OJCS  >> Vol. 8 No. 1 (March 2019)

    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

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作者:  

邬华春,王 力,李鑫雨,王 妙:西安航空学院理学院,陕西 西安

关键词:
AD590负值研究 AD590 Negative Value Research

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。

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 θ + 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)。

文章引用:
邬华春, 王力, 李鑫雨, 王妙. 关于AD590数字温度计实验中电压表读数为负值的研究[J]. 电路与系统, 2019, 8(1): 1-4. https://doi.org/10.12677/OJCS.2019.81001

参考文献

[1] 王永刚, 曹学成, 高峰, 等. 大学物理实验[M]. 北京: 中国农业出版社, 2011: 199-205.
[2] 邢凯, 丁琦. 大学物理实验[M]. 上海: 同济大学出版社, 2016: 173-176.
[3] 秦羽丰. AD590集成电路温度传感器的特性表征及应用方法改良[J]. 山东农业大学学报(自然科学版), 2013, 44(4): 593-597.
[4] 刘燕. AD590集成电路温度传感器的特性测量与应用[J]. 中国仪器仪表, 2005(6): 58-61.
[5] 谌正艮. AD590设计数字温度计的原理分析与改进[J]. 大学物理实验, 2010, 23(2): 54-55.