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SBJYD-R6熱電阻和熱點(diǎn)偶溫度傳感器校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
一、概述
目前，測(cè)量溫度都采用間接測(cè)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(cè)量該性能參數(shù)，而得到被測(cè)溫度的大小。用以測(cè)量溫度特性的有：材料的熱膨脹、電阻、熱電動(dòng)勢(shì)、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(jiǎn)單、易于制造和測(cè)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(cè)量精度。為此需要進(jìn)行校正。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，適用于學(xué)生進(jìn)行熱工實(shí)驗(yàn)，也可以應(yīng)用于科研及生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)。
二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>
了解熱電阻和熱電偶溫度計(jì)的測(cè)溫原理
學(xué)會(huì)熱電偶溫度計(jì)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(cè)量的原理
掌握電位差計(jì)的原理和使用方法
了解數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的原理
應(yīng)用誤差分析理論于測(cè)溫結(jié)果分析。
三、實(shí)驗(yàn)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(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱是阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。熱電阻測(cè)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(lái)進(jìn)行溫度測(cè)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(shí)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(duì)測(cè)量的影響最大，用于測(cè)溫精度不高的場(chǎng)合，三線制可以減小熱電阻與測(cè)量?jī)x之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響，用與高精度溫度檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)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(duì)測(cè)量的影響。
(2) 熱電阻的校驗(yàn)
熱電阻的校驗(yàn)一般在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，除標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)需要作三定點(diǎn)，（水三相點(diǎn)，水沸點(diǎn)和鋅凝固點(diǎn)）校驗(yàn)外，實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)用的鉑或銅電阻溫度計(jì)的校驗(yàn)方法有采用比較法兩種校驗(yàn)方法。比較法是將標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)或標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)與被校電阻溫度計(jì)一起插入恒溫水浴中，在需要的或規(guī)定的幾個(gè)穩(wěn)定溫度下讀取標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和被校驗(yàn)溫度計(jì)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(yàn)時(shí)使用的恒溫器有冰點(diǎn)槽，恒溫水槽和恒溫油槽，根據(jù)所校驗(yàn)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(duì)溫度計(jì)刻度值逐個(gè)進(jìn)行比較校驗(yàn)，但所用的恒溫器規(guī)格多，一般實(shí)驗(yàn)室多不具備。因此，工業(yè)電阻溫度計(jì)可用兩點(diǎn)法進(jìn)行校驗(yàn)，即只校驗(yàn)R0與R100/ R0兩個(gè)參數(shù)。這種校驗(yàn)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(cè)得被校驗(yàn)電阻溫度計(jì)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(jì)是否合格。
(3) 熱電阻的類型
1）普通型熱電阻。從熱電阻的測(cè)溫原理可知，被測(cè)溫度的變化是直接通過(guò)熱電阻阻值的變化來(lái)測(cè)量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會(huì)給溫度測(cè)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、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅(jiān)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(nèi)部無(wú)空氣隙，熱慣性上，測(cè)量滯后小；②機(jī)械性能好、耐振，抗沖擊；③能彎曲，便于安裝④使用壽命長(zhǎng)。
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(jì)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(cè)端面的實(shí)際溫度，適用于測(cè)量軸瓦和其他機(jī)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(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(chǎng)不會(huì)引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla--B3c級(jí)區(qū)內(nèi)具有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的溫度測(cè)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(diǎn)的溫度不同，由于金屬的熱電效應(yīng)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與溫差有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電勢(shì)。在回路中串接一毫伏表，就能粗略地測(cè)出溫差電勢(shì)值。如圖1：
圖1 熱電偶原理
圖1 熱電偶原理
溫差電勢(shì)的大小只與兩個(gè)接點(diǎn)的溫差有關(guān)，與導(dǎo)線的長(zhǎng)短粗細(xì)和導(dǎo)線本身的溫度分布無(wú)關(guān)。這樣一對(duì)導(dǎo)線的組合就稱熱電偶溫度計(jì)。簡(jiǎn)稱熱電偶。
實(shí)驗(yàn)表明，在一定溫度范圍，溫差電勢(shì)E與兩接點(diǎn)的溫度T0, T存在著函數(shù)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(shì)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(dāng)測(cè)得溫差電勢(shì)后，即可求出另一個(gè)接點(diǎn)（熱端）的溫度。
(2) 熱電偶的標(biāo)定
將熱電偶做為溫度計(jì)，必須先將熱電偶的溫差電勢(shì)與溫度值T之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。一般不用內(nèi)插式計(jì)算，而是用實(shí)驗(yàn)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(diǎn)法，即測(cè)量已知沸點(diǎn)或熔點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在沸點(diǎn)或熔點(diǎn)時(shí)的溫差電勢(shì)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(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(cè)出每一點(diǎn)的溫差電勢(shì)。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(diǎn)。可根據(jù)不同的用途選擇不同型號(hào)的熱電偶。目前我國(guó)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(hào) |
新分度號(hào) |
舊分度號(hào) |
使用溫度0C |
|
|
長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)裝置
熱電偶實(shí)驗(yàn)裝置主要由恒溫水浴、電位差計(jì)、熱電偶、熱電阻、冰點(diǎn)儀、數(shù)據(jù)采集裝置、低電勢(shì)轉(zhuǎn)換開關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)玻璃溫度計(jì)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(jì)測(cè)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(yàn)原理圖
圖5熱電阻自動(dòng)采集與校驗(yàn)裝置圖
五、試驗(yàn)臺(tái)功能
對(duì)熱電阻和熱電偶溫度計(jì)進(jìn)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(dòng)勢(shì)可以采用電位差計(jì)手動(dòng)測(cè)量，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量。
每次可進(jìn)行多個(gè)熱電偶或者熱電阻測(cè)量。
對(duì)于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，采集通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理，可以多畫面顯示測(cè)量結(jié)果，自動(dòng)進(jìn)行分析。
六、試驗(yàn)臺(tái)特點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)
具有手動(dòng)與自動(dòng)測(cè)試功能，測(cè)試過(guò)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(dòng)度小于±0.5℃，溫度測(cè)量范圍為0-100℃。
對(duì)于自動(dòng)測(cè)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℃
