数字测温仪

科学实验、工业生产中往往需用高精度温度测试仪表。许多场合要求在测试数百度温度时，能够分辨出±0.1℃温度的微小变化。这一课题指针式仪表已无法解决，只能由数字式仪表来完成。本文介绍一种高精度数字测温仪，它是用在涤纶长丝后加工设备上的，当然，在其它需要精密测温的场合也都可以使用。

仪器由测温电桥、数模转换网络、检零放大器、脉冲发生器、计数器和电源等部分组成，原理方框图见图1。

仪器置零，计数器为000.0状态，数模转换网络中干簧继电器触点全部断开。如果被测温度是180℃（是涤纶长丝后加工常用工艺温度，如为其它温度值原理是一样的），这时电桥不平衡输出负信号，使检零放大器放大后的输出为负饱和电压。脉冲源可通过与非门YF32输出计数脉冲送到可逆计数器的CP\(_{+}\)端，计数器作加法计数。每一个计数脉冲，计数器递增0.1℃，一直到计数器显示在180.0℃为止。这时干簧继电器J12、J\(_{13}\)吸合，对应的“权”电阻接入，电桥恢复平衡。检零放大器输出为零，YF32、YF34无计数脉冲输出，电路稳定在这一状态。

如果被测温度在180±0.2℃范围内变化，则电桥不平衡输出正或负信号，使检零放大器输出正或负饱和电压。这时与非门YF34或YF32输出计数脉冲，可逆计数器作减法或加法计数。模数转换波形图如图2所示。图3为数字测温仪的电路原理图。

如果被测温度从180℃变为179.8℃，测温电桥不平衡输出正信号，使检零放大器输出正饱和电压，与非门YF34输出计数脉冲，可逆计数器作减法计数，四位可逆计数器的输出端状态为“01”（H153－1）“0111”（H153－2）“1001”（H153－3）“1000”（H153－4），经译码后在数码管上显示出179.8，同时使干簧继电器J\(_{13}\)、J11J\(_{1}\)0J9、J\(_{8}\)J5、J\(_{4}\)吸合，接入对应“权”电阻，使电桥恢复平衡。同理，如被测温度为180.2℃时，干簧继电器J13、J\(_{12}\)、J2吸合，接入对应的“权”电阻，使电桥恢复平衡。

图4为数字电桥电路，数模转换网络与桥臂R\(_{1}\)并接，数模网络中标准电阻按8、4、2、1规律设计。每一位标准电阻与这一位代表的“权”相对应，“权”越大阻值越小。“权”为“0.1℃”的标准电阻取800KΩ。数字量每增加“0.1”，网络电阻就多并接一个800KΩ电阻。各“权”位对应标准电阻见图4，标准电阻均采用高精度线绕电阻。

标准电阻的阻值用R\(_{B}\)表示，为推导方便，用电导g表示，则

电桥平衡时

为补偿铂热电阻分度特性的非线性，现取t=0℃，100℃，200℃这三点来进行补偿。对应这三点的铂热电阻的阻值分别为R\(_{t}\)=100Ω，139.1Ω，177.032Ω；数模转换网络电导分别为g=0，\(\frac{1}{800Ω}\)，1;400Ω。R4取工艺常用温度180℃时铂热电阻的阻值169Ω。将以上数值分别代入（1）式联立解得R\(_{1}\)＝338.887Ω，R2=19.885Ω，R\(_{3}\)=212.285Ω。

R\(_{1}\)由固定电阻R1＇和微调电位器W\(_{1}\)组成，W1用以补偿电桥实际参数与理论计算不完全一致引起的偏差。

数模转换网络中开关采用JAG—4—1H干簧继电器，吸合时接触电阻＜0.15Ω，断开时为∞，吸合时间≤0.9毫秒。

检零放大器实际上是高增益信号极性鉴别放大器。检零放大器由二级运算放大器SFC2709C组成（可用国产FC—3C代替，第一级要改变调零方式，第二级增加调零电位器，详见FC—3产品说明）。铂热电阻连线很长，可能带进各种干扰，故其输入经滤波器L\(_{31}\)C31和R\(_{32}\)C32后再接到运算放大器同相端。数模网络的平衡桥臂输入线用屏蔽线，经R\(_{31}\)接运算放大器反相端。第一级运算放大器由于输入信号微弱，对电源电压稳定性要求很高，故正、负电源端又加用了稳压管。电位器W2用以调节第一级运算放大器输出电位。R\(_{38}\)C33系消振电路。第一级运算放大器的放大倍数K\(_{1}\)≈R35R\(_{31}\)=240倍。

第二级运算放大器的放大倍数K\(_{2}\)≈R43R\(_{41}\)=160倍。当输出电压大于DW36稳压管击穿电压，则由R\(_{46}\)、R45正反馈到BG\(_{3}\)同相端，使输出电压急剧上升到放大器正饱和电压为止。当第二级运算放大器输出电压负值大于DW35稳压管击穿电压，由于R\(_{46}\)，R45正反馈使输出电压急剧下降到放大器负饱和电压。第二级放大器输出电压小于DW\(_{35}\)、DW36击穿电压时，保持正常的线性放大状态。检零放大器总输入输出特性如图5所示。

脉冲源采用单结晶体管弛张振荡器见图3。电源通过电阻R\(_{47}\)对C35充电，使单结晶体管BG\(_{37}\)发射极e的电位Ue上升。当发射极电位达到峰点电压U\(_{M}\)时，发射极e与第一基极b1导通，C\(_{35}\)上的电压通过R51迅速放电。当发射极电位低于单结管谷点电压时，eb\(_{1}\)截止，C35又重新充电重复上述过程。在单结管发射极和第一基极出现的波形如图6中U\(_{e}\)与Ub1所示。脉冲频率f=\(\frac{1}{RCln}\)1;1-η，式中η为单结管分压比，RC为充电时间常数=R\(_{47}\)·C35，f约为180赫。

单结管弛张振荡器输出脉冲经BG\(_{38}\)放大和YF33反相后输出方波窄脉冲（见图6），为整机的计数脉冲。

当检零放大器输出电压低于DW\(_{35}\)、DW36击穿电压，工作在线性放大区时，YF32、YF34控制输入端均为低电平，故均无计数脉冲输出。若放大器输出为正饱和电压，则YF34控制输入端为高电位，输出计数脉冲使可逆计数器作减法计数。若放大器输出为负饱和电压，则YF31输入端为低电位、输出高电位，YF32输出计数脉冲使可逆计数器作加法计数。

计数器采用二—十进制加减法可逆计数器H153B，译码驱动器用H270B，均为HTL数字集成电路，抗干扰性能好。数码管采用SZ4—1辉光放电显示管，起辉电压170V，阴极电流2mA。

全机电源共四组（见图7）。±15V用集成稳压器W2—03B，为防止电路振荡接入C\(_{62}\)、C63与C\(_{72}\)、C73。R\(_{62}\)、R72为限流保护电阻，其阻值按R=0.5VI\(_{max}\)计算，Imax为最大负载电流。＋15V外接功率管3DD4C以扩大电流输出。

电桥电源2V，采用补偿式稳压电源，电压稳定系数S≥5000。(陈金镜)