关于AD590数字温度计实验中电压表读数为负值的研究

The Research on the Negative Reading of Voltmeter in AD590 Digital Ther-mometer Experiment

摘要: 根据AD590的温度特性，在利用其设计的数字温度计的大学物理实验中，有部分学生的电压表出现了示数值为负值的情况。针对这一现象，本文从电位的角度进行了分析，找出了出现负值的具体原因，为顺利完成该实验提供了参考。

Abstract: According to the temperature characteristics of the AD590, in the university physics experiment using the digital thermometer designed by it, some students’ voltmeters showed a negative value. In view of this phenomenon, this paper analyzes the potential from the perspective of potential, and finds out the specific reasons for the negative value, which provides a reference for the successful completion of the experiment.

1. 引言

AD590集成电路温度传感器是由美国Analog-Devices公司利用PN结正向电流与温度的关系研制开发的电流输出型两端温度传感器，它具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、动态阻抗高、抗干扰能力强和可远距离测温等优点 [1] ，具有广泛的应用，因此实验室特开设了题为“AD590特性测量及应用研究”实验项目，希望学生能够加深对AD590的了解和认识。

2. 实验原理

利用AD590进行数字温度计实验，是使用其电流与温度有关系的特性，即当在AD590两端加有一定直流工作电压时，其输出电流会受到温度的影响，具体满足如下关系：

$I=B\theta +A$

上式中，I为AD590输出的电流，单位为μA；θ表示AD590所处环境的摄氏温度；A为0℃时的AD590输出的电流值；B为斜率，为简化温度与电流的关系式，因此在设计制作AD590时要求B = 1 μA/℃，即温度每升高或降低1℃，传感器的输出电流增加或减少1 μA。

利用AD590温度传感器的上述特性，采用非平衡电桥线路，可以设计制作一台数字式摄氏温度计，即当B = 1 μA/℃，AD590器件在0℃时，电压显示值为“0”mV，而当AD590器件处于θ℃时，电压显示值为“θ”mV。

3. 实验内容 [2]

利用AD590设计并组装一台测温范围为0~60℃数字式温度计，具体过程如下：

1) 按图1连接线路，按照AD590的工作原理，需保证接线时，使AD590正极接电路中高电位，负极接电路中低电位。

2) 当B = 1 μA/℃时，为了使温度变化1℃时，电压变化1000 Ω × 1 μA = 1 mV，因此选择R₁ = R₂ = 1000 Ω。确定输出电源电压的大小，保证在整个测温范围内AD590均工作在线性段。

3) 实际使用AD590时，B值大小约等于1 μA/℃，为使温度变化1℃，电压变化1 mV需要根据B值大小修正R₁、R₂，R₁ = 1000/B，R₂ = 1000 Ω。

4) 将AD590置于冰水混合物中，使其温度为0℃，调节比较臂电阻R₃的大小，使电桥平衡，即电压表示数为0 mV。至此，数字式温度计设计完成。

5) 将实验中使用的智能加热器温度设定为60℃，待温度稳定后读取加热器显示的温度值及数字式温度计示数值，即电压表示值，修正系统误差。

Figure 1. Experimental circuit diagram

图1. 实验电路图

4. 试验结果与分析

学生根据给定的内容进行实验，在实验过程中出现了电压表读数为负值的情况。对此进行研究，查阅相关文献后 [3] [4] [5] ，估计出现读数为负值的情况可能与电压表的接法有关。由于实验中没有给定电压表的正负极，因此根据电压表的正负极接法不同，分了两种情况：1) 电压表的正极接在R₂和R₃之间；2) 电压表的正极接在R₁和AD590之间。实验中因教室环境温度较高，加热器难以维持在室温，所以将开始的温度设定为高于室温的40℃。采用第一种接法获得实验数据如表1所示。

Table 1. Positive electrode connected between R2 and R3

表1. 正极接在R₂和R₃之间

采用第二种接法获取的实验数据如表2所示。

Table 2. Positive electrode connection between R1 and AD590

表2. 正极接在R₁和AD590之间

对比两组实验结果发现，第二种接法中电压表的读数有为负值的情况，说明实验中电压表的负极应与R₁相连，正极与R₂相连。原因分析：首先要明确AD590的特性——随着温度的升高，其电阻值下降，流经的电流值增大。引入电势的概念来分析。定义电源E的负极为电势零点，在整个实验过程中，电源输出的电势差近视认为是一个定值，温度升高后，上支路(R₁所在的支路)流经的电流增大，而R₁的阻值不变，因此R₁两端的电势差会增大，而R₁左端与电源E相连，因此，R₁左端的电势不变，而电势差增大，说明R₁右端的电势降低了。下支路(R₂所在支路)在整个实验中保持不变，所以R₂右端的电势保持不变。当R₁右端的电势降低后，R₂右端的电势高于R₁右端的，此时出现了电势差，所以电压表会有读数，且电压表的正极与R₂右端相连，负极与R₁右端相连，电压表的读数才能为正值。

5. 结论

针对实验过程中出现的电压表读数为负值的现象，从电势的角度通过分析，确定了实验中电压表的正确接法，正极接在R₃、R₂中间，负极接在R₁与AD590中间，使得电压表的读数与实际温度值成正比关系，对正确完成该实验具有一定的指导作用。

基金项目

西安航空学院大学生创新创业项目(项目编号：201811736008)。