您好,欢迎访问三七文档
电子温度计的设计和实现摘要:巧用惠斯通电桥改装成非平衡电桥,使用铂电阻作为感温元件,数字电压表作为显示器,组装成电子数字温度计.关键词:铂电阻电子温度计热电阻效应一、引言传感器在现实生活中的应用越来越广泛,常用的有力敏传感器、气敏传感器、温度传感器等。利用温度传感器和电阻配合,可将温度这一热学量转换为电学量,这样在实践应用中便于自控和遥测,为工业自动化创造了有利条件。本实验用非平衡电桥和铂电阻传感器构成测温电路,并用电表显示读数,从而实现对温度的测量。二、实验任务1.利用实验室提供的仪器和用具,测量铂电阻温度特性;2.在实验室提供的仪器中选择合适的仪器,设计一个由铂电阻作为传感器的电子温度计,其温度范围为20~70℃,要求非平衡电桥桥端电压为毫伏级,电流为微安级。3.对温度计进行标定。4.用标定后的温度计测量室温、人体掌心的温度、并于标准温度计所测结果进行比较。三、实验仪器直流稳压电源一个、铂电阻传感器一个、数字万用电表一个、伏特表一个、数字温度计一个、标准电阻箱三个、电热杯一个、保温杯一个、导线若干、开关一个。四、实验原理传感器在现实生活中的应用越来越广泛,常用的有力敏传感器、气敏传感器、温度传感器等。铂电阻是一种常用的热电式传感器,它利用铂电阻随温度变化而变化的特性,将温度大小转换为电阻大小,从而达到测量温度的目的。1.铂电阻温度传感器的温度特性铂电阻温度系数大而稳定,电阻率高,且物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定,常用作工业测温元件和测温标准。工业用铂电阻(Pt10、Pt100)广泛用来测量-200~850℃范围的温度。在0~100℃范围内,电阻和温度之间关系近似呈如下线性关系:)1(0ATRRT(1)式中A为温度系数,约为3.85×10-3℃-1。2.用非平衡电桥测量铂电阻的温度系数平衡电桥可以准确测量电阻。如果将平衡电桥电路中的待测电阻换成一个电阻型传感器。先调节电桥平衡,当外界条件改变时,传感器阻值会发生相应变化,使电桥失去平衡,桥路两端的电压随之而变。由于桥路的非平衡电压能反映出桥臂电阻的微小变化,因此可以通过测量非平衡电压检测外界物理量的变化。使用非平衡电桥测量铂电阻温度系数的电路如图1所示。1R、2R为固定电阻,组成比例电阻;PR为可调电阻,用作平衡电阻;TR为铂电阻;outU为非平衡电桥的输出电压。图1非平衡电桥电路结构图当电源的输出电压E一定时,非平衡电桥桥路的输出电压outU为12()TPoutTPRRUERRRR(2)令11TEIRR(3)22PEIRR(4)则有12outTPUIRIR(5)如果取12RR,且1TRR,2PRR,则有12II(6)1()outTPUIRR(7)另PR取铂电阻在0℃时的阻值0R,并将(1)式代入上式,则有10outUIRAT(8)可知,如果检测outU的电压表内阻足够大,非平衡电桥输出电压outU和温度的改变量T近似成线性关系。4.3重新调节电压和电阻改变电源电源和电阻,使温度与电压的比例系数为一个整十数。令TTARIUOUT1.001(mV)得3001101.0ARRRE0301101.0RARER根据公式选择适当电阻值,设计出所需电子温度计。五、实验内容(或步骤)1、按图1连接电路,选择适当电阻值和电压。2、将数字温度计和铂电阻放入保温杯中。向保温杯中加水,使T=20℃,并记录OUTU的数值。3、改变温度(不断加温,每隔2~3℃取一组数据),记录T-UOUT的结果,共测量20组数据,温度分布尽量均匀。4、分析,作图。六、数据处理和分析1、实验原始数据R1=11896.5R2=11896.5R0=100.8E=3VA=3.85×103℃12、测量T与UOUT的对应关系数据记录表组号12345678910T(°C)20.323.424.526.929.632.535.738.141.343.9UOUT(mV)2.112.412.552.772.983.253.603.854.014.06组号11121314151617181920T(°C)45.247.550.252.254.256.359.062.064.166.1UOUT(mV)4.174.384.604.795.005.225.485.856.136.293、数据处理1°由“用非平衡电桥法测铂电阻的温度系数”实验得R0=100.8,E=3V,A=3.85×103℃1得0301101.0RARER=11896.52°由实验数据得y=0.0948xy=0.1x01234567020406080毫伏表标准数值线性(毫伏表)线性(标准数值)实验所得曲线为y=0.0948x标准曲线为y=0.1x误差为0.10.09480.1w=5.2%七、实验误差分析系统误差1°实验理论和实验方法不完善带来的误差。本实验中,OUTTU的对应关系本身就是一个近似线性关系,并且实验条件无法到达理论的要求,如12II在实际实验过程中无法达到,所得实验结果必定会有一些误差。2°实验仪器不准确或使用不当造成的误差。经过长时间的使用,电阻箱的阻值、电源电压值会有一定的误差,温度计和万用电表的精度也无法到达真值等等,都会在实验中造成系统误差。3°环境条件有规律地变化会引起一定的误差。本实验中,室温约20℃对铂电阻温度系数有一定的影响,从而在实验过程中引起误差。随机误差1°实验者的某些不足会产生误差。本实验中,万用电表的读数不稳定,读数产生偏差。加热水的过程中,温度的不稳定变化,也会对实验造成一定的影响。八、结束语设计性实验是要求我们通过我们自己的设计,以达到实验目的,与传统的摄入式教学不同。设计性实验加强了学生的创新意识和实践能力,培养了学生的独立进行科学实验研究的能力。本实验是本学期大学物理实验课程中的第一次设计性实验。与之前两次实验不同的是,本次实验的内容不仅建立在之前两次实验的基础上,而且需要我们借助一些生活常识,来完成整个实验内容。在本次实验中,我在根据实验要求选择合适的方案这一环节,多走了许多弯路,但是通过分析这些方法的不足之处,慢慢摸索,才得到了最终的实验方案。在本次实验中,我们小组由于在“用非平衡电桥法测铂电阻的温度系数”的实验中测量工作误差较大,导致在此次实验中的测量偏差过大。但是,经过分析和修改,我们最终完成了整个实验。虽然实验过程困难重重,但是经过这样一个实验,能更好的体会已经做过的这三个实验之间的联系和区别,并深刻地体会电桥法这样一个实验思路。我想,这本身就已经达到了做设计性实验的一个目的。九、参考文献[1]书籍:萧明耀等.实验误差估计与数据处理[M].北京科学出版社.1984[2]书籍:李义宝等.大学物理实验.中国科学技术大学出版社.2009[3]书籍:赵丽华等.新编大学物理实验.浙江大学出版社.2007[4]网页:[5]书籍:迈纳斯HF,埃彭斯泰w,穆尔KH.普通物理实验.恽瑛等译.北京:科学出版社,1987[6]书籍:丁慎训,张孔时.物理实验教程.北京:清华大学出版社,1992[7]书籍:游伯坤等.温度测量与仪表一热电偶和热电阻.北京科学技术文献出版杜,1990[8]书籍:武菏莲,冯玉玲.一种新型铂电阻温度计及其性能研究.低温物理学报,1997
本文标题:电子温度计的设计
链接地址:https://www.777doc.com/doc-7186284 .html