一種利用非平衡電橋設計電阻溫度計的實驗裝置制造方法
【專利摘要】本發明提出一種利用非平衡電橋設計電阻溫度計的實驗裝置。它由可調橋臂電阻R1、R2、R3及熱敏電阻Rt構成電橋，由可調電壓源給電橋提供電源，熱敏電阻放置在玻璃水槽中，水槽內設置半導體制冷裝置、加熱裝置及溫度傳感器。電橋的輸出電壓經運算放大器放大后在數字電壓表上顯示出來。將可調橋臂電阻調節合適，通過溫度控制器設定傳熱液體的溫度t，讀取電橋的輸出電壓Uo(t)，每隔一定溫度測量一次，繪制Uo(t)～t曲線，就可以通過Uo(t)測量溫度t。本發明采用可調橋臂電阻作為非平衡電橋的橋臂，可提高設計溫度計的靈敏度，設計的溫度計測量范圍可擴展至室溫以下，電橋輸出電壓大小調節方便，容易使設計的溫度計顯示的數值正好為待測物體的攝氏溫度值。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種物理實驗裝置，具體是涉及一種利用非平衡電橋設計電阻溫度計 的實驗裝置。 一種利用非平衡電橋設計電阻溫度計的實驗裝置
【背景技術】
[0002] 溫度的測量與控制在我們的日常生活及生產、科研中有廣泛的應用，例如，火警 報訊器、恒溫烘箱、電冰箱等。在這些應用裝置中，常常是電信號被"加工"以后去控制執 行機構工作的。但在"加工"之前，首先必須把由被控系統給出的溫度信號轉換為相應的 電信號，溫度傳感器就是執行這一任務的器件。半導體熱敏電阻是一種阻值隨溫度改變 發生顯著變化的敏感元件，在工作溫度范圍內，阻值隨溫度升高而增加的稱為正溫度系數 (Positive Temperature Coefficient簡稱PTC)熱敏電阻，反之稱為負溫度系數（Negative Temperature Coefficient簡稱NTC)熱敏電阻。熱敏電阻具有體積小、反應快、使用方便等 優點，通過熱敏電阻，可以把溫度及其變化轉換成電學量或電學量的變化加以測量。所以， 它被廣泛應用于工、農、醫、交通、軍事、科研等各個領域的溫度測量及控制工作中。
[0003] 直流電橋是一種精密的電學測量儀器，可分為平衡電橋及非平衡電橋兩類。平衡 電橋是通過調節電橋平衡，將待測電阻與標準電阻進行比較得到待測電阻的大小，如惠更 斯電橋、開爾文電橋等都是平衡式直流電橋。由于需要調節平衡，因此平衡電橋只能用于測 量具有相對穩定狀態的物理量。隨著測量技術的發展，電橋的應用不再局限于平衡電橋的 范圍，非平衡電橋在非電量的測量中已得到廣泛應用。實際工程和科學實驗中，待測量往往 是連續變化的，只要能把待測量同電阻值的變化聯系起來，便可采用非平衡電橋進行測量。 將各種電阻型傳感器接入電橋回路，橋路的輸出電壓就能反映出橋臂電阻的微小變化，因 此，通過測量非平衡電橋的輸出電壓就可以檢測出待測量的變化，如溫度、壓力、濕度等。
[0004] 利用非平衡電橋設計電阻溫度計的實驗是物理實驗中一個常見的實驗項目，它是 一個比較典型的非平衡電橋應用實例，是市場上各類數字溫度計的雛形，具有一定的實用 價值。
[0005] 目前利用非平衡電橋設計電阻溫度計的實驗裝置主要存在以下不足：
[0006] 其一，非平衡電橋的橋臂一般采用固定步進量、一定檔位的單盤變阻器，阻值可調 范圍比較小，很多情況下不能同熱敏電阻相適應，使設計的溫度計靈敏度比較低，影響實驗 效果。
[0007] 其二，加熱源溫度控制器一般是電源加熱，風扇冷卻，以空氣作為傳熱物質，受熱 不均勻，測量范圍一般只能是室溫或高于室溫，無法對低于室溫的情況進行研究，使設計的 溫度計測量范圍受到限制。
[0008] 其三，電橋輸出電壓大小不易調節，很難使設計的溫度計顯示的數值正好為待測 物體的攝氏溫度值。
【發明內容】
[0009] 為了克服現有技術的上述不足，本發明提出一種利用非平衡電橋設計電阻溫度計 的實驗裝置，該裝置采用可調橋臂電阻作為非平衡電橋的橋臂，阻值可調范圍大，可與各類 熱敏電阻相匹配，從而提高設計溫度計的靈敏度。以液體作為傳熱物質，受熱均勻，而且設 計的溫度計測量范圍可以擴展至室溫以下。電橋輸出電壓大小調節方便，容易使設計的溫 度計顯示的數值正好為待測物體的攝氏溫度值。
[0010] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：由可調橋臂電阻Ri、R2、R 3及半導體 熱敏電阻或金屬熱敏電阻Rt分別作為電橋的四個橋臂，構成一個電橋，由可調電壓源給電 橋提供電源，電壓源輸出電壓的大小可以通過旋鈕進行調節，并可在電壓源電壓顯示屏上 顯示出來。半導體熱敏電阻或金屬熱敏電阻放置在一個一端封閉的玻璃水槽中，玻璃水槽 壁采用雙層結構，中間抽成真空，以起到良好的保溫效果。將傳熱液體注入玻璃水槽內，高 度合適，在玻璃水槽內傳熱液體中靠上部分設置一半導體制冷裝置，用來冷卻傳熱液體，靠 下部分設置一加熱裝置，用來加熱傳熱液體，中間部分設置一溫度傳感器，用來測量傳熱液 體的溫度，半導體制冷裝置、加熱裝置及溫度傳感器分別通過接口與溫度控制器相連接，通 過溫度控制器上的按鍵可以設定傳熱液體的溫度。通過溫度控制器上的按鍵設定傳熱液 體的溫度，利用溫度傳感器測量傳熱液體的實際溫度，溫度控制器內部由微處理器進行控 制，如果設定溫度低于實際溫度，則啟動半導體制冷裝置，冷卻傳熱液體，直到溫度降低到 設定值；如果設定溫度高于實際溫度，則啟動加熱裝置，加熱傳熱液體，直到溫度增加到設 定值。電橋的輸出端連接運算放大器一，作為一個反向電壓放大器，電壓放大倍數可以通過 改變可調反饋電阻民及可調輸入電阻氏的大小進行調節，將電橋的輸出電壓放大，再經作 為輸出緩沖器的運算放大器二輸出，在數字電壓表的電壓顯示屏上顯示出來。實驗操作時， 首先根據半導體熱敏電阻或金屬熱敏電阻在測溫范圍內的阻值，將可調橋臂電阻&、馬及 R3的大小調節合適，然后通過溫度控制器上的按鍵設定傳熱液體的溫度t，即半導體熱敏電 阻或金屬熱敏電阻的溫度，將運算放大器一的電壓放大倍數調節合適，最后通過數字電壓 表的電壓顯示屏讀取電橋的輸出電壓^(t)，每隔一定溫度測量一次，記錄于表中，并繪制 UQ(t)?t曲線，這樣就可以通過Ujt)測量溫度t。通過適當選取橋臂電阻、可調反饋電阻 Rf及可調輸入電阻氏的值，可使數字電壓表的電壓顯示屏顯示的電壓值正好為待測物體的 攝氏溫度值。
[0011] 本發明的有益效果是，該實驗裝置設計的電阻溫度計測量范圍可以擴展至室溫以 下，采用可調橋臂電阻作為非平衡電橋的橋臂，可與各類熱敏電阻相匹配，從而可以提高設 計溫度計的靈敏度，電橋輸出電壓大小調節方便，容易使設計的溫度計顯示的數值正好為 待測物體的攝氏溫度值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0013] 附圖是本發明的結構示意圖。
[0014] 圖中1.可調橋臂電阻Ri，2.可調橋臂電阻R2,3.可調橋臂電阻R3,4.半導體熱敏 電阻或金屬熱敏電阻R t，5.可調電壓源，6.電壓源電壓顯不屏，7.可調電壓源輸出端接口， 8.可調電壓源電源開關，9.可調電壓源電壓大小調節旋鈕，10.加熱裝置，11.溫度傳感器， 12.半導體制冷裝置，13.加熱裝置與溫度控制器之間的接口，14.溫度傳感器與溫度控制 器之間的接口，15.半導體制冷裝置與溫度控制器之間的接口，16.溫度顯示屏，17.溫度控 制器，18.數字選擇按鍵，19.上調按鍵，20.下調按鍵，21.指示燈，22.復位按鍵，23.溫度 設定按鍵，24.可調反饋電阻R f，25.可調輸入電阻氏，26.運算放大器一，27.運算放大器 二，28.數字電壓表輸入端接口，29.數字電壓表，30.數字電壓表電壓顯示屏，31.數字電壓 表電源開關，32.數字電壓表量程檔位調節旋鈕，33、34.公共接地端，35.玻璃水槽。
【具體實施方式】
[0015] 附圖中，由可調橋臂電阻札1、可調橋臂電阻R22、可調橋臂電阻R33及半導體熱敏 電阻或金屬熱敏電阻R t4分別作為電橋的四個橋臂，構成一個電橋，由可調電壓源5通過可 調電壓源輸出端接口 7給電橋提供電源，電壓源輸出電壓的大小可以通過可調電壓源電壓 大小調節旋鈕9進行調節，并可在電壓源電壓顯示屏6上顯示出來。半導體熱敏電阻或金 屬熱敏電阻R t4放置在一個一端封閉的玻璃水槽35中，玻璃水槽壁米用雙層結構，中間抽 成真空，以起到良好的保溫效果。將傳熱液體注入玻璃水槽35內，高度合適，在玻璃水槽35 內傳熱液體中靠上部分設置一半導體制冷裝置12,用來冷卻傳熱液體，靠下部分設置一加 熱裝置10,用來加熱傳熱液體，中間部分設置一溫度傳感器11，用來測量傳熱液體的溫度， 半導體制冷裝置12、加熱裝置10及溫度傳感器11分別通過半導體制冷裝置與溫度控制器 之間的接口 15、加熱裝置與溫度控制器之間的接口 13及溫度傳感器與溫度控制器之間的 接口 14與溫度控制器17相連接。通過溫度控制器17上的溫度設定按鍵23,數字選擇按 鍵18,上調按鍵19,下調按鍵20,可以設定傳熱液體的溫度，并可在溫度顯示屏16上顯示出 來。指示燈21用來指示傳熱液體溫度是否達到設定溫度，傳熱液體溫度不等于設定溫度， 指示燈21顯示為紅燈，傳熱液體溫度達到設定溫度，指示燈21顯示為綠燈。電橋的輸出端 連接運算放大器一 26,作為一個反向電壓放大器，電壓放大倍數可以通過改變可調反饋電 阻Rf24及可調輸入電阻氏25的大小進行調節，將電橋的輸出電壓放大，再經作為輸出緩沖 器的運算放大器二27輸出，在數字電壓表29的數字電壓表電壓顯示屏30上顯示出來。數 字電壓表29的量程可以通過數字電壓表量程檔位調節旋鈕32進行調節。
[0016] 具體實驗操作步驟為：
[0017] (1)按照附圖連接線路，根據半導體熱敏電阻或金屬熱敏電阻Rt4在測溫范圍內的 阻值，將可調橋臂電阻& 1、可調橋臂電阻R22及可調橋臂電阻R33的大小調節合適。
[0018] (2)通過溫度控制器17上的溫度設定按鍵23,數字選擇按鍵18,上調按鍵19,下 調按鍵20,設定傳熱液體的溫度t，即半導體熱敏電阻或金屬熱敏電阻R t4的溫度，直到指 示燈21由紅燈變為綠燈，即傳熱液體溫度達到設定值。
[0019] (3)通過改變可調反饋電阻Rf24及可調輸入電阻氏25的大小將運算放大器一 26 的電壓放大倍數調節合適，通過數字電壓表量程檔位調節旋鈕32將數字電壓表29的量程 調節合適。通過數字電壓表電壓顯示屏30讀取電橋的輸出電壓U。(t)，每隔一定溫度測量 一次，將數據記錄于表中。
[0020] (4)繪制隊⑴?t曲線，這樣就可以通過U。⑴測量待測物體的溫度t。
[0021] (5)通過適當選取可調橋臂電阻Rd、可調橋臂電阻R22、可調橋臂電阻R 33、可調反 饋電阻Rf24及可調輸入電阻氏25的值，可使數字電壓表電壓顯示屏30顯示的電壓值正好 為待測物體的攝氏溫度值。
[0022] 以上對本發明的結構進行了闡述，但是本發明所介紹的實施例并沒有限制的意 圖，在不背離本發明主旨的范圍內，本發明可有多種變化和修改。
【權利要求】
1. 一種利用非平衡電橋設計電阻溫度計的實驗裝置，具體是由可調橋臂電阻Ri、R2、R 3 及半導體熱敏電阻或金屬熱敏電阻Rt分別作為電橋的四個橋臂，構成一個電橋，由可調電 壓源給電橋提供電源，電壓源輸出電壓的大小可以通過旋鈕進行調節，并可在電壓源電壓 顯示屏上顯示出來，半導體熱敏電阻或金屬熱敏電阻放置在一個一端封閉的玻璃水槽中， 其特征是：玻璃水槽壁采用雙層結構，中間抽成真空，以起到良好的保溫效果，在玻璃水槽 內傳熱液體中靠上部分設置一半導體制冷裝置，用來冷卻傳熱液體，靠下部分設置一加熱 裝置，用來加熱傳熱液體，中間部分設置一溫度傳感器，用來測量傳熱液體的溫度，半導體 制冷裝置、加熱裝置及溫度傳感器分別通過接口與溫度控制器相連接，通過溫度控制器上 的按鍵可以設定傳熱液體的溫度。
2. 根據權利要求1所述的利用非平衡電橋設計電阻溫度計的實驗裝置，其特征是：電 橋的輸出端連接運算放大器一，作為一個反向電壓放大器，電壓放大倍數可以通過改變可 調反饋電阻R f及可調輸入電阻氏的大小進行調節，將電橋的輸出電壓放大，再經作為輸出 緩沖器的運算放大器二輸出，在數字電壓表的電壓顯示屏上顯示出來，通過適當選取橋臂 電阻、可調反饋電阻&及可調輸入電阻氏的值，可使數字電壓表的電壓顯示屏顯示的電壓 值正好為待測物體的攝氏溫度值。
【文檔編號】G09B23/06GK104064076SQ201410258214
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月4日 優先權日:2014年6月4日
【發明者】田凱, 王照平, 王麗霞, 劉申曉, 李小亮 申請人:黃河科技學院