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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(dǎo)磁率、介電系數(shù)、光學(xué)特性、彈性等等，其中前三者尤為成熟，獲得廣泛的應(yīng)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(yīng)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(xué)生進行熱工實驗，也可以應(yīng)用于科研及生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。
二、實驗?zāi)康?/span>
了解熱電阻和熱電偶溫度計的測溫原理
學(xué)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(yīng)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(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計或標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)，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(dǎo)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，測量滯后小；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(dǎo)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(yīng)，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
溫差電勢的大小只與兩個接點的溫差有關(guān)，與導(dǎo)線的長短粗細和導(dǎo)線本身的溫度分布無關(guān)。這樣一對導(dǎo)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(dāng)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在沸點或熔點時的溫差電勢值。
2）標(biāo)準(zhǔn)熱電偶法，將待標(biāo)熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)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�？筛鶕�(jù)不同的用途選擇不同型號的熱電偶。目前我國已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)定值附近。采用標(biāo)準(zhǔn)玻璃溫度計測量的溫度作為標(biāo)準(zhǔn)溫度，用于校準(zhǔn)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(biāo)定和校準(zhǔn)。
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(biāo)
具有手動與自動測試功能，測試過程具有直觀、快速、準(zhǔn)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℃
