热电阻热电偶温度传感器校准实验
湖南大学实验指导书
课程名称： 实验类型：
实验名称： 热电阻热电偶温度传感器校准实验
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一、 实验目的
1.了解热电阻和热电偶温度计的测温原理 2.学会热电偶温度计的制作与校正方法 3.了解二线制、三线制和四线制热电阻温度测量的原理
4.掌握电位差计的原理和使用方法 5.了解数据自动采集的原理 6.应用误差分析理论于测温结果分析。
二、 实验原理
1. 热电阻 (1) 热电阻原理 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0—630.74℃以内，电阻Rt与温度t的关系为：
Rt=R0(1+At+Bt2)
R0系温度为0℃时的电阻，铂电阻内部引线方式有两线制，三线制，和四线制三种，两线制中引线电阻对测量的影响最大，用于测温精度不高的场合，三线制可以减小热电阻与测量仪之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用与高精度温度检测。本实验是三线制连接，其中一端接二根引线主要是消除引线电阻对测量的影响。
(2) 热电阻的校验
热电阻的校验一般在实验室中进行，除标准铂电阻温度计需要作三定点，（水三相点，水沸点和锌凝固点）校验外，实验室和工业用的铂或铜电阻温度计的校验方法有采用比较法两种校验方法。比较法是将标准水银温度计或标准铂电阻温度计与被校电阻温度计一起插入恒温水浴中，在需要的或规定的几个稳定温度下读取标准温度计和被校验温度计的示值并进行比较，其偏差不超过最大允许偏差。在校验时使用的恒温器有冰点槽，恒温水槽和恒温油槽，根据所校验的温度范围选取恒温器。比较法虽然可用调整恒温器温度的方法对温度计刻度值逐个进行比较校验，但所用的恒温器规格多，一般实验室多不具备。因此，工业电阻温度计可用两点法进行校验，即只校验R0与R100/ R0两个参数。这种校验方法只需要有冰点槽和水沸点槽，分别在这两个恒温槽中测得被校验电阻温度计的电阻R0 和R100，然后检查R0 值和R100/R0 的比值是否满足规定的技术数据指标，以确定温度计是否合格。
(3) 热电阻的类型 1）普通型热电阻。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。
2）铠装热电阻。铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为φ2--φ8mm。与普通型热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。
3）端面热电阻。端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。
4）隔爆型热电阻。隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于Bla--B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。
2. 热电偶 (1) 热电偶原理 将两种不同材质的金属导线连接成闭合回路，如果两接点的温度不同，由于金属的热电效应，在回路中就会产生一个与温差有关的电动势，称为温差电势。在回路中串接一毫伏表，就能粗略地测出温差电势值。如图1：
图1 热电偶原理
温差电势的大小只与两个接点的温差有关，与导线的长短粗细和导线本身的温度分布无关。这样一对导线的组合就称热电偶温度计。简称热电偶。
实验表明，在一定温度范围，温差电势E与两接点的温度T0, T存在着函数关系E=F(T0 , T), 如果一个接点T0（通常指冷端）的温度保持不变，则温差电势就只与另一个接点T（通常指热端）的温度有关，即E=F(T) ，当测得温差电势后，即可求出另一个接点（热端）的温度。
为了增加温差电势，提高测量精度，可将几个热电偶串联成热电堆，如图2：
热端（测量点） 冷端（参考点）
图2 热电偶示意图
(2) 热电偶的标定 将热电偶做为温度计，必须先将热电偶的温差电势与温度值T之间的关系进行标定。一般不用内插式计算，而是用实验方法，用表格或T-E（或E-T）特性曲线形式表示。标定方法，一般采用：
1）固定点法，即测量已知沸点或熔点温度的标准物质在沸点或熔点时的温差电势值。
2）标准热电偶法，将待标热电偶与标准热电偶一起置于恒温介质中，逐点改变恒温介质的温度，待热电偶处于热平衡状态下测出每一点的温差电势。热电偶的T-E特性曲线如下图3： 电位差计
图3 热电偶T-E 特性曲线
(3) 热电偶的分类 热电偶的种类繁多，各有其优缺点。可根据不同的用途选择不同型号的热电偶。目前我国已经标准化的常用商品热电偶，有以下几种
表1 热电偶分类
热电偶分类 型号 新分度号 旧分度号 使用温度0C
长期 短期
铁-康铜 / Ｊ TK 400 800
镍铬-镍硅 WREU K EU-2 1000 1300
铜-康铜 WRCK T CK 600 800
三、 实验装置
热电偶实验装置主要由恒温水浴、电位差计、热电偶、热电阻、冰点仪、数据采集装置、低电势转换开关和标准玻璃温度计等组成。恒温水浴上具有搅拌、加热与温度控制装置，可根据要求将温度稳定在设定值附近。采用标准玻璃温
度计测量的温度作为标准温度，用于校准热电偶和热电阻。可以采用手动与自动采集方式进行采集。数据采集仪1－4#通道用于采集热电偶电势，5－7#通道用于采集热电阻电势，其中5＃通道用于连接四线制热电阻，6#通道用于连接二线制热电阻，7#通道用于连接三线制热电阻通道。
电位差计恒温水浴玻璃温度计冰点仪热电偶温控装置数据采集装置计算机显示与处理系统热电阻电源指示二线三线四线图4 热电阻与热电偶校验原理与接线图
四、 实验内容
1). 了解热电阻测温原理，练习热电阻二三线制接法；
2). 做出被校热电阻与标准温度计之间的曲线关系，通过查标准热电阻温度与阻值关系进行分析；
3). 了解热电偶的测温原理、温度补偿方法，练习热电偶连线与测温；
4). 做出被校热电偶温度与电势曲线，通过查标准热电偶与电势关系进行分析；
5). 练习电位差计测量电势方法，了解校验实验台自动采集原理。
五、 操作步骤
如果采用计算机自动采集数据，则操作步骤如下：
1). 恒温水浴内加好水，冰瓶内放入冰水混合物。
2). 将热电阻与热电偶按上图4所示连好，其中热电偶冷端放入冰瓶，并保证热电偶连线在冰瓶内10分钟以上。检查热电阻、热电偶的高温探头是否都浸在恒温水浴里。热电偶和热电阻高温探头头部要在同一水平面，以使两者温度尽可能一致。（注意：待需要测量恒温水浴精准温度时，才将温度计插入恒温水浴，以免误操作造成标准温度计损坏。且标准温度计也要和热电偶、热电阻高温探头在同一水平面）。
3). 打开恒温水浴电源按钮，按下“加热”，“水泵”按钮，设定恒温水浴温度。
4). 打开控制柜的开关，打开电脑并启动热电偶热电阻校验系统软件，然后新建实验。新建实验完成后启动软件“开始”按钮，进行数据采集。
5). 加热恒温水浴到设定温度，待软件提示“恒温水浴状态稳定”后，点击“采集稳态数据”按钮，选择量程适当的标准温度计温度测量出水浴温度，并写入计算机后，计算机自动采集当前传感器的电势值或电阻并予以保存。
6). 实验者根据需要重复步骤5。 7). 完成实验时，点击计算机软件按钮“停止”，终止实验，并将数据导出。
8). 退出测控软件，关闭电脑、控制箱以及恒温水槽。
9). 根据记录的实验数据，进行分析与处理，最终得到不同温度情况下电势与电阻值。
10). 应用误差分析理论进行测温结果分析。
如果采用手动数据采集，则操作步骤如下：
1). 恒温水浴内加好水，冰瓶内放入冰水混合物。
2). 将热电阻与热电偶按上图4所示连好，其中热电偶冷端放入冰瓶，并保证热电偶连线在冰瓶内10分钟以上。检查热电阻、热电偶的高
温探头是否都浸在恒温水浴里。热电偶和热电阻高温探头头部要在同一水平面，以使两者温度尽可能一致。（注意：待需要测量恒温水浴精准温度时，才将温度计插入恒温水浴，以免误操作造成标准温度计损坏。且标准温度计也要和热电偶、热电阻高温探头在同一水平面）。
3). 打开恒温水浴电源，按下“加热”，“水泵”按钮，设定恒温水浴温度，待温度比较稳定的时候，选择量程适当的标准温度计温度测量出水浴温度，采用电位差计测量各热电偶通道电势，采用万用表测量热电阻的电阻值，并做好记录。
4). 实验者根据需要重复步骤3。 5). 完成实验时，关闭恒温水浴电源。 6). 根据记录的实验数据，进行分析与处理，最终得到不同温度情况下电势与电阻值。
7). 应用误差分析理论进行测温结果分析。
六、注意事项
1． 实验之前应将加热主体加入适量的水或油。 2． 工作环境应无强磁场，温度0~35℃，相对湿度不大于85%。
3． 注意：采用高精度玻璃温度计测量温度，注意温度测量范围，以免导致温度计损毁。当恒温水槽温度低于25℃时，采用0－25℃范围的标准玻璃温度计；当恒温水槽温度在25~50℃之间时，采用25－50℃范围的标准玻璃温度计；当恒温水槽温度在50~75℃之间时，采用50－75℃范围的标准玻璃温度计；当恒温水槽温度在75~100℃之间时，采用75－100℃范围的标准玻璃温度计。
4． 当水槽温度比较高的时候，注意防止烫伤。 5． 防止水槽的水溅出影响其他电气设备。
七、数据整理
表2 热电阻、热电偶温度传感器校验数据
序号 温度/℃ J型热电偶/mV T型热电偶/mV K型热电偶/mV 二线制热电阻/Ω 四线制热电阻/Ω 三线制热电阻/Ω 三线制热电阻/Ω
1 31.0 0.426 0.340 0.330 112.330 111.95 112.20 112.49
2 35.4 0.650 0.510 0.510 114.098 113.74 113.98 114.28
热电阻、热电偶温度传感器校验曲线如下图所示：