金屬電阻溫度系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)

唐緒兵,汪文明,杜逐波,楊祥林,孫 云

(安徽工業(yè)大學(xué) 微電子與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院,安徽 馬鞍山 243032)

當(dāng)溫度不太高時(shí),多數(shù)金屬的電阻隨溫度的升高而增大,金屬電阻與溫度的關(guān)系可近似認(rèn)為是線性的,即

Rt=R0(1+αt)=R0+R0αt,

(1)

其中α為電阻溫度系數(shù),Rt、R0分別是t和0 ℃時(shí)金屬的電阻值。根據(jù)(1)式,只要測(cè)出不同溫度下金屬的電阻值,即可得其電阻溫度系數(shù)α。

金屬電阻的溫度系數(shù)測(cè)定是高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本項(xiàng)目之一[1]。待測(cè)金屬為一段漆包銅絲線,由于在溫度0～100 ℃范圍內(nèi)銅絲電阻屬于低值電阻,一般采用水浴法進(jìn)行控溫,并利用雙臂電橋[2]測(cè)量其阻值。因此,精準(zhǔn)控溫是完成實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。

1 溫控裝置

1.1 溫控裝置組成結(jié)構(gòu)

溫控裝置的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照功能可劃分為:1個(gè)主控制單元、3個(gè)控制模塊和1個(gè)溫控腔,如圖2所示。主控單元為STM32F103單片機(jī),有112個(gè)IO接口,512kb的Flash和64kb SRAM存儲(chǔ)容量。3個(gè)控制模塊包括:測(cè)溫模塊、顯示調(diào)節(jié)模塊和控溫模塊。其中測(cè)溫模塊為PT100溫度傳感器[3,4],通過(guò)PT100熱電阻溫度與阻值的變化關(guān)系得出溫度變量,綜合精度±0.5°,溫度采集范圍可以在-25 ℃～+125 ℃。顯示和調(diào)節(jié)模塊為一塊2.8寸電容觸摸液晶顯示屏,由STM32F103RC單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng),可以預(yù)設(shè)溫度值。按下“確認(rèn)”按鍵。顯示屏可顯示鋁塊腔體內(nèi)空氣的當(dāng)前溫度,近似為待測(cè)電阻的溫度,也可以顯示大功率PTC加熱片的實(shí)時(shí)溫度。繼電器作為控溫模塊,根據(jù)溫度傳感器的數(shù)值,執(zhí)行單片機(jī)的溫控程序。

圖1 溫控系統(tǒng)的硬件組成

圖2 溫控系統(tǒng)的控制模塊

1.2 溫控腔

溫控腔為圓形空腔的鋁合金柱體,并配置鋁合金蓋板,外形長(zhǎng)寬高為50 mm×50 mm×70 mm,空腔直徑為30 mm,鋁合金溫場(chǎng)控制腔外四個(gè)側(cè)面分別相對(duì)安裝高功率和低功率PTC加熱片,同時(shí)在高功率PTC外固定一個(gè)測(cè)溫傳感器(見(jiàn)圖3)。蓋板中間打直徑為5 mm圓孔,安裝金屬管,并將溫度傳感器無(wú)接觸管壁的方式固定在管內(nèi),金屬管外均勻密繞待測(cè)金屬絲。

圖3 鋁合金蓋板和溫場(chǎng)控制腔實(shí)物圖

PTC(稱為正溫度系數(shù)熱敏電阻)加熱片內(nèi)核為熱敏電阻(見(jiàn)圖3),阻值隨溫度升高而增大,其功率可調(diào)[5-6]。本實(shí)驗(yàn)中的兩片小功率PTC的升溫功率為45 W,發(fā)熱片維持表面80 ℃恒溫功率降為5 W,兩片大功率PTC的升溫功率為50 W,發(fā)熱片維持表面160 ℃恒溫功率降為15 W。采用高溫PTC加熱片是為了在當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度差很大的能實(shí)現(xiàn)快速升溫,但是當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度較為接近時(shí),改為低溫PTC加熱,在臨近目標(biāo)溫度時(shí)全部斷電,讓溫度緩慢弛豫到溫控點(diǎn)。

1.3 溫控方案

由于溫度場(chǎng)具有弛豫現(xiàn)象,特別是鋁合金熱沉,即使當(dāng)繼電器斷電,其熱量也會(huì)慢慢向腔內(nèi)釋放,導(dǎo)致溫控的穩(wěn)定性變差。假設(shè)t為目標(biāo)溫度,t1為溫控腔內(nèi)的溫度(通過(guò)溫度傳感器1讀取),t2為高溫PTC加熱片的溫度(通過(guò)溫度傳感器2讀取),目標(biāo)溫度t可以在單片機(jī)顯示面板上設(shè)定(見(jiàn)圖4),溫度傳感器1和2的溫度值也可以在單片機(jī)上顯示。實(shí)驗(yàn)方案中采用了如下的程序判斷和執(zhí)行動(dòng)作,如圖5所示。

圖4 單片機(jī)和液晶顯示模塊

圖5 程序流程圖

需要闡明的是,根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)過(guò)程的測(cè)試,本方案條件判斷中的兩個(gè)溫度點(diǎn)設(shè)定為a=7 ℃和b=3 ℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證改進(jìn)效果,利用雙臂電橋?qū)ν环N材質(zhì)的漆包線進(jìn)行水浴法和單片機(jī)溫控法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。每種方法測(cè)量了3次(見(jiàn)表1～2),并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到6次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果(見(jiàn)圖6～11)。實(shí)驗(yàn)中記錄的是電橋平衡時(shí)R外的阻值,它是待測(cè)漆包銅絲阻值的100倍,擬合R外與溫度的直線圖,斜率與截距之比為待測(cè)電阻的溫度系數(shù)。

表1 水浴法測(cè)量數(shù)據(jù)

T/℃

T/℃

T/℃

T/℃

T/℃

T/℃

表2 單片機(jī)溫控法三組測(cè)量數(shù)據(jù)(工作溫差值a=7,b=3)

表3 兩種溫控法的測(cè)量結(jié)果對(duì)比

查閱資料[7]可知軟銅線在0～100 ℃的電阻溫度系數(shù)是0.003 93 ℃,電阻率為0.017 2Ω/mm2,由表3可見(jiàn)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。

3 結(jié)論與展望

水浴法測(cè)量漆包銅絲的電阻溫度系數(shù)為0.004 56/℃,相對(duì)誤差為16.0%,單片機(jī)溫控法的電阻溫度系數(shù)為0.004 01/℃,相對(duì)誤差為2.0%,顯然改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置相對(duì)誤差更小,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,每一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)R2都達(dá)到了0.999以上,說(shuō)明利用單片機(jī)溫控法對(duì)金屬電阻溫度系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)較為成功。