。直流电桥电路如图所示。电桥中，G用干电池，不宜用直流稳压电源，R1、R2、R3用精度为0．1％的月R*J8型精密电阻，并进行老化处理，经选配使相互间阻值差小于0．05％，RP用精度为0．05％的精密电阻箱，RT是RRC9型热敏电阻，它可放在恒温系统内任何部位，以便检测任一部位的温度变化。对RT的要求是：(1)Rt在测温点的阻值接近Rl的值，但又略小于Rl的值，留有调节余地。(2)测温点附近Rt阻值变化应处在其温度特性曲线的线性段。(3)RT要经长期温度和电的老练试验后，才能正式使用。对元件选用提出苛刻要求的目的在于满足高精度测温要求。按上面要求组成的桥路，理论测温精度叫达0．001℃。桥路平衡点附近随温度变化产生的偏差电压由下式可得：⊿V=2.78*10^(-5)E⊿Rt式中，⊿Rt表示热敏电阻偏离电桥平衡温度时的阻值变化。⊿Rt=ɑ⊿TRt平=ɑ⊿TR1ɑ：热敏电阻的温度系数，约等于0.04当取G=6V，温度微变量△T=0．01℃时，计算可得△V≈0．66mV。也就是说，当温度变化0．01℃时，长度记录仪上就能记下6．6小格的位移(xwT—100型每小格宽度2．5mm)，精度是足够的。精确地测量温度，是许多工艺和产品的关键技术之一，它对节约能源，降低成本，提高产品质量、提高产品市场竞争力有越来越重要的作用，因此各种各种各样温度测量电路、传感器将发挥越来越重要的作用。【实用用温度控制线路50例上海科学技术出版社/1992朱良宏】