高精度低成本测控温仪的设计

高精度、低成本测控温仪的设计，选择热电偶测温，用温度补偿的办法，实现热电偶冷端处在等效零度环境中；选用与温度补偿电路、热电偶、与其相适配网络及放大器调零等电路；用四个电阻值通过8421组合法替代拨码盘上10个电阻值，既提高精度、简化了控温用的温度预设定值的设计，又达到工业化低成本的要求。

【关键词】热电偶 低成本 测控温度 温度补偿 8421组合法

1 高精度测温的实现

1.1 消除室温对高精度测温的影响

加热器要实现精确的控温，精确的测温是首要前提。选用感温元件热电偶测温，热电偶有热、冷两端，热端供加热器中测温用。冷端，供读取温度信号用。热电偶的工作原理是两种不同材质的导体两端连接成回路，如果两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。它的热、冷两端只要有温度差，就会产生电动势与温差成正比。测温时，将热端放进加热器中的温度为T，冷端放置在室温为TJ时，冷端可测出的温度信号与温差成正比，即

U=C（T-TJ） （1）

其中C为热电偶伏特温度比，C在热端的加热器中温度0～100℃范围内是常数。上式因室温TJ变化无常态，冷端测出的温度信号也随之无常，只有让冷端所处温度等效零度就能直接测出与T成正比。于是

U=CT （2）

让冷端处于等效零度，有软件模拟法、冰水罐里等多种，本文用温度补偿法，增加不到一元钱成本而达到极高精度的测温，测温精度不亚于软件模拟法。

1.2 温度补偿产生负TJ

用硅二极管正向电压，随温度增加而降低的特点，将其精准的分压，取其分压随温度负变化分量与TJ等值，以此值叠加在热电偶冷端，可实现式（2）的结果。热电偶、温补、放大电路的连接电路图如图1。

为求出R3、R4的比值获得需补偿的理想电压，先由室温环境中TJ所产生的电压UB，由式（1）得UB=-CTJ，即

（UB/TJ）=-C （3）

再求补偿电压，R4和R3对温补的正向二极管电压VD进行分压。并求微分dVD/dT，得

R4/（R3+R4）*（dVD/dT） （4）

要得到理想的温度补偿，式（3）必等于式（4），即

R4/（R3+R4）*（dVD/dT）=（UB/TJ）=-C

（5）

在上式分母中R4相对R3很小，可略去，硅二极管正向电压随温升一度减低2毫伏，查表康铜-铜材料制作的热电偶，其C=41（伏/℃）*10-6，代入式（5），得（R4/R3）*（-2mv）=-C。即

R4=20.5 R3*10-3Ω （6）

上式具有普遍性意义，多种不同金属材料热电偶的测温均适用。

1.3 放大器增益的确定

冷端温度信号U，经增益A的放大器放大后，得VD=AU，A=VD/U，顯示器输入极限电压2V决定放大器输出电压的上限。本文要测100℃内的温度，取测温范围为0～200℃，这样上限2v电压除以200℃，得到每1℃ 有10mv压变，热电偶冷端的温度信号每度为41*10-6伏，于是放大器增益 A=（10*10-3伏）/（41*10-6伏）=243。

若要拓宽测量温度范围，改变R8，令A=24.3，测温范围0～2000℃，A=2.43，测温范围0～20000℃，等等。显然据此也可装配多种高精度低成本测温装置的系列产品。

2 温度预设定值装置的设计与极低成本高精度测控温仪的实现

2.1 拨码盘特点与加热控温过程

加热器要求温度在0-100℃范围内进行控温加热，只需10位、个位、小数位三位数显示，用三片10档拨码盘实现。每片拨码盘就是一进十出的十档开关，两根引出线，一根引线与十档波段开关中心线一样，每拨一次只与一档接通，其余九档不通，每档接一不同电阻值到拨码盘的另一根公共引出线。不同的是盘的外圆侧面有0到9的10个数字显示，随拨码拨动顺序显示，每按一次直到10次，相应数字显示0、1、--9为一轮，再按就周而复始。这样变每片拨码盘为十种阻值的可变电阻器。把三片拨码盘公共线并接，三片可拨动的三根线也并接，侧贴三片盘组成的总拨码装置，实质是个可变电阻器，将此电阻器接在电源与晶体管射极之间，基极接恒压源，集电极接RL到地，即拨码装置总线三位数电流流经RL到地，所产生的电压，提供驱动加热器用的电压比较器双输入的一端，作为加热器中温度T值的门槛。该同一电压比较器的另一输入端，与A放大器输出端相连接，当输出端温度信号超过温度预设定值T时，加热器过热就需减低加热强度，反之就增加加热强度，让加热器中温度T一直维持在预设定值的恒温中。

2.2 利用拨码盘制作温度T预设定值

三片拨码盘中，各档设定流出的电流I如下所示：

档（0）（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）

10位数（ma） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

个位数（ma）0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

小数点数（ma）0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

两根总线是三路电流相叠加，流经RL而产生三位数的温度预设定门槛值T。

2.3 拨码盘内确定各档电阻

拨码盘的各档与公共端分别接电阻阻值的确定：令n为整数0、1---9拨码盘上的各档顺序编号，电阻值为R，10位数拨码盘：0档不接电阻；（1）档接电阻阻值为R；（2）档接（1/2）*R； ---，（n）档接电阻的阻值为RN=（R/n）；依此类推个位数盘第n档的电阻阻值等于10*RN。小数点位盘的第n档电阻阻值为100*RN。

拨码装置共30档，要接上27个不同的精确电阻值，理论可行，但实际要实现简直不可能。27个不同电阻的阻值，不存在都有大量生产的规格型号，或接近生产规格。要批量生产需寻出新办法，采用8421组合法，每片拨码盘只用四个电阻的阻值按8421组合，以替代9个电阻的阻值，（即第8档、第4档、第2档、第1档各用单一个电阻，其余5档的电阻，都用这四个电阻中的2个或3个电阻并联的阻值来实现）。以10位数拨码盘为例，各档与公共线之间所接的电阻为：（0）档不接；（1）档接电阻R；（2）档接电阻（1/2）R；（3）档接用【档（1）电阻和档（2）电阻】相并联；（4）档接（1/4）R；（5）档接用【（1）档电阻和（4）档电阻】相并联；（6）档接用【（2）档电阻和（4）档电阻】相并联；（7）档接用【（1）档电阻、（2）檔电阻、（4）档电阻】三个电阻相并联而成；（8）档接（1/8）R；（9）档接用【（1）档电阻和（8）档电阻】相并联。个位和小数点位可依此类推。将27种电阻规格降到12种电阻规格，实现用有大量生产规格或近有生产规格的电阻值成为可能。10位数盘中的8421四个电阻值（KΩ）分别为： 0.5、1、2、4，；个位数盘中8421四个电阻分别为：5、10、20、40（KΩ）；小数点位盘中8421四个电阻分别为：50、100、200、400（KΩ）；所用电阻，基本都有或接近有生产规格的阻值。再选择恒定电压源为4伏，选择R=4kΩ。电阻值R一经确定，27个阻值随之确定，解决了非8421各档难找到无生产规格电阻的难题，从而实现了高精度极低成本测控温仪的制作。

3 结束语

高精度低成本测控温仪已被多台设备中采用，今后仍将继续采用，配合小功率直至特大功率系列的驱动器，可实现多种测控温小功率直到特大功率系列的加热设备的制备。不足之处，就是对电阻选择较严格，有待于今后进一步改进。

（本工作是在老师的指导下进行，在此敬表谢意！）

参考文献

[1]热电偶[M].三零四主编出版社/国防工业出版社，1978.

[2]（美）P.A.金齐（P.A. Kinzie）著，陈道龙译.热电偶测温[M].北京：原子能出版社，1980.

[3]孔有林编著.集成运算放大器及其应用[M].人民邮电出版社，1980.

[4]刘希民.热电偶线性温度测量装置[J]. 仪器仪表学报，2007.

作者简介

陈沛彦（2000-），男，安徽省合肥市人。高中学历。

作者单位

合肥市第十中学 安徽省合肥市 230012