專利名稱：水銀電容式溫度傳感器及其測量電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電子產(chǎn)品類，是一種測量溫度的傳感器及其測量電路。
背景技術：
現(xiàn)在市場上的數(shù)字式溫度測量儀，其溫度傳感器有四種，分別是熱電 阻、熱敏電阻、熱電偶、集成溫度傳感器，水銀表具有穩(wěn)定的測量溫度性能，但無法做成數(shù)字 式溫度測量儀的傳感器。本發(fā)明的目的是解決這個問題。發(fā)明申請內(nèi)容本發(fā)明是一種水銀電容式溫度傳感器及其測量電路，簡稱水銀電容式溫度測量儀，水銀溫度計中，底部有一個裝水銀的玻璃水銀罐，水銀罐上面延伸一根玻璃空心管，當 溫度升高時，水銀膨脹，沿空心管的空心上升，水銀柱的高度與溫度成對應關系，本發(fā)明的 特征是將水銀溫度計做成電容式結(jié)構(gòu)；水銀溫度計空心管Ca外面包一層金屬箔Cd ；水銀 罐B2有金屬部分B3，該金屬部分B3使水銀罐中的水銀柱Cc與外面的導線E2連通，使水 銀柱Cc與空心管Ca以及外包的金屬箔Cd構(gòu)成一個電容器CT，簡稱水銀電容器，符號和容 量均用Cj表示；當溫度升高時，水銀柱Cc升高，則水銀電容器Cj的有效面積變大，電容容量 C/變大；當溫度降低時，水銀柱Cc降低，則水銀電容器的有效面積變小，水銀電容容量C/變 小；用測量電容的電路將電容容量大小轉(zhuǎn)換成電壓量、的大小，以下將、命名為電容電 壓量；實施例1 數(shù)字式水銀電容溫度測量儀，圖1和圖2。①、水銀電容器的原理有一個水銀電容器Ct，水銀電容器C底部有一個裝水銀的 水銀罐B2，水銀罐B2上面有一個可以讓水銀柱Cc上升的空心管Ca，空心管Ca頂部有一個 容納空氣的空氣罐Bi，上述水銀罐B2、空心管Ca和空氣罐Bl三者內(nèi)部是連通的，當溫度升 高時，水銀膨脹，水銀柱Cc沿空心管Ca的空心Cb上升，水銀柱Cc的高度與溫度成對應關 系；當空心管Ca中水銀柱Cc上升或下降時，空氣罐Bl納入或吐出空氣，可使溫度計內(nèi)的氣 壓減小波動幅度。水銀溫度計空心管Ca外面包一層金屬箔Cd ；水銀罐B2有金屬部分B3，該金屬部 分B3使水銀罐中的水銀柱Cc與外面的導線E2連通，使水銀柱Cc與空心管Ca以及外包的 金屬箔Cd構(gòu)成一個電容器Cj，簡稱水銀電容器，符號和容量均用Cj表示；當溫度升高時，水 銀柱Cc升高，則水銀電容器Cj的有效面積變大，電容容量Cj變大；當溫度降低時，水銀柱 Cc降低，則水銀電容器的有效面積變小，水銀電容容量Ct變??；上述水銀罐B2、空心管Ca的幾何尺寸參照普通水銀溫度計確定。②、測量電容器容量的工作原理測量電容器容量的電路JFQ為積分電路；稱測量 電容積分電路JFQ，以下簡稱積分電路，將被測的水銀電容器Cj作為積分電容從集成運算放 大器AJl的反相輸入端Ea和輸出端Eb兩處接入積分電路JFQ中，積分電路的積分關系式
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始指令下達時，一次測量包括以下步驟(1)、充當計時作用的計數(shù)器JSQ向放電開關S2開 關指令端K2發(fā)出點通(通一下，斷開)放電開關S2指令，S卩，接通放電開關S2將水銀電容 器&放電完成后，再斷開放電開關S2，接通的時間為3 8倍時間常數(shù)； (2)、充當計時作用的計數(shù)器JSQ向Sl開關指令端Kl發(fā)出接通積分開關Sl指令，令積分器開始積分； (3)、計數(shù)器JSQ通過統(tǒng)計脈沖個數(shù)開始計時，固定脈沖個數(shù)就固定了積分時間，積分時間 從O到T后，得到積分電容器Cj兩邊的積分電壓值 ；⑷、這時，計數(shù)器JSQ向Sl開關指 令端Kl發(fā)出截斷積分開關Sl指令，同時，還向采樣開關S3開關指令端K3發(fā)出點通(通一 下，斷開)采樣開關S3的指令，積分電容器C^兩邊的積分電壓 值被采樣電容C2采集； (5)、采樣保持器BCQ維持采樣電容C2的電壓，使保持器電壓vb。等于積分電壓Vjf ； (6)、將 保持器電壓Vbc輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量Dbc。③、積分電壓與溫度的關系將積分時間t固定為T，積分關系式就簡化為與
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RjCj成反比的關系式 =--^r，積分電容器Cj兩邊的積分電壓 值與被測電容器容量
G大小成反比；反過來，根據(jù)電壓^^值的大小即可知道積分電容器Ct的容量大小，由積分 電容器Ct的容量大小又可知道水銀柱的高度，從而知道溫度。④、模數(shù)轉(zhuǎn)換工作原理這是已有技術，不進行詳細介紹，僅指出圖2中是將電容 電壓Vjf輸入保持器，成為保持器電壓Vbc，輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量Dbc，再 送到數(shù)碼顯示器SMXS中顯示。實施例2 多檔位數(shù)字式水銀電容溫度測量儀，圖1和圖3。在實施例1的基礎上，增加了以下內(nèi)容⑤、本實施例中，調(diào)節(jié)所述積分電路的圖3中，畫了四路多路開關DLKG，由兩位控 制信號IA1控制，實際電路可以是2路、4路、8路、16路多路開關DLKG，構(gòu)成多檔位的檔位 電阻，分別由1位、2位、3位、4位控制信號進行控制，控制信號由檔位計數(shù)器DWJS的計數(shù)信 號經(jīng)過編碼器BM編碼后發(fā)出；⑥、積分電路調(diào)節(jié)量程的原理圖3中僅畫出四檔位(即Rl、R2、R3、R4構(gòu)成的四 檔)，實際應用可以為任意整數(shù)個檔位的量程(即R1、R2、…構(gòu)成的多檔)。積分電阻Rt在附圖上并沒有畫出，因為Rt并不是一個單獨的電阻，而是選擇等于 所有檔位電阻R1、R2、R3……中的某一個，而R1、R2、R3……具有不同的檔位，稱檔位電阻，設 定Rl < R2 < R3……，通過多路開關DLKG，可以令&分別等于R1、R2、R3……，即調(diào)節(jié)積分 電阻Rt的檔位，就可以實現(xiàn)對積分時間常數(shù)的檔位選擇，以調(diào)節(jié)積分電路的量程；RT*CT為 時間常數(shù)，Rj越大則時間常數(shù)越大，向C^充電時間越長；假設Rj調(diào)節(jié)以十進制為檔位，令1000*R1 = 100*R2 = 10*R3 = R4，Vbc的范圍為 (0 Vmax)，將其劃分為 11 等分，記為(0、V1F、V2F、V3F、……、V9F、VAF、VBF = Vmax)，其中，Vif 和Vaf分別稱為“下門坎值”和“上門坎值”，當Vbc < Vif時，Vbc電壓值太小，Rj就下調(diào)一 個檔位，重新測量后，會加大Vbc電壓值；當Vbc > Vaf時，Vbc電壓值太大，&就上調(diào)一個 檔位，重新測量后，會減小Vbc電壓值。例如，首先假定Rj = R2，當Vbc < Vif時，就下調(diào)一
VrT
個檔位以減小量程，令& = R1，根據(jù)"1V可知，Rt減小導致、變大，Vbc =、，所
以Vbc值就會變大；同樣，當Vbc > Vaf時，就上調(diào)一個檔位以加大量程，令Rj = R3，Vbc值 就會變??；⑦、調(diào)節(jié)積分電阻Rj檔位的邏輯步驟(1)、將保持器電壓Vbc輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量Dbc，將與Vbc的下門坎值Vif相對應的數(shù)字量定義為Dif ’與Vbc的上門坎值Vaf相對應的數(shù)字量定義為Daf ；
(2)、將模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC輸出的值送到門坎比較器MKBJ中進行比較，輸出數(shù)字量有 三種情況，其一是Dif < Dbc < Daf，Dbc在上下門坎值之間，測量有效；其二是Dbc > Daf, Dbc 超出上門坎值，測量無效，向檔位計數(shù)器DWJS發(fā)出加大檔位信號，并且發(fā)出重新測量指令； 其三是Dbc < Dif，Dbc低于下門坎值，測量無效，向檔位計數(shù)器DWJS發(fā)出減小檔位信號，并 且發(fā)出重新測量指令； (3)、檔位計數(shù)器DWJS是一個可逆計數(shù)器，有一個遞增計數(shù)輸入端CP+和一個遞減 計數(shù)輸入端CP_ ；門坎比較器MKBJ向檔位計數(shù)器DWJS發(fā)出加大檔位信號時，從遞增計數(shù)輸 入端CP+輸入；發(fā)出減小檔位信號時，從遞減計數(shù)輸入端CP_輸入；(4)、檔位計數(shù)器DWJS的計數(shù)值經(jīng)過編碼器BM得到編碼ApAp……，編碼對兩個 地方進行控制，第一是對多路開關DLKG進行檔位調(diào)節(jié)控制；第二是在新的測量后，模數(shù)轉(zhuǎn) 換器ADC將數(shù)字量Df送到數(shù)碼顯示器SMXS時，編碼也送到數(shù)碼顯示器SMXS，對量程和顯示 數(shù)字的小數(shù)點位置進行控制；實施例3 將上述積分電容器Ct由水銀電容改為電容式濕度傳感器后，上述測量 電容的積分電路就由數(shù)字式水銀溫度測量儀變成了數(shù)字式濕度測量儀。實施例4 將上述積分電容器Ct由水銀電容改為普通電容后，上述測量電容的積 分電路就由數(shù)字式水銀溫度測量儀變成了數(shù)字式普通電容測量儀。實施例5 水銀電容的結(jié)構(gòu)之一是水銀電容式溫度計的空心管和空氣罐采用非 金屬的硬性材料，將水銀罐用金屬做成，水銀罐與空心管粘接密封成一個整體。


圖1—水銀電容器Cj的剖面圖與積分電路JFQ、采樣保持器BCQ、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 的框圖。JFQ——測量電容積分電路，簡稱積分電路；BCQ——采樣保持器；ADC——模數(shù)轉(zhuǎn) 換器；Bl——空氣罐；B2——水銀罐；B3——水銀罐金屬部分；Ca——空心管；Cb——空心； Cc——水銀柱；Cd——水銀溫度計空心管Ca外面包的一層金屬箔，簡稱金屬箔，圖1中表現(xiàn) 的是金屬箔的一個剖面圖；Dbc——；El——金屬箔的引出導線，簡稱金屬箔導線；E2——7jC 銀柱的引出導線，簡稱水銀柱導線；Ea——金屬箔導線在積分電路中的接入點；Eb——水銀 柱導線在積分電路中的接入點；Vjf——積分電路的輸出電壓；Vbc——采樣保持器的輸出 電壓；Dbc——模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量；；圖2——數(shù)字式水銀電容溫度測量儀。JFQ(虛線框中)、BCQ(虛線框中)、ADC、 Dbc、El、E2、Ea、Eb、Vjf、Vbc, Dbc、與圖1標號相同；VK——標準電壓；Cj——水銀電容器， 水銀電容器符號和容量均用G表示，由水銀柱Cc與空心管Ca以及外包的金屬箔Cd構(gòu)成 的一個電容器；Cbc——采樣保持器的采樣電容器；Kl——Sl開關指令端；K2——S2開關指 令端；K3——S3開關指令端；Sl——積分開關；S2——放電開關；S3——采樣開關；Ajl—— 積分器集成運放；Aj2——采樣保持器采樣集成運放；Aj3——采樣保持器保持集成運放； SMXS——數(shù)碼顯示器；RT——積分電阻；Rp——積分器接地電阻；Rg——積分電容放電電 阻；圖3——多檔位數(shù)字式水銀電容溫度測量儀。在圖2的基礎上增加了以下符號 Rl——第一檔電阻；R2——第二檔電阻；R3——第三檔電阻；R4——第四檔電阻；DLKG——多路開關；MKBJ——門坎比較器；DWJS——檔位計數(shù)器；BM——編碼器；AO——編碼第0位；
Al——編碼第1位；CP_——遞減計數(shù)輸入端；CP+——遞增計數(shù)輸入端； 效果將水銀表做成了數(shù)字式溫度測量儀的傳感器，并且有了積分電路的電容測量儀。
權利要求
一種水銀電容式溫度傳感器及其測量電路，簡稱水銀電容式溫度計，水銀溫度計中，底部有一個裝水銀的玻璃水銀罐，水銀罐上面延伸一根玻璃空心管，當溫度升高時，水銀膨脹，沿空心管的空心上升，水銀柱的高度與溫度成對應關系，本發(fā)明的特征是將水銀溫度計做成電容式結(jié)構(gòu)；水銀溫度計空心管外面包一層金屬箔；水銀罐有金屬部分，該金屬部分使水銀罐中的水銀柱與外面的導線連通，使水銀柱與空心管以及外包的金屬箔構(gòu)成一個電容器，簡稱水銀電容器；當溫度升高時，水銀柱升高，則水銀電容器的有效面積變大，電容容量變大；當溫度降低時，水銀柱降低，則水銀電容器的有效面積變小，水銀電容容量變??；用測量電容的電路將電容容量大小轉(zhuǎn)換成電壓量的大小。
2.根據(jù)權利要求1所述的水銀電容式溫度傳感器及其測量電路，其進一步的特征是 有一個水銀電容器，水銀電容器底部有一個裝水銀的水銀罐，水銀罐上面有一個可以讓水 銀柱上升的空心管，空心管頂部有一個容納空氣的空氣罐，上述水銀罐、空心管和空氣罐三 者內(nèi)部是連通的，當溫度升高時，水銀膨脹，水銀柱沿空心管的空心上升，水銀柱的高度與 溫度成對應關系；當空心管中水銀柱上升或下降時，空氣罐納入或吐出空氣，可使溫度計內(nèi) 的氣壓減小波動幅度。
3.根據(jù)權利要求1所述的水銀電容式溫度傳感器及其測量電路，其進一步的特征是 測量電容器容量的電路為積分電路；將被測的水銀電容器作為積分電容從集成運算放大器 的反相輸入端和輸出端兩處接入積分電路中，令積分電路式中的反相輸入端輸入標準電壓 并固定。測量電容開始指令下達時，一次測量包括以下步驟(1)、充當計時作用的計數(shù)器向 放電開關開關指令端發(fā)出點通放電開關指令，即，接通放電開關將水銀電容器放電完成后， 再斷開放電開關，接通的時間為3 8倍時間常數(shù)；(2)、充當計時作用的計數(shù)器向開關指令 端發(fā)出接通積分開關指令，令積分器開始積分；(3)、計數(shù)器通過統(tǒng)計脈沖個數(shù)開始計時，固 定脈沖個數(shù)就固定了積分時間，積分時間從O到T后，得到積分電容器兩邊的積分電壓值； (4)、這時，計數(shù)器向開關指令端發(fā)出截斷積分開關指令，同時，還向采樣開關開關指令端發(fā) 出點通采樣開關的指令，積分電容器兩邊的積分電壓值被采樣電容采集；(5)、采樣保持器 維持采樣電容的電壓，使保持器電壓等于積分電壓；(6)、將保持器電壓輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器后， 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。根據(jù)電壓值的大小即可知道積分電容器的容量大小，由積分電容器的容量大小又可知 道水銀柱的高度，從而知道溫度。
4.根據(jù)權利要求1所述的水銀電容式溫度傳感器及其測量電路，其進一步的特征是 將電容電壓輸入保持器，成為保持器電壓，輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送到數(shù)碼 顯示器中顯示。
5.根據(jù)權利要求1和權利要求3所述的水銀電容式溫度傳感器及其測量電路，其進一 步的特征是積分電路調(diào)節(jié)量程的原理，實際應用可以為任意整數(shù)個檔位的量程；積分電阻并不是一個單獨的電阻，而是選擇等于所有檔位電阻中的某一個，通過多路 開關，調(diào)節(jié)積分電阻的檔位，就可以實現(xiàn)對積分時間常數(shù)的檔位選擇，以調(diào)節(jié)積分電路的量程。
6.根據(jù)權利要求1所述的水銀電容式溫度傳感器及其測量電路，其進一步的特征是 調(diào)節(jié)所述積分電路的積分電阻的檔位選擇開關為模擬多路開關。
7.根據(jù)權利要求1所述的水銀電容式溫度傳感器及其測量電路，其進一步的特征是調(diào)節(jié)積分電阻檔位的邏輯步驟(1)、將保持器電壓輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；(2)、將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的值送到門坎比較器中進行比較，輸出數(shù)字量有三種情況，其一是在上下門坎值之間，測量有效；其二是超出上門坎值，測量無效，向檔位計數(shù)器發(fā)出加 大檔位信號，并且發(fā)出重新測量指令；其三是低于下門坎值，測量無效，向檔位計數(shù)器發(fā)出 減小檔位信號，并且發(fā)出重新測量指令；(3)、檔位計數(shù)器是一個可逆計數(shù)器，有一個遞增計數(shù)輸入端和一個遞減計數(shù)輸入端； 門坎比較器向檔位計數(shù)器發(fā)出加大檔位信號時，從遞增計數(shù)輸入端輸入；發(fā)出減小檔位信 號時，從遞減計數(shù)輸入端輸入；(4)、檔位計數(shù)器DWJS的計數(shù)值經(jīng)過編碼器得到編碼，編碼對兩個地方進行控制，第一 是對多路開關進行檔位調(diào)節(jié)控制；第二是在新的測量后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量送到數(shù)碼顯 示器時，編碼也送到數(shù)碼顯示器，對量程和顯示數(shù)字的小數(shù)點位置進行控制。
8.根據(jù)權利要求1所述的水銀電容式溫度傳感器及其測量電路，其進一步的特征是 將上述積分電容器由水銀電容改為電容式濕度傳感器后，上述測量電容的積分電路就由數(shù) 字式水銀溫度測量儀變成了數(shù)字式濕度測量儀。
9.根據(jù)權利要求1所述的水銀電容式溫度傳感器及其測量電路，其進一步的特征是 將上述積分電容器由水銀電容改為普通電容后，上述測量電容的積分電路就由數(shù)字式水銀 溫度測量儀變成了數(shù)字式普通電容測量儀。
10.根據(jù)權利要求1所述的水銀電容式溫度傳感器及其測量電路，其進一步的特征是 水銀電容式溫度計的空心管和空氣罐采用非金屬的硬性材料，將水銀罐用金屬做成，水銀 罐與空心管粘接密封成一個整體。上述水銀罐、空心管的幾何尺寸參照普通水銀溫度計確 定。
全文摘要
一種水銀電容式溫度傳感器及其測量電路，將水銀溫度計做成電容式結(jié)構(gòu)；水銀溫度計空心管Ca外面包一層金屬箔Cd；水銀罐B2有金屬部分B3，該金屬部分B3使水銀罐中的水銀柱Cc與外面的導線E2連通，使水銀柱Cc與空心管Ca以及外包的金屬箔Cd構(gòu)成一個電容器CJ；當溫度變化時，水銀柱Cc變化，則水銀電容器CJ的有效面積變化，電容容量CJ變化；用積分電路將電容容量大小轉(zhuǎn)換成電壓量Vjf的大小。
文檔編號G01K5/02GK101813527SQ20091004269
公開日2010年8月25日 申請日期2009年2月23日 優(yōu)先權日2009年2月23日
發(fā)明者陳啟星 申請人:陳啟星