HS型数字温度计的原理与电路

　　本文介绍两种类型的温度计,其中HS-Ⅰ型数字温度计采用测温晶体作为感温元件,HS-Ⅱ型数字温度计精选温度稳定性极好的热敏电阻作为感温元件。测温晶体的振荡频率与温度之间的线性关系较好,且能在较高的温度环境中进行温度测量,测温范围宽,可用于高温井的温度测量。但采用测温晶体制作的温度传感器的电路稍复杂,温度计探头中电路的功耗较大,探头的自热温升较高。HS-Ⅱ型温度计采用美国Yellow Spring公司生产的44008型热敏电阻作为感温元件,这种热敏电阻的稳定性好,漂移小。由于热敏电阻的阻值与温度之间的关系存在着非线性,需通过计算机进行非线性改正,消除非线性的影响。HS-Ⅱ型温度计探头的功耗小,探头的自热温升很小,有助于精确的温度测量。由于44008型热敏电阻不耐高温,不宜在50℃以上的环境中长期进行温度测量。故HS-Ⅱ型温度计适合于冷水井或温度较低的温泉井中进行温度测量。

　　1　HS-Ⅰ型数字温度计的基本原理

　　HS-Ⅰ型数字温度计是一种高精度智能化的数字温度计。该数字温度计主要由探头(温度传感器)和二次仪表组成。温度传感器采用10MHz的晶体振荡器,温度升高1℃,测温晶体振荡器的频率升高920Hz。该温度计每进行一次温度测量的时间间隔为10.9890秒,故该仪器的分辨率为0.0001℃。

　　由于井下的温度传感器输出的频率需通过电缆传输至地面上的二次仪表,10MHz的高频信号经数十米至数百米的电缆传输后,将会使频率信号引起严重的衰减,为此,在探头内装有本机振荡电路(晶体)和混频电路,将测温晶体振荡器产生的高频转换成数十千Hz的低频,然后再将此低频信号经电缆传输给二次仪表;在低频情况下,频率信号的衰减较小。温度计的方框图如图1所示。

　　在图2所示的电路中,测温晶体振荡器的频率随温度的升高而增大,而参考晶体振荡器的振荡频率则保持恒定不变。在设计电路参数时,让测温晶振的频率在摄氏零度时略高于参考晶振的振荡频率,这样可使得在整个测量范围内,测温晶振的频率总是高于参考晶振的频率。温度愈高,两振荡器的频率差愈大,混频器的输出频率亦愈高。

　　考虑到晶体振荡器是利用晶体的压电效应产生振荡的,振荡幅度愈小,作用在晶体上的机械振动能量也愈小,晶体振荡器的频率漂移也就愈小。为提高晶体振荡器的频率稳定性,在设计电路参数时,应使作用在晶体两端的交流电压幅度尽可能小。

　　混频电路采用加法混频。这种混频简单可靠,混频过程中的误差小。功率放大采用功率场效应晶体管BUZ11,由于工作频率不很高,功率场效应管处于饱和、截止两种状态,故它的功耗可略而不计。温度探头输出的频率送至单片机的T1端,由单片机进行计数。二次仪表内的单片机采用MCS-89C51,通过软件产生准确的时间间隔(10.9890秒),从而保证测量的灵敏度和精度。此外,单片机将频率信号转换成温度值,并将温度值由二进制码转换成BCD码,再将BCD码通过I/O口将六位十进制数依次送进6个锁存器4511之中,以4511将锁存在其中的BCD码转换成段码,分别控制六个LED数码管显示,原理图如图3。此外,单片机还具有时钟功能。每到整点时,单片机就将整点时的温度测量结果存入RAM中。温度读数为十进制六位数,每个温度读数需三个存储单元存放,故每天24个整点温度读数共需单片机RAM中的72个存储单元。