热电偶温度测量实验

内燃机测试技术试验实验热电偶温度测量试验实验学时：2实验类型：基础型实验对象：本科生一．实验目的：1.了解热电偶温度测量基本原理。2.了解热电偶的温度特性。3.了解热电偶的不同封装型式和使用特点。4.掌握热电偶温度测量电路实现和关键参数计算。二．实验原理及设备说明1.热电偶温度测量基本原理热电偶是一种感温元件，是一次仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：1：热电偶的热电势是热电偶工端的两端温度作函数的差，而不是热电偶冷端与工端，两端温度作差的函数；2：热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；3：当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工端温度的作单值函数。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表

的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统1所示。类型热电极材料正极热电极材料负极温度范围（℃）一设计型热电偶。常用热电偶类型，材料和测量范围如表S铂铑合10%）金（铑含量纯铂0～1400RB铂铑合金（铑含量纯铂13%）0～1400铂铑合30%）镍铬金（铑含量铂铑合金（铑含量0～14006%）镍硅铜镍铜镍镍硅铜镍KTJNE－200～1000纯铜－200～300－200～600－200～1200－200～700铁镍铬硅镍铬表1常用热电偶类型参数表2.热电偶温度特性热电偶由于热电极材料的不同，因此温度系数和测量范围也不同，常用热电偶类型的温度测量曲线如图1所示。图1常用热电偶温度特性曲线3.热电偶封装形式和使用特点按照热电偶的组成结构分为热电偶测温导线、铠装热电偶、装配式热电偶。3.1热电偶测温导线用外带绝的热电偶缘丝材焊接而成，是测温产品里结构最为简单的一种，响应速度极快。表2为常用热电偶测温导线类型。表2常用热电偶测温导线3.2铠装热电偶铠装热电偶的结构原理是：由热电偶丝、高纯氧化镁和不锈钢保护管经多次复合一体拉制而成,具有能弯曲、耐高压、耐震动、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，可以直接测量各种生产过程中0～800℃范围内的液体、气体介质以及固体表面的温度。图2是常用铠装热电偶的类型和特点。图2铠装热电偶封装和特性3.3装配式热电偶装配式热电偶主要由接线盒、保护管、绝缘套管、接线端子、热电极组成基本结构，并配以各种安装固定装置组成。图3为装配型热电偶外观图。图3装配型热电偶4.热电偶温度测量电路的实现和关键参数计算由于热电偶的基本原理是热电势，热电势的信号非常小，一般情况下，全量程输出信号在几十mV左右，温度系数在几十μV／℃左右，因此热电偶的测量一般采用仪表运算放大器来实现。仪表运放的特点是在普通运放的基础上，内阻更大，放大倍数更大，同时放大倍数可以灵活匹配，而且可以处理较大范围的共模信号。热电偶温度测量的另外一个问题就是冷端补偿问题，因为热电偶输出电势为冷端和热端热电势之差，上面的温度分度表中的数据是在冷端为0℃的情况0℃，真正的温度。冷端补偿的方式很多，有恒流源和恒压源以及环境直接补偿等方式。本试验中采用环境温度直接补偿方式。本次试验采用的热电偶为K型热电偶，温度系数下测量的，而在实际的应用环境中，冷端并不是绝对的因此必须加上冷端的信号补偿，最终才能得到真正的热端电势，从而计算出为39.4μV／℃。本试验采用的测量原理图如图4所示。图4热电偶温度测量电路关键参数计算如下：TL431为电压基准源，输出为2.5V，这里主要为热电偶输入端上拉使用，2运放集成的MC33202；运放采用了热电偶正端和负端分别通过上拉电阻和电容滤波，然后送到第一级的运放中，设定热端电势为V，冷端电势为V，则运放R中间的电流I为：HC8I=（VH-V）／R;CU为差分运放，其正负输入端压差：2B8运放V＝（R+R+R）I，其中R=R,故8910910V＝（1+2R／R）(V-V)98HCU的V为TC1047的输出，故可以得出最终的输出电压：2Bref而运放V=V+（1+2R／R）(V-V)oTC104798HC而TC1047的信号输出为：V=10mv.t＋500mv，其中，t为环境温度因此为了考虑AD的0-5V输入范围和温度测量范围，对TC1047的输出信V的信号为：V=5mv.t＋250mv1号进行了分压，因此ref2由于K型热电偶的温度系数为39.4μV／℃，为了和TC1047的信号输出匹配，故放大倍数（1+2R／R8）＝5mv／39.4μV＝126.9,故最终的公式如下：9Vo=5mv.Th＋250mv，其中已经加入了环境温度的补偿该电路的1.特点有两个：该电路采用单电源实现负温度测量，从上面的推导可以看出，由于TC1047的环境补偿，负温度测量可以实现；2.该电路可以根据需要灵活配置成其他类型的热电偶测量，主要的工作是放大倍数的匹配。三．实验内容1.设计实现上面的热电偶温度测量电路，并对元件参数进行计算2.测量热电偶温度传感器在不同温度下的电压值，根据热电偶分度表计算温度值。3.用温度计记录上面不同温度下的读数，两者进行对比。四．实验设备和仪器稳压电源：MPS－300L-3示波器：RIGOLDS1302CA电路试验板烙铁等焊接工具K型热电偶温度传感器温度计产用电子元器件，电阻电容和运放（MC33202和TLC272）等个人计算机TC1047环境温度传感器五．实验结果分析1.不同温度下，热电偶输出电压值。2.不同温度下，温度计读数值。3.两者温度曲线对比分析4.查询资料并绘制绘制K热电偶