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1、内燃机测试技术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. 了解热电偶温度测量基本原理。2. 了解热电偶的温度特性。3. 了解热电偶的不同封装型式和使用特点。4. 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。
2、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oc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
3、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
4、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（C）S铂铑合金（铑含量10%）纯铂0 1400R铂铑合金（铑含量13%）纯铂0 1400B铂铑合金（铑含量30%）铂铑合金（铑含量6%）0 1400K镍铬镍硅2001000T纯铜铜镍200300J铁铜镍200600N镍铬硅镍硅2001200E镍铬铜镍200700表 1 常用热电偶类型参数表2. 热电偶温度特性 热
5、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。70605040302010丁 二勿 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 220C 温度，r热电偶的热电特性曲线（参考端图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。分度号规格/丝径mm测温范围C精度外观K聚四氟外包/0. 320-20
6、0I级II级金属网外包/060 400T聚四氟外包/0. 32聚四氟外包/0. 2聚四氟外包/0. 1-200200E金属网外包/060 400J金属网外包/060100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0800C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。铠装热电偶的三种结构形式露端式接壳式绝缘式铠装热电偶三种测量结构的比较结构形式特性露端式测量端露在外面，测温响应时间最快
7、，仅在干燥的非腐蚀介质中使用，不能在潮湿空气或液体中使用接壳式热电极与金属套管焊在一起，反应时间介于露端式和绝缘式之间，适用于外界信号干扰较小的场合使用绝缘式测量端封闭在内部，热电偶与套管之间相互绝缘，不易受外界信号干扰，是最常用的一种结构形式铠装热电偶热响应时间（参考值）热响应时间T 0.5 S露端式接壳式绝缘式套管直径mmL00. 10. 12.00.30.40. 53.00.40.6L 24.00.50.82. 55.00.7L24. 06.00. 82.06. 08.0L04.0& 0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、
8、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。261出线孔锁紧螺母2接线端子3接线瓷板4一保护管5绝缘瓷管6热电偶图 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|J V/C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
9、面的温度分度表中的数据是在冷端为0C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0C,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39.4V/C。 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
10、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+Rg+Ri。）I，其中只9=比0,故V=（1+2R9/R8）（Vh-VC）而运放U2B的V f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：V=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39.4V /C，为了和
11、TC1047的信号输出匹 配，故放大倍数（1+2R9/R8）=5mv/39.4V= 126.9,故最终的 公式如下：V =5mv.Th + 250m v,其中已经加入了环境温度的补偿 oh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
12、对比。 四实验设备和仪器稳压电源： MPS300L-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？
