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SBJYD-R6熱電阻和熱點(diǎn)偶溫度傳感器校驗實(shí)驗系統
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(guò)測量該性能參數，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(dòng)勢、導磁率、介電系數、光學(xué)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構簡(jiǎn)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(xiàn)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(jìn)行校正。本實(shí)驗臺結構簡(jiǎn)單，性能可靠，適用于學(xué)生進(jìn)行熱工實(shí)驗，也可以應用于科研及生產(chǎn)廠(chǎng)家的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。
二、實(shí)驗目的
了解熱電阻和熱電偶溫度計的測溫原理
學(xué)會(huì )熱電偶溫度計的制作與校正方法
了解二線(xiàn)制、三線(xiàn)制和四線(xiàn)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
了解數據自動(dòng)采集的原理
應用誤差分析理論于測溫結果分析。
三、實(shí)驗原理
1、熱電阻
(1) 熱電阻原理
熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩定。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(lái)進(jìn)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，現在已開(kāi)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?xún)�，電�?span lang="EN-US">Rt與溫度t的關(guān)系為：Rt=R0(1+At+Bt2)R0系溫度為0℃時(shí)的電阻，鉑電阻內部引線(xiàn)方式有兩線(xiàn)制，三線(xiàn)制，和四線(xiàn)制三種，兩線(xiàn)制中引線(xiàn)電阻對測量的影響最大，用于測溫精度不高的場(chǎng)合，三線(xiàn)制可以減小熱電阻與測量?jì)x之間連接導線(xiàn)的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。四線(xiàn)制可以完全消除引線(xiàn)電阻對測量的影響，用與高精度溫度檢測。本實(shí)驗是三線(xiàn)制連接，其中一端接二根引線(xiàn)主要是消除引線(xiàn)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(shí)驗室中進(jìn)行，除標準鉑電阻溫度計需要作三定點(diǎn)，（水三相點(diǎn)，水沸點(diǎn)和鋅凝固點(diǎn)）校驗外，實(shí)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，在需要的或規定的幾個(gè)穩定溫度下讀取標準溫度計和被校驗溫度計的示值并進(jìn)行比較，其偏差不超過(guò)最大允許偏差。在校驗時(shí)使用的恒溫器有冰點(diǎn)槽，恒溫水槽和恒溫油槽，根據所校驗的溫度范圍選取恒溫器。比較法雖然可用調整恒溫器溫度的方法對溫度計刻度值逐個(gè)進(jìn)行比較校驗，但所用的恒溫器規格多，一般實(shí)驗室多不具備。因此，工業(yè)電阻溫度計可用兩點(diǎn)法進(jìn)行校驗，即只校驗R0與R100/ R0兩個(gè)參數。這種校驗方法只需要有冰點(diǎn)槽和水沸點(diǎn)槽，分別在這兩個(gè)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(mǎn)足規定的技術(shù)數據指標，以確定溫度計是否合格。
(3) 熱電阻的類(lèi)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(guò)熱電阻阻值的變化來(lái)測量的，因此，熱電阻體的引出線(xiàn)等各種導線(xiàn)電阻的變化會(huì )給溫度測量帶來(lái)影響。
2）鎧裝熱電阻。鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線(xiàn)、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實(shí)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(diǎn)：①體積小，內部無(wú)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(cháng)。
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(shí)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(guò)特殊結構的接線(xiàn)盒，把其外殼內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(xiàn)盒內，生產(chǎn)現場(chǎng)不會(huì )引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla--B3c級區內具有爆炸危險場(chǎng)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(xiàn)連接成閉合回路，如果兩接點(diǎn)的溫度不同，由于金屬的熱電效應，在回路中就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與溫差有關(guān)的電動(dòng)勢，稱(chēng)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(gè)接點(diǎn)的溫差有關(guān)，與導線(xiàn)的長(cháng)短粗細和導線(xiàn)本身的溫度分布無(wú)關(guān)。這樣一對導線(xiàn)的組合就稱(chēng)熱電偶溫度計。簡(jiǎn)稱(chēng)熱電偶。
實(shí)驗表明，在一定溫度范圍，溫差電勢E與兩接點(diǎn)的溫度T0, T存在著(zhù)函數關(guān)系E=F(T0 , T), 如果一個(gè)接點(diǎn)T0（通常指冷端）的溫度保持不變，則溫差電勢就只與另一個(gè)接點(diǎn)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(gè)接點(diǎn)（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(jìn)行標定。一般不用內插式計算，而是用實(shí)驗方法，用表格或T-E（或E-T）特性曲線(xiàn)形式表示。標定方法，一般采用：
1）固定點(diǎn)法，即測量已知沸點(diǎn)或熔點(diǎn)溫度的標準物質(zhì)在沸點(diǎn)或熔點(diǎn)時(shí)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(diǎn)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(diǎn)的溫差電勢。熱電偶的T-E特性曲線(xiàn)如下圖3：
圖3 熱電偶T-E 特性曲線(xiàn)
(3) 熱電偶的分類(lèi)
熱電偶的種類(lèi)繁多，各有其優(yōu)缺點(diǎn)�？筛鶕煌挠猛具x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
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熱電偶分類(lèi) |
型號 |
新分度號 |
舊分度號 |
使用溫度0C |
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長(cháng)期 |
短期 |
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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(shí)驗裝置
熱電偶實(shí)驗裝置主要由恒溫水浴、電位差計、熱電偶、熱電阻、冰點(diǎn)儀、數據采集裝置、低電勢轉換開(kāi)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，可根據要求將溫度穩定在設定值附近。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(dòng)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(jìn)行標定和校準。
熱電阻接線(xiàn)方式可以采用二線(xiàn)制、三線(xiàn)制和四線(xiàn)制熱電阻接線(xiàn)。
熱電偶K、J、T三種，電動(dòng)勢可以采用電位差計手動(dòng)測量，也可以通過(guò)計算機自動(dòng)測量。
每次可進(jìn)行多個(gè)熱電偶或者熱電阻測量。
對于自動(dòng)測試系統，采集通過(guò)計算機數據自動(dòng)處理，可以多畫(huà)面顯示測量結果，自動(dòng)進(jìn)行分析。
六、試驗臺特點(diǎn)與技術(shù)指標
具有手動(dòng)與自動(dòng)測試功能，測試過(guò)程具有直觀(guān)、快速、準確、方便；
系統采用恒溫水浴，溫度波動(dòng)度小于±0.5℃，溫度測量范圍為0-100℃。
對于自動(dòng)測試，數據采集裝置采用高精度采集卡。
檢定結果不確定度:熱電偶：小于0.2℃；熱電阻:小于0.05℃
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