热电偶的特性及应用设计 摘要:热电偶的特性及应用设计的目的在于研究铜-康铜热电偶温差电势 的特性,描绘热电偶温差电势特性曲线以及了解热电偶在生产和 生活中应用。内容主要有:了解热电偶的结构、分类及工作原理; 熟练掌握DHI-2型热学实验仪的使用;对DHI-2型热学实验仪配 套的铜一康铜热电偶进行定标;求上述热电偶的温差电系数α;设 计一种用热电偶测量旋转髙温炉内部温度的方法(髙温炉呈椭圆 形状直径2.5米绕长轴旋转、炉内温度1200摄氏度,炉的转速每 分钟8转)。实验主要采用通过利用热电偶的测温原理,标定原理 和冷端补偿原理在实验室中标定未知热电偶。主要成果是理论上 设计出一种用热电偶测量旋转高温炉内部温度的可行方案和准确 的标定了热电偶 关键词:热电偶,定标,测温
热电偶的特性及应用设计 摘要：热电偶的特性及应用设计的目的在于研究铜-康铜热电偶温差电势 的特性，描绘热电偶温差电势特性曲线以及了解热电偶在生产和 生活中应用。内容主要有：了解热电偶的结构、分类及工作原理； 熟练掌握 DHT-2 型热学实验仪的使用；对 DHT-2 型热学实验仪配 套的铜－康铜热电偶进行定标；求上述热电偶的温差电系数 α；设 计一种用热电偶测量旋转高温炉内部温度的方法（高温炉呈椭圆 形状直径 2.5 米绕长轴旋转、炉内温度 1200 摄氏度，炉的转速每 分钟 8 转）。实验主要采用通过利用热电偶的测温原理，标定原理 和冷端补偿原理在实验室中标定未知热电偶。主要成果是理论上 设计出一种用热电偶测量旋转高温炉内部温度的可行方案和准确 的标定了热电偶。 关键词：热电偶，定标，测温
1.引言:实验的主要目的是研究铜-康铜热电偶温差电势的特性,描绘热 电偶温差电势特性曲线,观察了解热电偶的结构,熟悉热电偶的工作 特性以及了解热电偶在生产和生活中应用。实验主要的研究方法是通 过实验对未知热电偶进行准确定标。主要理论依据是热电偶的测温原 理,标定原理和冷端补偿原理。在实验之前已经拥有基本的资料和实 验仪器(UJ-33a型电位差计,DHT2型热学实验仪)。主要的研究内容 有了解热电偶的结构、分类及工作原理;熟练掌握DHT2型热学求上 述热电偶的温差电系数α;设计一种用热电偶测量旋转高温炉内部温度 的方法(髙温炉呈椭圆形状直径2.5米绕长轴旋转、炉内温度1200摄 氏度,炉的转速每分钟8转)。 2.1.基本原理 2.1.1热电偶测温原理 热电偶亦称温差电偶,是由A、B两种不同材料的金属丝的端点 彼此紧密接触而组成的。当两个接点处于不同温度时(如图1),在回路中就 有直流电动势产生,该电动势称温差电动势或热电动势。当组成热电偶的 材料一定时,温差电动势Ex仅与两接点处的温度有关,并且两接点的温 差在一定的温度范围内有如下近似关系式: Ex≈a(tto) 式中a称为温差电系数,对于不同金属组成的热电偶,a是不同的,其数值 to c to 图1 图2
1.引言：实验的主要目的是研究铜-康铜热电偶温差电势的特性，描绘热 电偶温差电势特性曲线，观察了解热电偶的结构，熟悉热电偶的工作 特性以及了解热电偶在生产和生活中应用。实验主要的研究方法是通 过实验对未知热电偶进行准确定标。主要理论依据是热电偶的测温原 理，标定原理和冷端补偿原理。在实验之前已经拥有基本的资料和实 验仪器（UJ-33a 型电位差计, DHT-2 型热学实验仪）。主要的研究内容 有了解热电偶的结构、分类及工作原理；熟练掌握 DHT-2 型热学求上 述热电偶的温差电系数 α；设计一种用热电偶测量旋转高温炉内部温度 的方法（高温炉呈椭圆形状直径 2.5 米绕长轴旋转、炉内温度 1200 摄 氏度，炉的转速每分钟 8 转）。 2. 2．1．基本原理： 2．1．1 热电偶测温原理 热电偶亦称温差电偶，是由 A、B 两种不同材料的金属丝的端点 彼此紧密接触而组成的。当两个接点处于不同温度时(如图 1)，在回路中就 有直流电动势产生，该电动势称温差电动势或热电动势。当组成热电偶的 材料一定时，温差电动势 Ex 仅与两接点处的温度有关，并且两接点的温 差在一定的温度范围内有如下近似关系式： Ex ≈α( t-t0 ) (1) 式中α称为温差电系数，对于不同金属组成的热电偶,α是不同的，其数值 图 1 图 2
上等于两接点温度差为1C时所产生的电动势为了测量温差电动势, 就需要在图1的回路中接入电位差计,但测量仪器的引入不能影响热电偶 原来的性质,例如不影响它在一定的温差t下应有的电动势Ex值。要做 到这一点,实验时应保证一定的条件。根据伏打定律,即在A、B两种金 属之间插入第三种金属C时,若它与A、B的两连接点处于同一温度t(图 5),则该闭合回路的温差电动势与上述只有A、B两种金属组成回路时的 数值完全相同。所以,我们把A、B两根不同化学成份的金属丝的一端焊 电位差计 康铜线 测温端32浏 冰水 图3 在一起,构成热电偶的热端(工作端)。将另两端各与铜引线(即第三种金属 C)焊接,构成两个同温度(to)舶的冷端(自由端)。铜引线与电位差计相连,这 样就组成一个热电偶温度计。如图6所示。通常将冷端置于冰水混合物中, 保持to≡o,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t。热电偶温度计的优点是热容 量小,灵敏度髙,反应迅速,测温范围广,还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。 2.1.2热电偶的标定原理 在实验室通常采用两种方法进行标定。第一种方法是比较法: 用被校热电偶与标准热电偶测同一温度,得到一组被校热电偶与标准电偶 的电动势值,然后由标准热电偶的某电动势的值查得对应的温度,就可得此 温度下对应的被校热电偶的电动势,做出被校热电偶的温度电动势曲线。 回固定温度点法在热电偶的线形范围内假设电动势与温度差的关系为2
上等于两接点温度差为 1 0C 时所产生的电动势为了测量温差电动势， 就需要在图 1 的回路中接入电位差计，但测量仪器的引入不能影响热电偶 原来的性质，例如不影响它在一定的温差 t-t0 下应有的电动势 EX 值。要做 到这一点，实验时应保证一定的条件。根据伏打定律，即在 A、B 两种金 属之间插入第三种金属 C 时，若它与 A、B 的两连接点处于同一温度 t0(图 5)，则该闭合回路的温差电动势与上述只有 A、B 两种金属组成回路时的 数值完全相同。所以，我们把 A、B 两根不同化学成份的金属丝的一端焊 图 3 在一起，构成热电偶的热端(工作端)。将另两端各与铜引线(即第三种金属 C)焊接，构成两个同温度(t0)的冷端(自由端)。铜引线与电位差计相连，这 样就组成一个热电偶温度计。如图 6 所示。通常将冷端置于冰水混合物中， 保持 t0 = 0 0C，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 t。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，还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。 2．1．2 热电偶的标定原理 在实验室通常采用两种方法进行标定。第一种方法是比较法: 用被校热电偶与标准热电偶测同一温度,得到一组被校热电偶与标准电偶 的电动势值,然后由标准热电偶的某电动势的值查得对应的温度,就可得此 温度下对应的被校热电偶的电动势,做出被校热电偶的温度- 电动势曲线。 1 固定温度点法:在热电偶的线形范围内,假设电动势与温度差的关系为 2
E=a(t-to) 固定t0(一般为0℃),测出不同的已知温度t下对应的电动势,则可得到温 度与电动势关系曲线或用线形拟合法确定常数a,则得到电动势与温差的 关系式 2.1.3热电偶冷端温度补偿的原理 热电偶冷端温度补偿的方法有:冰水法、恒温槽法和自动补偿法門, 电桥法常用,它是在热电偶和测温仪表之间接入一个直流电桥,称冷端温 度补偿器,补偿器电桥在0℃时达到平衡(亦有20℃平衡)。当热电偶自 由端温度升高时(>0℃)热电偶回路电势Ua下降,由于补偿器中,PN 呈负温度系数,其正向压降随温度升高而下降,促使Ua上升,其值正好 补偿热电偶因自由端温度升高而降低的电势,达到补偿目的。 2.1.4RF的测温原理 RF测温装置分为发射模块和接收处理模块。两者之间通过超高频(UHF) 实现无线通信。发射模块的功能是将检测到的信号通过天线以数字形(FSK 调制)发射出去,主要由温度传感器、A①D转换模块、MCU(微控制器)、 信号发射器以及发射天线等组成。接收处理模块则将发射模块发出的信号 进行接收,然后处理判断,并完成显示、控制以及报警等功能,主要由接收天 线、信号接收器、MCU,以及其他外围设备等组成。 2.2未知热电偶的定标的设计与计算 2.2.1实验仪器:UJ-33a型电位差计,DHT2型热学实验仪等。 2.2.2实验步骤:(1)熟悉UJ-31型电位差计各旋钮的功能,掌握测 量电动势的基本要领。 (2)对热电偶进行定标,并求出热电偶的温差电 系数α0,具体步骤如下:按图4所示连接线路,注意热电偶及各 电源的正、负极的正确连接。将热电偶的冷端置于冰水混合物中 之中,确保to=0"C测温端置于加热器内)
E = a (t - t0 ) (2) 固定 t0 (一般为 0 ℃) ,测出不同的已知温度 t 下对应的电动势,则可得到温 度与电动势关系曲线,或用线形拟合法确定常数 a ,则得到电动势与温差的 关系式。 3 2．1．3 热电偶冷端温度补偿的原理 热电偶冷端温度补偿的方法有：冰水法 4 、恒温槽法和自动补偿法 5 ， 电桥法常用，它是在热电偶和测温仪表之间接入一个直流电桥，称冷端温 度补偿器，补偿器电桥在 0℃时达到平衡（亦有 20℃平衡）。当热电偶自 由端温度升高时（＞0℃）热电偶回路电势 Uab 下降，由于补偿器中，PN 呈负温度系数，其正向压降随温度升高而下降，促使 Uab 上升，其值正好 补偿热电偶因自由端温度升高而降低的电势，达到补偿目的。 6 2．1．4 RF的测温原理 RF测温装置分为发射模块和接收处理模块。两者之间通过超高频(UHF) 实现无线通信。发射模块的功能是将检测到的信号通过天线以数字形( FSK 调制)发射出去,主要由温度传感器、A /D 转换模块、MCU (微控制器) 、 信号发射器以及发射天线等组成。接收处理模块则将发射模块发出的信号 进行接收,然后处理判断,并完成显示、控制以及报警等功能,主要由接收天 线、信号接收器、MCU,以及其他外围设备等组成。 2．2.未知热电偶的定标的设计与计算 2．2．1 实验仪器：UJ-33a 型电位差计, DHT-2 型热学实验仪等。 2．2．2 实验步骤：（1）熟悉 UJ-31 型电位差计各旋钮的功能，掌握测 量电动势的基本要领。 （2）对热电偶进行定标，并求出热电偶的温差电 系数α0，具体步骤如下：按图 4 所示连接线路，注意热电偶及各 电源的正、负极的正确连接。将热电偶的冷端置于冰水混合物中 之中，确保 t0 =00C 测温端置于加热器内)
实候位 后面 急品 ⅢI 图4 (3)测量待测热电偶的电动势。按UJ31电位差计的使用步骤,先接 通检流计,并调好工作电流,即可进行电动势的测量。先将电位差计倍率 开关K1置×1档,测出室温时热电偶的电动势,然后开启温控仪电源,给热 端加温。每隔10C左右测一组(t,Ex,直至100C为止。由于升温测量时 温度是动态变化的,故测量时可提前2℃C进行跟踪,以保证测量速度与测 量精度。测量时,一旦达到补偿状态应立即读取温度值和电动势值,再做 一次降温测量,即先升温至100C,然后每降低100C测一组(,Ex),再取 升温降温测量数据的平均值作为最后测量值。另外一种方法是设定需要测 量的温度,等控温仪稳定后再测量该温度下温差电动势。这样可以测得更 精确些,但需花费较长的实验时间。 (4)将热电偶的热端置于恒温油状态,而将冷端置于冰槽中。在标定 过程中,将冷端始终保持在℃,依次改变热端温度,从而获得热电偶的温 度一电势曲线。的 2.2.3实验数据的计算: 由热电偶的测温原理可知当组成热电偶的一定时,温差电动势Ex仅与 两接点处的温度有关,并且两接点的温差在一定的温度范围内有如下近似 关系式:
图 4 图 4 （3）测量待测热电偶的电动势。按 UJ31 电位差计的使用步骤，先接 通检流计，并调好工作电流，即可进行电动势的测量。先将电位差计倍率 开关 K1 置×1 档,测出室温时热电偶的电动势，然后开启温控仪电源，给热 端加温。每隔 10 0C 左右测一组(t，Ex)，直至 1000C 为止。由于升温测量时， 温度是动态变化的，故测量时可提前 2 0C 进行跟踪，以保证测量速度与测 量精度。测量时，一旦达到补偿状态应立即读取温度值和电动势值，再做 一次降温测量，即先升温至 100 0C，然后每降低 10 0C 测一组(t，Ex)，再取 升温降温测量数据的平均值作为最后测量值。另外一种方法是设定需要测 量的温度，等控温仪稳定后再测量该温度下温差电动势。这样可以测得更 精确些，但需花费较长的实验时间。 （4）将热电偶的热端置于恒温油状态，而将冷端置于冰槽中。在标定 过程中，将冷端始终保持在 0℃，依次改变热端温度，从而获得热电偶的温 度－电势曲线。 7 2．2．3 实验数据的计算： 由热电偶的测温原理可知当组成热电偶的一定时，温差电动势 Ex 仅与 两接点处的温度有关，并且两接点的温差在一定的温度范围内有如下近似 关系式：