熱電偶溫度測量實(shí)驗(yàn)

內(nèi)燃機(jī)測試技術(shù)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)熱電偶溫度測量試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)類型：基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)對象：本科生一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.了解熱電偶溫度測量基本原理。2.了解熱電偶的溫度特性。3.了解熱電偶的不同封裝型式和使用特點(diǎn)。4.掌握熱電偶溫度測量電路實(shí)現(xiàn)和關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算。二．實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)備說明1.熱電偶溫度測量基本原理熱電偶是一種感溫元件，是一次儀表。它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號,通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí),回路中就會有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系,制成熱電偶分度表;分度表是自由端溫度在0℃時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時(shí)，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度，對于熱電偶的熱電勢，應(yīng)注意如下幾個(gè)問題：1：熱電偶的熱電勢是熱電偶工端的兩端溫度作函數(shù)的差，而不是熱電偶冷端與工端，兩端溫度作差的函數(shù)；2：熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時(shí)，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)；3：當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這進(jìn)熱電偶的熱電勢僅是工端溫度的作單值函數(shù)。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表

的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)1所示。類型熱電極材料正極熱電極材料負(fù)極溫度范圍（℃）一設(shè)計(jì)型熱電偶。常用熱電偶類型，材料和測量范圍如表S鉑銠合10%）金（銠含量純鉑0～1400RB鉑銠合金（銠含量純鉑13%）0～1400鉑銠合30%）鎳鉻金（銠含量鉑銠合金（銠含量0～14006%）鎳硅銅鎳銅鎳鎳硅銅鎳KTJNE－200～1000純銅－200～300－200～600－200～1200－200～700鐵鎳鉻硅鎳鉻表1常用熱電偶類型參數(shù)表2.熱電偶溫度特性熱電偶由于熱電極材料的不同，因此溫度系數(shù)和測量范圍也不同，常用熱電偶類型的溫度測量曲線如圖1所示。圖1常用熱電偶溫度特性曲線3.熱電偶封裝形式和使用特點(diǎn)按照熱電偶的組成結(jié)構(gòu)分為熱電偶測溫導(dǎo)線、鎧裝熱電偶、裝配式熱電偶。3.1熱電偶測溫導(dǎo)線用外帶絕的熱電偶緣絲材焊接而成，是測溫產(chǎn)品里結(jié)構(gòu)最為簡單的一種，響應(yīng)速度極快。表2為常用熱電偶測溫導(dǎo)線類型。表2常用熱電偶測溫導(dǎo)線3.2鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)原理是：由熱電偶絲、高純氧化鎂和不銹鋼保護(hù)管經(jīng)多次復(fù)合一體拉制而成,具有能彎曲、耐高壓、耐震動、熱響應(yīng)時(shí)間快和堅(jiān)固耐用等許多優(yōu)點(diǎn)，可以直接測量各種生產(chǎn)過程中0～800℃范圍內(nèi)的液體、氣體介質(zhì)以及固體表面的溫度。圖2是常用鎧裝熱電偶的類型和特點(diǎn)。圖2鎧裝熱電偶封裝和特性3.3裝配式熱電偶裝配式熱電偶主要由接線盒、保護(hù)管、絕緣套管、接線端子、熱電極組成基本結(jié)構(gòu)，并配以各種安裝固定裝置組成。圖3為裝配型熱電偶外觀圖。圖3裝配型熱電偶4.熱電偶溫度測量電路的實(shí)現(xiàn)和關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算由于熱電偶的基本原理是熱電勢，熱電勢的信號非常小，一般情況下，全量程輸出信號在幾十mV左右，溫度系數(shù)在幾十μV／℃左右，因此熱電偶的測量一般采用儀表運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)。儀表運(yùn)放的特點(diǎn)是在普通運(yùn)放的基礎(chǔ)上，內(nèi)阻更大，放大倍數(shù)更大，同時(shí)放大倍數(shù)可以靈活匹配，而且可以處理較大范圍的共模信號。熱電偶溫度測量的另外一個(gè)問題就是冷端補(bǔ)償問題，因?yàn)闊犭娕驾敵鲭妱轂槔涠撕蜔岫藷犭妱葜?，上面的溫度分度表中的?shù)據(jù)是在冷端為0℃的情況0℃，真正的溫度。冷端補(bǔ)償?shù)姆绞胶芏?，有恒流源和恒壓源以及環(huán)境直接補(bǔ)償?shù)确绞?。本試?yàn)中采用環(huán)境溫度直接補(bǔ)償方式。本次試驗(yàn)采用的熱電偶為K型熱電偶，溫度系數(shù)下測量的，而在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中，冷端并不是絕對的因此必須加上冷端的信號補(bǔ)償，最終才能得到真正的熱端電勢，從而計(jì)算出為39.4μV／℃。本試驗(yàn)采用的測量原理圖如圖4所示。圖4熱電偶溫度測量電路關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算如下：TL431為電壓基準(zhǔn)源，輸出為2.5V，這里主要為熱電偶輸入端上拉使用，2運(yùn)放集成的MC33202；運(yùn)放采用了熱電偶正端和負(fù)端分別通過上拉電阻和電容濾波，然后送到第一級的運(yùn)放中，設(shè)定熱端電勢為V，冷端電勢為V，則運(yùn)放R中間的電流I為：HC8I=（VH-V）／R;CU為差分運(yùn)放，其正負(fù)輸入端壓差：2B8運(yùn)放V＝（R+R+R）I，其中R=R,故8910910V＝（1+2R／R）(V-V)98HCU的V為TC1047的輸出，故可以得出最終的輸出電壓：2Bref而運(yùn)放V=V+（1+2R／R）(V-V)oTC104798HC而TC1047的信號輸出為：V=10mv.t＋500mv，其中，t為環(huán)境溫度因此為了考慮AD的0-5V輸入范圍和溫度測量范圍，對TC1047的輸出信V的信號為：V=5mv.t＋250mv1號進(jìn)行了分壓，因此ref2由于K型熱電偶的溫度系數(shù)為39.4μV／℃，為了和TC1047的信號輸出匹配，故放大倍數(shù)（1+2R／R8）＝5mv／39.4μV＝126.9,故最終的公式如下：9Vo=5mv.Th＋250mv，其中已經(jīng)加入了環(huán)境溫度的補(bǔ)償該電路的1.特點(diǎn)有兩個(gè)：該電路采用單電源實(shí)現(xiàn)負(fù)溫度測量，從上面的推導(dǎo)可以看出，由于TC1047的環(huán)境補(bǔ)償，負(fù)溫度測量可以實(shí)現(xiàn)；2.該電路可以根據(jù)需要靈活配置成其他類型的熱電偶測量，主要的工作是放大倍數(shù)的匹配。三．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上面的熱電偶溫度測量電路，并對元件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算2.測量熱電偶溫度傳感器在不同溫度下的電壓值，根據(jù)熱電偶分度表計(jì)算溫度值。3.用溫度計(jì)記錄上面不同溫度下的讀數(shù)，兩者進(jìn)行對比。四．實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器穩(wěn)壓電源：MPS－300L-3示波器：RIGOLDS1302CA電路試驗(yàn)板烙鐵等焊接工具K型熱電偶溫度傳感器溫度計(jì)產(chǎn)用電子元器件，電阻電容和運(yùn)放（MC33202和TLC272）等個(gè)人計(jì)算機(jī)TC1047環(huán)境溫度傳感器五．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1.不同溫度下，熱電偶輸出電壓值。2.不同溫度下，溫度計(jì)讀數(shù)值。3.兩者溫度曲線對比分析4.查詢資料并繪制繪制K熱電偶