热电式传感器温度自动控制实验优化

1.实验目的

①掌握热电式传感器（热电阻、热电偶）的结构和基本工作原理。

②掌握热电式传感器温度自动控制的原理及实现方法。

③了解热电式传感器二次仪表（数字式指示调节仪）的功能及使用方法。

2.实验内容

用热电式传感器（热电阻、热电偶）设计一个电热水器，当热水器内的水温低于95°C时，控制电路给出控制信号，使电热水器的电源接通，给水加热，同时红色指示灯亮，表示正在给水加热。当热水器内的水温达到95°C时，控制电路自动切断热水器的电源，停止给水加热，使其处于保温状态，同时，红色指示灯熄灭，给出可饮用信号。

温度自动控制系统及电路自行设计完成。

3.实验原理

1）热电偶的基本工作原理及结构

热电偶工作的物理基础是热电效应，如图11.23所示，将两种不同性质的导体A、B组成闭合回路，若节点（1）、（2）处于不同的温度（T≠T0）时，两者之间将产生热电势，在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。分析表明，热电效应产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。

图11.23　热电效应原理示意图

如果热电偶两电极的材料相同，虽然两端温度不同，闭合回路的总热电势仍为零，因此，热电偶必须使用两种不同的材料作电极。如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即T＝T0，闭合回路中也不产生热电势。

普通热电偶的结构如图11.24所示，由热电极、绝缘套管、保护套管、接线盒及接线盒盖等部分组成。普通热电偶主要用于测量气体、蒸气和液体等介质的温度，这类热电偶已做成标准形式，可根据测温范围和环境条件来选择合适的热电极材料和保护套管。

图11.24　普通热电偶结构示意图

2）热电阻的基本工作原理及结构

热电阻是利用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度的。因此，要求作为测量用的热电阻材料必须具备这些特点：电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻率高，电阻与温度之间关系最好呈线性，并且在较宽的测量范围内具有稳定的物理和化学性质。目前应用得较多的热电阻材料是铂和铜等。

铂电阻的物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件和作为温度标准。铂电阻与温度的关系：

式中　RT——温度为T时的电阻；

R0——温度为0时的电阻；

T——任意温度；

A、B、C——分度系数。

热电阻的结构形式可根据实际使用需要制作成各种形状，通常都是将双线电阻丝绕在用石英、云母、陶瓷和塑料等材料制成的骨架上。图11.25是工业用铂热电阻体的结构，主要由铆钉、铂丝、骨架和银导线等部分组成。

图11.25　工业用铂热电阻体的结构

3）XM系列数字指示调节仪

XM系列数字指示调节仪是热电式传感器的专用二次仪表，可直接显示传感器的输出温度值。其原理框图如图11.26所示。

图11.26　XM系列数字指示调节仪的原理

被测各种物理量经传感器转换成电压、电阻或电流量输入，经输入电路变换成统一的毫伏信号，送放大器放大，同时进行线性化处理，使被测量与信号呈线性关系。处理后的信号分三路输出：第一路送A/D模数转换器，经译码驱动、自动调零、极性显示等电路，直接驱动LED，用数码管显示被测值；第二路送U/I转换器转换和功率放大，恒流输出；第三路则送比较电路与设置值进行比较，通过执行电路以接点信号形式作调节输出。

对热电偶类指示调节仪，其电路输入部分采用桥路形式进行温度补偿和调零，然后进入放大部分。放大电路采用交叉耦合差动跟随式放大电路，具有抗共模能力强、漂移低、失调小等特点。线性补偿由专用补偿板完成，线路简单，提高了长期工作的稳定性和可靠性。

XM系列数字指示调节仪的主要技术指标如下：

①使用方式：盘装式

②指示方式：数码管显示，最大读数为1 999

③基本误差：±5%F·S±1（F·S为显示量程）

④分辨力：|200°C|以下为0.1°C，|200°C|以上为1°C

⑤最大波动量：小于两个分辨力值

⑥零点漂移：1h内小于基本误差的1/5

⑦工作电源：220（1±10%）V，50Hz

⑧工作环境：温度－10～+50°C，相对湿度≤90%(www.xing528.com)

⑨恒流输出：负载能力0～10 mA为0～1.5 kΩ，负载能力4～20 mA为0～450 Ω

⑩位式控制：设定范围为全量程，控制误差小于±0.5%F·S±1个字，输出节点容量为220 V/3 A

4.实验仪器及材料

①热电偶传感器及XMT-101数字指示调节仪

分度号：E；测温范围：0～200°C；准确度：0.5级

②热电阻传感器及XMT-122数字指示调节仪

分度号：Pt100；测温范围：0～200°C；准确度：0.5级

③水银温度计（0～300°C）

④万用表（BF-30）

⑤电炉及水壶

⑥稳压电源（DH1718-4）

⑦继电器（控制电压为DC5 V）

⑧电源线

⑨导线

⑩绝缘胶带

剥线钳、改刀、尖嘴钳、剪刀等工具

5.实验报告要求

给出温度自动控制系统的电连接图。

6.实验仪器使用说明

1）XMT-101数字指示调节仪

XMT-101数字指示调节仪是热电偶类型的二位式调节（上限报警式）指示调节仪，准确度为0.5级，分度为E，量程为0～200°C。该仪器的正面板上有一个数字显示面板表，用于显示温度值，单位为°C，如图11.27所示。

图11.27　XMT-101数字指示调节仪的前面板

当“H”键按下后，数字面板表显示的是实际测量温度值。而当“H”键弹起时，显示的是预设置的“上限温度”值。这个“上限温度”值可通过面板上的调节旋钮进行调节和设定。

XMT-101数字指示调节仪的后面板端子如图11.28所示。两个输入端连接热电偶传感器的输出线，“+”和“－”极分别接红色和绿色输出线。电源采用220 V（50 Hz）的交流电。

图11.28　XMT-101数字指示调节仪的后面板端子

上限电接点1、2、3的状态说明：

①当热电偶实测温度低于“上限温度”时，电接点端子1、2开路，处于“断”状态，而端子1、3短路，处于“通”状态。

②当热电偶实测温度达到或高于“上限温度”时，电接点端子1、2短路，处于“通”状态，而端子1、3开路，处于“断”状态。

2）XMT-122数字指示调节仪

XMT-122数字指示调节仪是热电阻类三位宽中间带调节（上、下限报警式）的指示调节仪，其准确度为0.5级，分度为Pt100，量程为0～200°C。XMT-122指示调节仪的前面板包括数字显示面板表、“H”键、“L”键及相应的调节旋钮，如图11.29所示。

图11.29　XMT-122数字指示调节仪的前面板

当“H”键和“L”键同时按下，数字面板表显示的是实际测量温度。当“H”键按下，而“L”键弹起时，面板表显示的是“上限温度”值，对应的是仪表后面板“上限电接点”端子。“上限温度”值可通过前面板上相应的调节旋钮进行调节和设置。当“H”键弹起，而“L”键按下，面板表显示的是“下限温度”值，对应的是仪表后面板的“下限电接点”端子。“下限温度”值也可通过前面板上相应的调节旋钮进行调节和设置。当“H”键和“L”键均弹起，此时与“H”键弹起、“L”键按下时的状态相同。

XMT-122数字指示调节仪的后面板端子如图11.30所示。三个输入端连接热电阻传感器的输出线，A、B、C端子分别接热电阻的红、黑、黄色输出线。电源采用220 V（50 Hz）的交流电。

图11.30　XMT-122数字指示调节仪的后面板端子

上（下）限电接点1、2、3的状态说明：

①当热电阻实测温度低于“上（下）限温度”时，上（下）限电接点端子1、2开路，处于“断“状态，而端子1、3短路，处于“通”状态。

②当热电阻实测温度达到或高于“上（下）限温度”时，上（下）限电接点端子1、2短路，处于“通”状态，而端子1、3开路，处于“断”状态。