热电偶的定标讲义

热电偶的定标和测温【实验目的】1.加深对温差电现象的理解；2.了解热电偶测温的基本原理和方法；3.了解热电偶定标基本方法；【实验仪器】热电偶、恒流智能控温仪、加热装置、杜瓦瓶（保温杯）【实验原理】1.温差电效应在物理测量中，经常将非电量如温度、时间、长度等转换为电量进行测量，这种方法叫做非电量的电测法。其优点是测量方便、迅速，而且可提高测量精密度。温差电偶是利用温差电效应制作的测温元件，在温度测量与控制中有广泛的应用。本实验是研究温差电偶的温差电动势与温度的关系。同一种金属两端处于不同温度时，金属的两端就产生一个电位差：汤姆逊电动势。当两种不同金属互相接触时，接触面上产生一个接触电位差：铂尔贴电动势。由两种不同的金属或由两种不同成分的合金(热电偶丝材或热电极)A、B的两端彼此焊接在一起组成闭合回路时（如图1），若两端点温度分别为t和t0，则回路中就有温差电动势，它是铂尔贴电动势和汤姆逊电动势之和．图12.热电偶两种不同金属串接在一起，把一端置于被测温场中，称为测量端(热端)；另一端恒定于某一温度，称为自由端(冷端)，用仪器相连进行测温（图2）的元件称为温差电偶，也叫热电偶。图2温差电偶的温差电动势与二接头温度之间的关系比较复杂，但是在较小温差范围内可以近似认为温差电动势tE与温度差（0tt）成正比，即0ttcEt(1)式中t为热端的温度，0t为冷端的温度，c称为温度系数（或称温差电偶常量）单位为V℃1，它表示二接点的温度相差1℃时所产生的电动势，其大小取决于组成温差电偶材料的性质，即1BAnnnlekc00//(2)式中k为玻耳兹曼常量，e为电子电量，An0和Bn0为两种金属单位体积内的自由电子数目。如图3所示，温差电偶与测量仪器有两种连接方式：（a）金属B的两端分别和金属A焊接，测量仪器M插入A线中间；（b）A、B的一端焊接，另一端和测量仪器连接。图33．中间导体定律在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律。依据中间导体定律，在热电偶实际测温应用中，常采用热端焊接、冷端开路的形式，冷端经连接导线与测量仪器连接构成测温系统（图3（b）），不用担心导线与热电偶连接处产生的接触电势会使测量产生附加误差。4.热电偶温度计将冷端置于冰水混合物中，保持0t=0℃，将热端置于待测温度处，即可测得相应的温差电动势，再根据事先校正好的曲线或数据来求出温度0t。这样就组成一个热电偶温度计(图4)所示。热电偶温度计的优点是热容量小，灵敏度高，反应迅速，测温范围广，能直接把非电学量温度转换成电学量。因此，在自动测温、自动控温等系统中得到广泛应用。5．热电偶的定标图4热电偶定标的方法有两种。（1）比较法：即用被校热电偶与标准热电偶去测同一温度，测得一组数据，其中被校热电偶测得的热电势由标准热电偶所测得的热电势所校准，在被校热电偶的使用范围内改变不同的温度、进行逐点校准，就可得到被校热电偶的一条校准曲线。（2）固定点法：利用已知的几种合适纯物质在一定气压下（一般是标准大气压）的沸点和熔点温度，也可通过恒温加热装置确定几个温度点，测出热电偶在这些温度下的对应的电动势，从而得到热电势和热电势--温度关系曲线，这就是所求的校准曲线。2本实验采用固定点法对热电偶进行定标。定标时把热电偶的冷端浸入冰水共存的杜瓦瓶中，如图4所示。热端插入恒温加热装置中，该装置可恒温在室温至120℃之间设定的温度点。逐个改变设定温度，用数字电压表测出对应点的温差电动势。以电动势为纵轴，以热端温度t为横轴。标出各测量点，连成直线，即为热电偶的定标曲线。有了定标曲线，就可以利用该热电偶测温度了。若将冷端保持在原来的温度（0t=0℃），将热端插入加热装置中，仼意改一温度，测出此时的温差电动势，再由-t图线，可查出该温度。【实验内容和步骤】1.测温差电动势（1）将“恒流智能控温仪”机箱后部插座与加热装置基台后部的插座用专用导线进行连接。（2）将两种待测的热电偶(T型和E型)的热端分别插入加热装置上的“热电偶插口（Ⅰ）”和“热电偶插口（Ⅱ）”中（热电偶区分可依据其连线颜色：E型为黄、黑；T型为红、黑）。其冷端同时插入装有冰水混合物的杜瓦瓶中。并将其中一种待测热电偶的连接线接入“热电偶定标实验仪”上的“电压测量”接线端，红色插头(+)、黑色插头(-)分别插对应颜色插座。注意：首次使用在热电偶插口中加入适量硅油，可使热电偶受热均匀（不必每次加）。（3）开启“恒流智能控温仪”电源，进行温度控制仪的设置（电源开启后温度控制仪上“测定温度”显示的是当时的室温，“设定温度”显示的是仪器出厂时的设定温度）。设计好实验测试温度点（如40℃、60℃、80℃、100℃）然后进行下列操作（参见图5）。图5按“位移”键调整时，数字闪烁的位即是要进行调整的位数。调好再按“位移”键，可进行3下一位调整。最后按设置键1次结束温度设置。在设置过程中，若误按“设置”键时间超过5秒，将出现进入第二设定区（符号为SHP），该区不要求学生进入，以免调乱，影响控温性能，是教师供作深入设置时用。这时只要停止操作5秒，会自动退岀，恢复原来状态。注意：进入第二设定区（符号为SHP），就无法进行改变温度设定，故应注意调温时，不能长时间按“设置”键(不超过5秒)。（4）加热温度（如40℃）设定后，选加热选择档位（“高”档位加热快，但恒温时温度波动范围略大，“低”档位则反之，可先选高挡，温度接近设定温度时，切换至低挡）。当“加热选择”开关置“低”或“高”位置时，加热装置开始加热（指示灯长亮），待加热温度达到设定温度后再稳定2分钟(指示灯间隙亮)后，读取仪器上该温度点的热电偶温差电动势(mV)并记录于相关表格。然后将另一型号的热电偶接入“电压测量”端钮，读取仪器上该温度点的热电偶温差电动势并记录于相关表格。把“设定温度”重新设置至下一个温度，再进入第二个测温点…，方法同上。若要重做，按下风扇电源开关，风扇可使加热装置迅速降温。2.热电偶定标操作步骤同测温差电动势，但设定温度的梯度可相对小一点（如40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃），热电偶冷端不变，测量不同温度下的温差电动势，作出二种不同型号热电偶的-T定标曲线。3.利用热电偶测温根据实验内容1测出的温差电动势，再由-T定标曲线，查出各测量点所对应的温度值。【数据记录及处理】热电偶型号型T（℃）40℃50℃60℃70℃80℃90℃100℃110℃120℃ε（mV）-T定标曲线【思考题】1.温差电动势产生的原理？2.对该实验提出改进意见，或设计一套新的实验方案。【附录一】4本仪器附有T型和E型二种热电偶。铜-铜镍(康铜)热电偶(T型)分度表(自由端温度为0℃)温度℃0123456789热电动势mV000.0380.0760.1140.1520.1900.2280.2660.3040.342100.3800.4190.4580.4970.5360.5750.6140.6540.6930.732200.7720.8110.8500.8890.9290.9691.0081.0481.0881.128301.1691.2091.2491.2891.3301.3711.4111.4511.4921.532401.5731.6141.6551.6961.7371.7781.8191.8601.9011.942501.9832.0252.0662.1082.1492.1912.2322.2742.3152.356602.3982.4402.4822.5242.5652.6072.6492.6912.7332.775702.8162.8582.9002.9412.9833.0253.0663.1083.1503.191803.2333.2753.3163.3583.4003.4423.4843.5263.5683.610903.6523.6943.7363.7783.8203.8623.9043.9463.9884.0301004.0724.1154.1574.1994.2424.2854.3284.3714.4134.4561104.4994.5434.5874.6314.6744.7074.7514.7954.8394.8831204.527由于配方和工艺的不同，实际使用的铜-康铜热电偶在100℃温度时（自由端温度为0℃），输出的温差电动势一般为mV3.4~0.4之间(例如国标铜-康铜有一种规格为mV277.4)。本仪器使用的热电偶在100℃温度时，输出的温差电动势为mV072.4。实验时可参考附录表数据测量温度，也可自行测量进行定标。镍铬-铜镍(康铜)热电偶(E型)分度表(自由端温度为0℃)温度℃0102030405060708090热电动势mV00.0000.5911.1921.8012.4193.0473.6834.3294.9835.6461006.3176.9967.6838.3779.0789.78710.50111.22211.94912.68120013.41914.16114.90915.66116.41717.17817.94218.71019.48120.25630021.03321.81422.59723.38324.17124.96125.75426.54927.34528.14340028.94329.74430.54631.35032.15532.96033.76734.57435.38236.19050036.99937.80838.61739.42640.23641.04541.85342.66243.47044.27860045.08545.89146.69747.50248.30649.10949.91150.71351.51352.31270053.11053.90754.70355.49856.29157.08357.87358.66359.45160.23780061.02261.80662.58863.36864.14764.92465.70066.47367.24568.01590068.78369.54970.31371.07571.83572.59373.35074.10474.85775.608100076.358—————————【附录二】5恒流智能控温仪的PID智能温度控制器说明本PID智能温度控制器岀厂巳调节好，一般不需重做自整定，以下说明供重做自整定参考智能型数字显示调节仪，一般都具有PID参数自整定功能。本实验仪也是。在初次使用时，可通过自整定确定系统的最佳P、I、D调节参数(自整定寻优)，实现理想的调节控制（）。在启动自整定后，仪表强制系统产生扰动，经过2~3个振荡周期后结束自整定状态。理想的调节效果是，设定值应与测量值保持一致，不同的系统由于惯性不同，自整定时间有所不同。进入第二设定区功能菜单的把自整定参数设为AT=01，按设置键5秒退岀设定状态，即进入自整定状态，此时AT指示灯闪烁，在温度设定值附近经位式控制达到三个周波后，自整定结朿，整定出来的P.I.D参数自动保存于仪器内。在此过程中(即AT指示灯闪烁时段内)无法进行仼何设定并要保持电源不被切断，否则应重做自整定。自整定结束后，AT灯灭。此时，可以进入功能菜单查看系统自整定后的PID参数值。若干扰较大场合，可多次整定，比较参数，进行修正，可获较佳效果。控制器面板布置图：2．具体的温度设置步骤如下(如出厂设置温度为80度，可改设定温度为40度)：（1）先按一下“设定键SET(）”约0.5秒。（2）按“位移键（）”，选择需要调整的“位数”，数字闪烁的位数即是当前可以进行调整操作的“位数”。（3）按“上调（）”或“下调（）”确定当前“位数值”，接着按此办法调整，直到各位数值都满足温度设定要求。（4）再按一次“设定键SET”，退出设定工作程序。当实验中需改变温度设定，重复以上步骤即可。操作过程可按图3进行。6（5）注意