热电偶温度测量试验

实验

热电偶温度测量试验

实验学时：2

实验类型：基础型 实验对象：本科生

一．实验目的：

1. 2. 3. 4.

了解热电偶温度测量基本原理。 了解热电偶的温度特性。

了解热电偶的不同封装型式和使用特点。

掌握热电偶温度测量电路实现和关键参数计算。

二．实验原理及设备说明

1.热电偶温度测量基本原理

热电偶是一种感温元件，是一次仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。

在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表， 测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。

热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：

1：热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数；

2 ：热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；

3：当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的

热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。常用热电偶类型，材料和测量范围如表1所示。 类型 热电极材料 正极 热电极材料 负极 温度范围（℃） S 铂铑合金（铑含量10%） 纯铂 0～1400 R 铂铑合金（铑含量13%） 纯铂 0～1400 B 铂铑合金（铑含量30%） 铂铑合金（铑含量6%） 0～1400 K 镍铬 镍硅 －200～1000 T 纯铜 铜镍 －200～300 J 铁 铜镍 －200～600 N 镍铬硅 镍硅 －200～1200 E 镍铬 铜镍 －200～700 表1 常用热电偶类型参数表 2. 热电偶温度特性

热电偶由于热电极材料的不同，因此温度系数和测量范围也不同，常用热电偶类型的温度测量曲线如图1所示。

图1常用热电偶温度特性曲线

3.热电偶封装形式和使用特点

按照热电偶的组成结构分为热电偶测温导线、铠装热电偶、装配式热电偶。 3.1热电偶测温导线

用外带绝缘的热电偶丝材焊接而成，是测温产品里结构最为简单的一种，响应速度极快。表2为常用热电偶测温导线类型。

表2 常用热电偶测温导线

3.2铠装热电偶

铠装热电偶的结构原理是：由热电偶丝、高纯氧化镁和不锈钢保护管经多次复合一体拉制而成,具有能弯曲、耐高压、耐震动、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，可以直接测量各种生产过程中0～800℃范围内的液体、气体介质以及固体表面的温度。

图2 是常用铠装热电偶的类型和特点。

图2 铠装热电偶封装和特性

3.3装配式热电偶

装配式热电偶主要由接线盒、保护管、绝缘套管、接线端子、热电极组成基本结构，并配以各种安装固定装置组成。 图3为装配型热电偶外观图。

图3 装配型热电偶

4. 热电偶温度测量电路的实现和关键参数计算

由于热电偶的基本原理是热电势，热电势的信号非常小，一般情况下，全量程输出信号在几十mV左右，温度系数在几十μV／℃左右，因此热电偶的测量一般采用仪表运算放大器来实现。仪表运放的特点是在普通运放的基础上，内阻更大，放大倍数更大，同时放大倍数可以灵活匹配，而且可以处理较大范围的共模信号。

热电偶温度测量的另外一个问题就是冷端补偿问题，因为热电偶输出电势为冷端和热端热电势之差，上面的温度分度表中的数据是在冷端为0℃的情况下测量的，而在实际的应用环境中，冷端并不是绝对的0℃，因此必须加上冷端的信号补偿，最终才能得到真正的热端电势，从而计算出真正的温度。冷端补偿的方式很多，有恒流源和恒压源以及环境直接补偿等方式。本试验中采用环境温度直接补偿方式。本次试验采用的热电偶为K型热电偶，温度系数为39.4μV／℃。本试验采用的测量原理图如图4所示。

图4 热电偶温度测量电路

关键参数计算如下：

TL431为电压基准源，输出为2.5V，这里主要为热电偶输入端上拉使用，运放采用了2运放集成的MC33202；

热电偶正端和负端分别通过上拉电阻和电容滤波，然后送到第一级的运放中，设定热端电势为VH，冷端电势为VC，则运放R8中间的电流I为：

I=（VH-VC）／R8;

运放U2B为差分运放，其正负输入端压差： V＝（R8+R9+R10）I，其中R9=R10,故 V＝（1+2R9／R8）(VH-VC)

而运放U2B的Vref为TC1047的输出，故可以得出最终的输出电压： Vo=VTC1047+（1+2R9／R8）(VH-VC)

而TC1047的信号输出为：V1=10mv.t＋500mv，其中，t为环境温度 因此为了考虑AD的0-5V输入范围和温度测量范围，对TC1047的输出信号进行了分压，因此Vref的信号为：V2=5mv.t＋250mv

由于K型热电偶的温度系数为39.4μV／℃，为了和TC1047的信号输出匹配，故放大倍数（1+2R9／R8）＝5mv／39.4μV＝126.9,故最终的 公式如下：

Vo=5mv.Th＋250mv，其中已经加入了环境温度的补偿 该电路的特点有两个：

1. 该电路采用单电源实现负温度测量，从上面的推导可以看出，由于

TC1047的环境补偿，负温度测量可以实现；

2. 该电路可以根据需要灵活配置成其他类型的热电偶测量，主要的工作

是放大倍数的匹配。

三．实验内容

1.设计实现上面的热电偶温度测量电路，并对元件参数进行计算

2.测量热电偶温度传感器在不同温度下的电压值，根据热电偶分度表计算温度值。

3.用温度计记录上面不同温度下的读数，两者进行对比。 四．实验设备和仪器 稳压电源：MPS－300L-3 示波器：RIGOL DS1302CA 电路试验板

烙铁等焊接工具

K型热电偶温度传感器 温度计

产用电子元器件，电阻电容和运放（MC33202和TLC272）等 个人计算机

TC1047环境温度传感器 五．实验结果分析

1.不同温度下，热电偶输出电压值。 2.不同温度下，温度计读数值。 3.两者温度曲线对比分析

4.查询资料并绘制绘制K热电偶分度表曲线（上网查阅） 六．思考题

1.此电路中为什么要对热电偶输入信号正负端进行上拉？（开路状态时有稳定的

输出，同时对信号进行电压偏置，保证在5V电源的一半，第一级运放不出现饱和）

2.该测量电路中，初始时读数不是250mv，为什么？ 3.此种测量方式为什么能测量负温度？

4.单电源和双电源运放有什么不同，使用上各自特点是什么？