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SBJYD-R6熱電阻和熱點偶溫度傳感器校驗實驗系統(tǒng)
一、概述
目前，測量溫度都采用間接測量的方法。它是利用一些材料或元件的性能隨溫度而變化的特性，通過測量該性能參數(shù)，而得到被測溫度的大小。用以測量溫度特性的有：材料的熱膨脹、電阻、熱電動勢、導磁率、介電系數(shù)、光學特性、彈性等等，其中前三者尤為成熟，獲得廣泛的應用。熱電阻和熱電偶溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、易于制造和測溫范圍寬，因而應用最為廣泛。但是熱電阻和熱電偶受到材料、溫度、接線方式以及其他環(huán)境因素影響，從而影響了溫度測量精度。為此需要進行校正。本實驗臺結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，適用于學生進行熱工實驗，也可以應用于科研及生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。
二、實驗目的
了解熱電阻和熱電偶溫度計的測溫原理
學會熱電偶溫度計的制作與校正方法
了解二線制、三線制和四線制熱電阻溫度測量的原理
掌握電位差計的原理和使用方法
了解數(shù)據(jù)自動采集的原理
應用誤差分析理論于測溫結(jié)果分析。
三、實驗原理
1、熱電阻
(1) 熱電阻原理
熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱是阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。常用鉑電阻和銅電阻，鉑電阻在0-630.74℃以內(nèi)，電阻Rt與溫度t的關(guān)系為：Rt=R0(1+At+Bt2)R0系溫度為0℃時的電阻，鉑電阻內(nèi)部引線方式有兩線制，三線制，和四線制三種，兩線制中引線電阻對測量的影響最大，用于測溫精度不高的場合，三線制可以減小熱電阻與測量儀之間連接導線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響，用與高精度溫度檢測。本實驗是三線制連接，其中一端接二根引線主要是消除引線電阻對測量的影響。
(2) 熱電阻的校驗
熱電阻的校驗一般在實驗室中進行，除標準鉑電阻溫度計需要作三定點，（水三相點，水沸點和鋅凝固點）校驗外，實驗室和工業(yè)用的鉑或銅電阻溫度計的校驗方法有采用比較法兩種校驗方法。比較法是將標準水銀溫度計或標準鉑電阻溫度計與被校電阻溫度計一起插入恒溫水浴中，在需要的或規(guī)定的幾個穩(wěn)定溫度下讀取標準溫度計和被校驗溫度計的示值并進行比較，其偏差不超過最大允許偏差。在校驗時使用的恒溫器有冰點槽，恒溫水槽和恒溫油槽，根據(jù)所校驗的溫度范圍選取恒溫器。比較法雖然可用調(diào)整恒溫器溫度的方法對溫度計刻度值逐個進行比較校驗，但所用的恒溫器規(guī)格多，一般實驗室多不具備。因此，工業(yè)電阻溫度計可用兩點法進行校驗，即只校驗R0與R100/ R0兩個參數(shù)。這種校驗方法只需要有冰點槽和水沸點槽，分別在這兩個恒溫槽中測得被校驗電阻溫度計的電阻R0 和R100，然后檢查R0 值和R100/R0 的比值是否滿足規(guī)定的技術(shù)數(shù)據(jù)指標，以確定溫度計是否合格。
(3) 熱電阻的類型
1）普通型熱電阻。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。
2）鎧裝熱電阻。鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體，它的外徑一般為φ2--φ8mm。與普通型熱電阻相比，它有下列優(yōu)點：①體積小，內(nèi)部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后��；②機械性能好、耐振，抗沖擊；③能彎曲，便于安裝④使用壽命長。
3）端面熱電阻。端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。
4）隔爆型熱電阻。隔爆型熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場不會引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla--B3c級區(qū)內(nèi)具有爆炸危險場所的溫度測量。
2、熱電偶
(1) 熱電偶原理
將兩種不同材質(zhì)的金屬導線連接成閉合回路，如果兩接點的溫度不同，由于金屬的熱電效應，在回路中就會產(chǎn)生一個與溫差有關(guān)的電動勢，稱為溫差電勢。在回路中串接一毫伏表，就能粗略地測出溫差電勢值。如圖1：
圖1 熱電偶原理
圖1 熱電偶原理
溫差電勢的大小只與兩個接點的溫差有關(guān)，與導線的長短粗細和導線本身的溫度分布無關(guān)。這樣一對導線的組合就稱熱電偶溫度計。簡稱熱電偶。
實驗表明，在一定溫度范圍，溫差電勢E與兩接點的溫度T0, T存在著函數(shù)關(guān)系E=F(T0 , T), 如果一個接點T0（通常指冷端）的溫度保持不變，則溫差電勢就只與另一個接點T（通常指熱端）的溫度有關(guān)，即E=F(T) ，當測得溫差電勢后，即可求出另一個接點（熱端）的溫度。
(2) 熱電偶的標定
將熱電偶做為溫度計，必須先將熱電偶的溫差電勢與溫度值T之間的關(guān)系進行標定。一般不用內(nèi)插式計算，而是用實驗方法，用表格或T-E（或E-T）特性曲線形式表示。標定方法，一般采用：
1）固定點法，即測量已知沸點或熔點溫度的標準物質(zhì)在沸點或熔點時的溫差電勢值。
2）標準熱電偶法，將待標熱電偶與標準熱電偶一起置于恒溫介質(zhì)中，逐點改變恒溫介質(zhì)的溫度，待熱電偶處于熱平衡狀態(tài)下測出每一點的溫差電勢。熱電偶的T-E特性曲線如下圖3：
圖3 熱電偶T-E 特性曲線
(3) 熱電偶的分類
熱電偶的種類繁多，各有其優(yōu)缺點。可根據(jù)不同的用途選擇不同型號的熱電偶。目前我國已經(jīng)標準化的常用商品熱電偶，有以下幾種
|
熱電偶分類 |
型號 |
新分度號 |
舊分度號 |
使用溫度0C |
|
|
長期 |
短期 |
||||
|
鐵-康銅 |
/ |
J |
TK |
400 |
800 |
|
鎳鉻-鎳硅 |
WREU |
K |
EU-2 |
1000 |
1300 |
|
銅-康銅 |
WRCK |
T |
CK |
600 |
800 |
四、實驗裝置
熱電偶實驗裝置主要由恒溫水浴、電位差計、熱電偶、熱電阻、冰點儀、數(shù)據(jù)采集裝置、低電勢轉(zhuǎn)換開關(guān)和標準玻璃溫度計等組成。恒溫水浴上具有攪拌、加熱與溫度控制裝置，可根據(jù)要求將溫度穩(wěn)定在設定值附近。采用標準玻璃溫度計測量的溫度作為標準溫度，用于校準熱電偶和熱電阻。
圖4 熱電偶采集與校驗原理圖
圖5熱電阻自動采集與校驗裝置圖
五、試驗臺功能
對熱電阻和熱電偶溫度計進行標定和校準。
熱電阻接線方式可以采用二線制、三線制和四線制熱電阻接線。
熱電偶K、J、T三種，電動勢可以采用電位差計手動測量，也可以通過計算機自動測量。
每次可進行多個熱電偶或者熱電阻測量。
對于自動測試系統(tǒng)，采集通過計算機數(shù)據(jù)自動處理，可以多畫面顯示測量結(jié)果，自動進行分析。
六、試驗臺特點與技術(shù)指標
具有手動與自動測試功能，測試過程具有直觀、快速、準確、方便；
系統(tǒng)采用恒溫水浴，溫度波動度小于±0.5℃，溫度測量范圍為0-100℃。
對于自動測試，數(shù)據(jù)采集裝置采用高精度采集卡。
檢定結(jié)果不確定度:熱電偶：小于0.2℃；熱電阻:小于0.05℃
