名称：取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪
专利人：张金水
专利号：202520282650.3
技术领域
本发明涉及测温技术领域，尤其是涉及取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪。
背景技术
水银温度计的生产和使用已有上百年的历史，在生产和使用过程中都会带来难以避免的汞污染，以电子技术来取代势在必行。但是精密水银体温计共有一、二等标准，四系列精密温度计、气象、干湿球和石油五大类295种温度规格，若要全面取代，难度非常之大。目前虽有以铂电阻为感温元件制作的高精度数字测温仪，而其售价高达千元，难以普及推广，就在电子产品难以取代条件，近年来竟然有德国优莱博公司推出以蓝色有机填充物来替代汞，制成精密实验室玻璃温度计，有11个系列211种温度规格，来取代也是由于感温更慢，售价高而难以取代，这也从侧面反映出时至今日，电子技术无以为继的无奈之举。
水银温度计的生产和使用都会带来汞污染，特别汞在常温条件下蒸发为汞蒸气极易溶入空气、水和土壤中，以此对人类生存环境带来难以估量的患害，以致世卫组织早在2013年就提出各国签订“水俣公约”，规定2015年-2020年禁止一切水银温度计的生产和使用，由于在此期间无一理想产品可取代而迫使其延长五年至2020-2025年，眼看期限将至，取代形式相当严峻，本专利产品将为履约和环境保护作出一份贡献。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，提供一种取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪，该多功能高精度嵌入式数字温度仪分为两台分辨力为0.01℃的-40℃～120℃和0℃～300℃显示整机；
将不同规格的传感器嵌入于可全量程温度规格的显示整机；
所述多功能高精度嵌入式数字温度仪分包括：显示单元、控制单元、电源、A/D转换单元、NTC加补偿电阻单元；
所述控制单元电连接于所述A/D转换单元、电源；
所述A/D转换单元电连接于所述NTC加补偿电阻单元。
本发明提供的取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪，所述多功能高精度嵌入式数字温度仪所嵌入式温度传感器的量程范围与温度技术指标为：100℃量程控制在±0.5℃、50℃量程控制在±0.1℃、30℃量程控制在±0.03℃、20℃量程控制在±0.02℃、10℃量程控制在量程控制在±0.01℃。
本发明提供的取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪，所述NTC加补偿电阻单元中，NTC温度传感器通过串并联形式逼近热敏电阻的中心值。
本发明提供的取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪，所述NTC加补偿电阻单元的NTC温度传感器可拆卸地安装于显示整机。
本发明提供的取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪，-40℃～120℃显示整机具有五个量程区间，五个量程区间分别为：
-30～60℃的第一量程区间；
20～70℃的第二量程区间；
-20～10℃的第三量程区间；
-10～5℃的第四量程区间；
98.5～101.5℃的第五量程区间。
本发明提供的取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪，0℃～300℃显示整机具有五个量程区间，五个量程区间分别为：
95～175℃的第一量程区间；
173～227℃的第二量程区间；
120～150℃的第三量程区间；
130～145℃的第四量程区间；
195～205℃的第五量程区间。
下面给出热敏电阻±0.05%各档量程经并联电阻补偿后温度误差表：
温度℃ 0 2 5 8 10 温度℃ 0 12 25 37 50
中心值KΩ 155.222 141.346 122.874 106.893 97.464 中心值KΩ 155.222 88.915 49.825 30.001 17.894
最大值KΩ 156.065 142.074 123.456 107.354 97.858 最大值KΩ 156.065 89.250 49.926 30.016 17.931
最大值并联27M 155.168 141.330 122.894 106.929 97.505 最大值并联27M 155.168 88.956 49.834 29.983 17.919
并联后与中心值差 54Ω 16Ω 20Ω 36Ω 41Ω 并联后与中心值差 54Ω 41Ω 9Ω 18Ω 25Ω
每0.1℃差值Ω 704 677 586 507 460 每0.1℃差值Ω 704 417 221 133 71
温度误差℃ 0.0077 0.0024 0.0034 0.007 0.0089 温度误差℃ 0.0077 0.0098 0.004 0.014 0.035
10℃量程最大误差0.0089℃ 50℃量程最大误差0.035℃
温度℃ 0 5 10 15 20 温度℃ 0 25 50 75 100
中心值KΩ 155.222 122.874 97.464 77.569 62.012 中心值KΩ 155.222 89.825 17.894 7.223 3.240
最大值KΩ 156.065 123.456 97.858 77.829 62.178 最大值KΩ 156.065 49.926 17.931 7.257 3.263
最大值并联27M 155.168 122.894 97.505 77.605 62.035 最大值并联27M 155.168 49.834 17.919 7.255 3.263
并联后与中心值差 54Ω 20Ω 41Ω 36Ω 23Ω 并联后与中心值差 54Ω 9Ω 25Ω 32Ω 23Ω
每0.1℃差值Ω 704 586 460 360 281 每0.1℃差值Ω 704 221 71 24 10
温度误差℃ 0.0077 0.0034 0.0089 0.01 0.0082 温度误差℃ 0.0077 0.004 0.035 0.13 0.23
20℃量程最大误差0.0089℃ 100℃量程最大误差0.23℃
温度℃ 0 7 15 22 30
中心值KΩ 155.222 111.964 77.569 56.78 40.336
最大值KΩ 156.065 112.462 77.829 56.918 40.291
最大值并联27M 155.168 111.996 77.605 56.798 40.229
并联后与中心值差 54Ω 32Ω 36Ω 18Ω 5Ω
每0.1℃差值Ω 704 532 360 255 174
温度误差℃ 0.0077 0.006 0.01 0.007 0.003
30℃量程最大误差0.01℃
从上表可以看出，热敏电阻±0.05%在不同量程范围内的温度误差值较小，下面给出热敏电阻±0.05%在不同量程范围内的温度误差对照表：
精密水银温度计 嵌入式数字温度仪 理论计算误差
量程范围（℃） 分度值（℃） 温度误差（℃） 分辨力（℃） 温度误差（℃） 温度误差（℃）
10 0.01 ±0.02 0.01 ±0.01 最大0.0089
20 0.02 ±0.04 0.01 ±0.02 最大0.01
30 0.05 ±0.1 0.01 ±0.03 最大0.01
50 0.1 ±0.2 0.01 ±0.1 最大0.035
100 0.5 ±1 0.01 ±0.5 最大0.23
本发明具有如下有益效果：本发明提供的取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪可以有效取代精密水银体温计，适用范围广泛，成本经济。
附图说明
图1为本发明实施例中取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
本发明的实施方式提供了一种取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪，该多功能高精度嵌入式数字温度仪分为两台分辨力为0.01℃的-40℃～120℃和0℃～300℃显示整机，将不同规格的传感器嵌入于可全量程温度规格的显示整机，这里的传感器为NTC温度传感器。显示方式可分为有线、无线和手机三种，其中任一种显示方式均可包括在这两种显示整机的温度规格范围内来实现对高精度水银温度计的全面取代。
参见图1，所述多功能高精度嵌入式数字温度仪分包括显示单元、控制单元、电源、A/D转换单元、NTC加补偿电阻单元，这里的NTC加补充电阻单元属于本发明的核心部分。本发明所提供的取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪中两台整机采用分量程设置，即一台分辨力为0.01℃的-40℃～120℃的第一显示整机、一台分辨力为0.01℃的0℃～300℃的第二显示整机，通过第一显示整机和第二显示整机有效满足现实需要。
第一显示整机、第二显示整机内部的结构可以参见图1，本发明中显示单元采用LED显示屏，而作为主控中枢的控制模块采用AT89C51单片机，AT89C51单片机可以采用干电池或者锂电池作为电源进行供电，AT89C51单片机连接有A/D转换单元，该AT89C51单片机所连接的A/D转换单元属于现有技术，在此不加以赘述。
值得一提的是，每台显示整机的重要结构之一在于NTC加补偿电阻单元，NTC加补偿电阻单元中，-40℃～120℃显示整机采用上海铭莱电子科技公司的30Kohms 37degc规格的热敏电阻（即NTC温度传感器），而0℃～300℃显示整机采用上海铭莱电子科技公司的MRMF58B104F3950规格的热敏电阻（即NTC温度传感器）。
需要指出的是，所述多功能高精度嵌入式数字温度仪所嵌入式温度传感器的量程范围与温度技术指标（误差）为：100℃量程控制在±0.5℃、50℃量程控制在±0.1℃、30℃量程控制在±0.03℃、20℃量程控制在±0.02℃、10℃量程控制在量程控制在±0.01℃。
本发明提供的取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪，所述NTC加补偿电阻单元中，NTC温度传感器通过串并联形式逼近热敏电阻的中心值。
本发明提供的取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪，所述NTC加补偿电阻单元的NTC温度传感器可拆卸地安装于显示整机。
本发明提供的取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪，-40℃～120℃显示整机具有五个量程区间，五个量程区间分别为：
-30～60℃的第一量程区间，其分度值为1摄氏度；
20～70℃的第二量程区间，其分度值为0.2摄氏度；
-20～10℃的第三量程区间，其分度值为0.1摄氏度；
-10～5℃的第四量程区间，其分度值为0.1摄氏度；
98.5～101.5℃的第五量程区间，其分度值为0.05摄氏度。
本发明提供的取代精密水银温度计的多功能高精度嵌入式数字温度仪，0℃～300℃显示整机具有五个量程区间，五个量程区间分别为：
95～175℃的第一量程区间，其分度值为1摄氏度；
173～227℃的第二量程区间，其分度值为0.2摄氏度；
120～150℃的第三量程区间，其分度值为0.1摄氏度；
130～145℃的第四量程区间，其分度值为0.5摄氏度；
195～205℃的第五量程区间，其分度值为0.1摄氏度。
通过上述内容可以发现通过两台显示整机各自分为五个量程区间，可以有效满足商业需要，两台显示整机能够取代精密水银温度计信息如下：
-40～120℃显示整机取代精密水银体温计（石油）
量程 型号 名称 测温范围 分度值 量程
100℃ GB30 凝点 -30～60℃ 1℃ 90℃
50℃ 49C 粘度 20～70℃ 0.2℃ 50℃
30℃ 89C 固化点用 -20～10℃ 0.1℃ 30℃
20℃ 52C 丁烯沸点 -10～5℃ 0.1℃ 15℃
10℃ 121C 运动粘度 98.5～101.5℃ 0.05℃ 3℃
-30～300℃显示整机取代精密水银体温计（石油）
量程 型号 名称 测温范围 分度值 量程
100℃ 86C 油箱出口温度 95～175℃ 1℃ 80℃
50℃ 104C 溶剂蒸馏 173～227℃ 0.2℃ 54℃
30℃ 96C 固化点用 120～150℃ 0.1℃ 30℃
20℃ GB63 热安定性强 130～145℃ 0.5℃ 15℃
10℃ GB64 氧化安定性强 195～205℃ 0.1℃ 10℃
下面给出10℃量程大于中心值经并联电阻后温度误差数值表1。
表1 10℃量程大于中心值经并联电阻后温度误差数值表
℃ 35 36 37 38 39
中心值 32.582 31.261 30.000 28.797 27.648
-0.5%阻值 32.772 31.430 30.150 28.952 27.809
并联6M阻值 32.594 31.266 30.000 28.813 27.681
与中心值差 大12Ω 大5Ω 30.000 大16Ω 大33Ω
每1℃阻值差Ω 1321Ω 1261Ω 1203Ω 1149Ω 1100Ω
温度误差℃ 0.009℃ 0.004℃ 0 0.014 0.03
下面给出10℃量程小于中心值经串联电阻补偿后误差数值表2。
表2 10℃量程小于中心值经串联电阻补偿后误差数值表
℃ 35 36 37 38 39
中心值 32.582 31.261 30.000 28.797 27.648
+0.5%阻值 32.393 31.092 29.850 28.641 27.487
并联150Ω阻值 32.543 31.242 30.000 28.791 27.637
与中心值差 小39Ω 小19Ω 0 小6Ω 小11Ω
每1℃阻值差Ω 1321Ω 1261Ω 1203Ω 1149Ω 1100Ω
温度误差℃ 0.03℃ 0.015℃ 0 0.005 0.01
以上均为±5%热敏电阻经补偿后的误差，而目前市场均可提供±0.05%热敏电阻即从原来37℃±150Ω，缩小到±15Ω，也就是温度误差可缩小十倍，均能超越精密水银测温计的误差。
下面给出100℃量程大于中心值经并联电阻后温度误差表3。
表3 100℃量程大于中心值经并联电阻后温度误差数值表（±0.5℃）
℃ -20 0 20 40 60
中心值kΩ 487.328 163.317 62.413 26.551 12.344
-0.5%阻值 503.610 166.939 63.187 26.716 12.516
并联8MK阻值KΩ 473.785 163.527 62.688 26.627 12.496
并联后与中心值差Ω 大13543Ω 大210Ω 大278Ω 大76Ω 大152Ω
每1℃阻值差Ω 29434Ω 8600Ω 2898Ω 1077Ω 458Ω
温度误差℃ 0.46℃ 0.02℃ 0.1℃ 0.07℃ 0.33℃
下面给出100℃量程小于中心值经串联电阻补偿后误差数值表4。
表4 100℃量程小于中心值经串联电阻补偿后误差数值表（±0.5℃）
℃ -20 0 20 40 60
中心值 487.328 163.317 62.413 26.551 12.344
+0.5%阻值 471.560 159.770 61.648 26.386 12.174
并联170Ω阻值 471.730 159.940 61.818 26.216 12.344
串联后与中心值差Ω 小15598 小3377 小595 小335 0
每1℃阻值差Ω 29435 8600 2898 1077 458
温度误差℃ 0.53 0.39 0.21 0.31 ±0
作为本发明所涉及的品种和规格如下：整机技术指标-40-125℃，分辨力0.01℃，嵌入不同量程和规格的传感器可取代相对应的精密水银体温计，共计为75种（石油），能取代的规格、量程范围和误差如下：
100℃量程范围 ±0.5℃ 可取代12种
50℃量程范围 ±0.1℃ 可取代14种
30℃量程范围 ±0.03℃ 可取代11种 石油产品
20℃量程范围 ±0.02℃ 可取代5种 试验用
10℃量程范围 ±0.01℃ 可取代33种
以上总计75种（核对这里到底是74还是75，发过来的图片资料记载的是74，实际加总用是75）。
100℃量程
型号 名称 测温范围 分度值 量程 型号 名称 温度范围 分度值 量程
15C 低软化点 -2-80℃ 0.2℃ 82 GB7 恩氏黏度2号 50-110℃ 0.5℃ 60
33C 低苯胺点 -38-42℃ 0.2℃ 80 GB56 破乳化 -1-105℃ 0.5℃ 106
34C 甲苯胺点 25-105℃ 0.2℃ 80 GB69 石蜡含油量 -37-26℃ 0.5℃ 63
57C 闭口泰克试验器 -2050℃ 0.5℃ 70 GB71 油罐温度1号 -34-52℃ 0.5℃ 86
136C -20-60℃ 0.2℃ 80 GB72 油罐温度2号 -16-82℃ 0.2℃ 98
GB6 恩氏黏度1号 0-60 0.5℃ 60 GB74 苯胺点1号 -38-42℃ 80
50℃量程
型号 名称 测温范围 分度值 量程 型号 名称 温度范围 分度值 量程
14C 石蜡熔点 38-82℃ 0.1℃ 44 71C 石蜡含油量 -37-21℃ 0.5℃ 58
37C 溶剂蒸馏 -2-52℃ 0.2℃ 54 83C 发动机空气温度 15-70℃ 1℃ 55
38C 溶剂蒸馏 24-78℃ 0.2℃ 54 84C 油箱出口温度 25-80℃ 1℃ 55
39C 粘度 48-102℃ 0.2℃ 54 123C -35 -35-25℃ 0.1℃ 60
49C 精密温度计 20-70℃ 0.2℃ 50 124C -25-15℃ 0.1℃ 40
62C 精密温度计 -38-2℃ 0.1℃ 40 133C -38-2℃ 0.1℃ 40
63C
精密温度计 -8-32℃ 0.1℃ 40 135C 38-93℃ 0.1℃ 55
30℃量程
型号 名称 测温范围 分度值 量程 型号 名称 温度范围 分度值 量程
64C 精密温度计 25-55℃ 0.1℃ 30 93C 固化点用 60-90℃ 0.1℃ 30
89C 固化点用 -20-10℃ 0.1℃ 30 94C 固化点用 80-110℃ 0.1℃ 30
90C 固化点用 0-30℃ 0.1℃ 30 BG55 蒸汽压2号 40-70℃ 0.1℃ 30
91C 固化点用 20-50℃ 0.1℃ 30 BG65 密度1号 -5-25℃ 0.1℃ 30
92C 固化点用 40-70℃ 0.1℃ 30 BG66 密度2号 20-45℃ 0.1℃ 25
BG67 密度3号 40-65℃ 0.1℃ 25
20℃量程
型号 名称 测温范围 分度值 量程 型号 名称 温度范围 分度值 量程
56C 弹式量热计 19-35℃ 0.02℃ 16 BG8 沥青恩氏黏度 10-27℃ 0.1℃ 17
125C -15-5℃ 0.1℃ 20 BG57 氧化特性1号 80-100℃ 0.1℃ 20
52C 丁烯沸点 -10-5℃ 0.1℃ 15
10℃量程
型号 名称 测温范围（℃） 分度值（℃） 量程 型号 名称 温度范围（℃） 分度值（℃） 量程
17C 富氏年度 19-27 0.1 8 121C 运动粘度 98.5-101.5 0.05 3
18C 富氏年度 34-42 0.1 8 126C -27- -246 0.05 2.8
19C 富氏年度 49-57 0.1 8 127C -21.4- -18.6 0.05 2.8
20C 富氏年度 57-65 0.1 8 128C -11.1- -1.4 0.05 10
21C 富氏年度 79-87 0.1 8 129C 91.6-94.4 0.1 2.8
22C 氧化稳定性 95-103 0.1 8 GB9 运动粘度1号 98-102 0.1 4
23C 恩氏黏度 18-28 0.2 10 GB10 运动粘度2号 78-82 0.1 4
24C 恩氏黏度 39-54 0.2 15 GB11 运动粘度3号 48-52 0.1 4
25C 恩氏黏度 95-105 0.2 10 GB12 运动粘度4号 38-42 0.1 4
44C 运动粘度 18.5-21.5 0.05 3 GB13 运动粘度5号 18-22 0.1 4
45C 运动粘度 23.6-26.4 0.05 2.8 GB14 运动粘度6号 -2-+2 0.1 4
46C 运动粘度 48.6-51.4 0.05 2.8 GB15 运动粘度7号 -22- -16 0.1 4
47C 运动粘度 58.6-51.4 0.05 2.8 GB16 运动粘度8号 -32- -28 0.1 4
112C 苯结晶点 4-6 0.02 2 GB54 蒸气压1号 34-42 0.1 8
117C 氧弹热量计 23.9-30.1 0.01 7.2 GB60 氧化安定性2号 95-103 0.1 8
118C 运动粘度 28.6-31.4 0.05 2.8
119C 阻冻剂凝固点 -38— -30 0.1 8.3
120C 运动粘度 38.5-41.5 0.05 3
下面给出石油实验用18C恩氏黏度34-40℃经串并联温度误差表：
各温度点0.1℃差Ω 145Ω 139Ω 132Ω 126Ω 120Ω 115Ω 110Ω 105Ω 100Ω
℃ 34 35 36 37 38 39 40 41 42
+0.5%值KΩ 33.755 32.393 31.092 29.850 28.641 27.487 26.385 25.338 24.329
+0.5%中心值差Ω 小212Ω 189 169 150 156 161 166 165 172
温度误0.12差℃ 0.15 0.14 0.13 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.11
+0.5%串联172Ω值 33.929 32.567 31.266 30.024 28.815 27.661 26.559 25.512 24.503
串联后与中心值差Ω 小38Ω 小15Ω 大5Ω 大24Ω 大18Ω 大13Ω 大8Ω 大9Ω 大2Ω
温度误差℃ 0.026℃ 0.01℃ 0.004℃ 0.019℃ 0.015℃ 0.011℃ 0.007℃ 0.009℃ 0.002℃
以上为偏离中心值+0.5%热敏电阻经串联174Ω后温度误差从0.11-0.15℃下降到0.011-0.026℃
-0.5%值KΩ 34.179 32.772 31.430 30.150 28.952 27.809 26.716 25.672 24.674
-0.5%与中心值差 大212Ω 190Ω 169Ω 150Ω 155Ω 161Ω 165Ω 169Ω 173Ω
温度误差℃ 0.15 0.14 0.13 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17
-0.5%并联4300KΩ 33.910 32.524 31.430 29.940 28.758 27.630 26.551 21.520 24.533
并联后与中心值差Ω 小57 小58 31.202 小60 小39 小18 0 大17 大32
温度误差℃ 0.039 0.042 小 0.047 0.033 0.016 0 0.016 0.03
以上为偏离中心值-0.5%热敏电阻经并联4300KΩ后温度误差从0.12-0.17下降到0-0.0047℃
通过上表可知，通过相对应的串、并联电阻来逼近中心值，使得误差缩小，上表是±0.5%离散型可以通过精细化分档使37℃时30KΩ±150Ω缩小到±15Ω，则误差可缩小十倍，该方法与其他规格都是相通的。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。