使用K型热电偶测量加热源温度的方法和注意事项

一、任务目标

通过本任务的学习，帮助学生了解热电效应，了解热电偶的材料、结构和通用热电偶，掌握热电偶冷端温度补偿及其方法，学会使用K 型热电偶测量加热源温度。

二、任务分析

练习

（1）将两种不同的金属丝组成回路，如果两种金属丝的两个结点有________，在回路内就会产生热电动势，这就是________效应，热电偶就是利用这一原理制成的一种温差测量传感器，置于被测温度场的结点称为________，另一结点称为________。

（2）热电偶是一种温差测量传感器。为直接反映温度场的摄氏温度值，需对其自由端进行________。热电偶冷端温度补偿的方法有：________、________和________。如图3-28所示，它是在热电偶和测温仪表之间接入一个直流电桥，称为________。补偿电桥与热电偶冷端处在同一环境温度，当冷端温度变化引起的热电动势EAB（T，T0）变化时，由于RCu的阻值随冷端温度变化而变化，适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于冷端温度T0 变化引起的热电动势变化量，从而达到自动补偿的目的。

图3-28　电桥补偿原理图

思考

用一支分度号为K（镍铬-镍硅）的热电偶测量温度源的温度，工作时的参考端温度（室温）T0＝20 ℃，而测得热电偶输出的热电动势（经过放大器放大的信号，假设放大器的增益k＝10）为32.7 mV，则E（T，T0）＝32.7 mV／10＝3.27 mV，那么热电偶测得温度源的温度是多少呢？

三、任务实施

1.认识K 型热电偶及其实验模块

本任务所使用的K 型热电偶如图3-29所示，温度传感器实验模块如图3-30所示。除了K 型热电偶和温度传感器实验模块外，本任务的实施还要用到直流稳压电源、智能调节仪、Pt100 热电阻、温度源、连接线等。

图3-29　K 型热电偶

图3-30　温度传感器实验模块

2.热电偶测温的工作原理

热电偶是一种使用最多的温度传感器，它的原理是热电效应，即两种不同的导体或半导体A 或B 组成一个回路，其两端相互连接，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，另一端温度为T0，则回路中就有电流产生，即回路中存在电动势，该电动势被称为热电动势。经过推理换算，得出即所产生的热电动势是被测温度的函数，即可通过测量电动势计算所测温度。

3.任务实施步骤

1）智能调节仪温控电路接线。按照加热源、风扇电源和温度传感器顺序接线。加热源接交流0～220 V 电源；风扇电源通过“继电器输出” 接直流24 V；在控制台上的“智能调节仪” 单元中“输入” 选择“Pt100”。根据图3-31（a）所示将安装在Pt100 热电阻安装在温度传感器特性测试加热源上实验模块中，并与智能调节仪相连，安装好后实物图如图3-31（b）所示。

图3-31　加热源接线图

（a）示意图；（b）实物图

2）设定加热源的初始温度。闭合电源开关，包括智能调节仪电源，此时智能调节仪显示的初始值为室温，将设定温度改为实验所需的初始温度50 ℃，单击智能调节仪面板上的“SET” 按钮，则设定值的末位被选中，如果需要改变高位的值，请按左键“”，而改变值的大小请按上“” 或下“” 键。设定完毕，再次单击“SET” 按钮，新的设定值（小于120）就被确定。

3）将K 型热电偶插入加热源。智能调节仪显示框的数值开始跳动，最终趋于设定值50 ℃，在另一个温度传感器插孔中插入K 型热电偶温度传感器。

4）差分放大器调零。将±15 V 直流稳压电源接入温度传感器实验模块中。温度传感器实验模块的输出Uo2接实验台直流电压表。将温度传感器实验模块上差动放大器的输入端Ui短接，调节RW3到最大位置，再调节电位器RW4使直流电压表显示为零。

5）热电偶测温。拿掉短路线，按图3-32（a）接线，并将K 型热电偶的两根引线中热端（红色）接a，冷端（绿色）接b，实物接线图如图3-32（b）所示。改变加热源的温度，每隔5 ℃记下Uo2的输出值。直到温度升至120 ℃，并将实验结果填入表3-3。

图3-32　K 型热电偶测温接线图

（a）示意图；（b）实物图

表3-3　K 型热电偶输出电压与温度的关系(www.xing528.com)

6）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

4.数据处理

根据表3-3数据绘制K 型热电偶的输出电压与温度的关系曲线（Uo-T 曲线），如图3-33所示。

图3-33　K 型热电偶Uo-T 曲线

5.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表3-4。

表3-4　K 型热电偶温度测量评分表

四、任务拓展

将测得的输出电压除以差分放大器的放大倍数，得到实际的输出电压值，并将该数值与K 型热电偶的分度表进行对照，可以发现测量的热电动势偏小。那是因为热电偶的分度表均是在冷端温度为0 ℃时做出的，而以上实验在室温下完成，冷端温度等于室温，测得热电偶产生的热电动势必然会有误差，所以通常需要进行冷端温度补偿。在温度传感器实验模块上有一个补偿电桥，可以利用它实现冷端温度补偿，请自己动手做一做。

1.仪器设备及器材

直流稳压电源、直流电压表、智能调节仪、Pt100 热电阻、K 型热电偶、加热源、温度传感器实验模块。

2.工作原理

本实验利用电桥补偿法实现热电偶冷端温度补偿，补偿电桥安装在温度传感器实验模块上。补偿电桥在0 ℃时达到平衡（亦有20 ℃平衡）。当热电偶自由端温度升高时（＞0 ℃）热电偶回路电动势Uab下降，由于补偿器中，PN 呈负温度系数，其正向压降随温度升高而下降，促使Uab上升，其值正好补偿热电偶因自由端温度升高而降低的电动势，达到补偿目的。

3.实验步骤

1）重复以上任务实施步骤中的1）～4）。

2）接入补偿电桥。拿掉短路导线，按图3-34接线，并将K 型热电偶的两个引线分别接入模块两端（红接a，蓝接b）；调节RW1使温度传感器输出Uo2电压值为AE2。（A 为差动放大器的放大倍数、E2 为K 型热电偶50 ℃时对应输出的热电动势）。

3）K 型热电偶测温。改变加热源温度，每隔5 ℃记下Uo2 的输出值，直到温度升至120 ℃，并将实验结果填入表3-5。

图3-34　电桥补偿法

表3-5　K 型热电偶输出电压与温度的关系

4）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

4.数据处理

根据表3-5的实验数据，作出K 型热电偶输出电压与温度的关系曲线（Uo-T 曲线），如图3-35所示。

图3-35　冷端温度补偿后的K 型热电偶Uo-T 曲线

5.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表3-6。

表3-6　K 型热电偶冷端温度补偿评分表