實(shí)驗(yàn)3 溫度傳感器特性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)3溫度傳感器特性實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、研究Pt100鉑電阻、Cu50銅電阻的溫度特性及其測溫原理。2、研究比較不同溫度傳感器的溫度特性及其測溫原理。3、掌握單臂電橋及非平衡電橋的原理，及其應(yīng)用。4.研究熱電偶的溫差電動勢。5.、學(xué)習(xí)熱電偶測溫的原理及其方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】九孔板，DH-VC1直流恒壓源恒流源，DH-SJ5型溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置，數(shù)字萬用表，電阻箱?！緦?shí)驗(yàn)原理】1、Pt100鉑電阻的測溫原理金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化,并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，通常使用的鉑電阻溫度傳感器零度阻值為100Ω，電阻變化率為0.3851Ω/℃。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)（-200～650℃）最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)（涵蓋國家和世界基準(zhǔn)溫度）供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。2、Cu50銅電阻溫度特性原理銅電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時(shí)本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測量溫度的。銅電阻的受熱部分（感溫元件）是用細(xì)金屬絲均勻地雙繞在絕緣材料制成的骨架上，當(dāng)被測介質(zhì)中有溫度梯度存在時(shí)，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。3.熱電偶測溫原理熱電偶亦稱溫差電偶，是由A、B兩種不同材料的金屬絲的端點(diǎn)彼此緊密接觸而組成的。當(dāng)兩個接點(diǎn)處于不同溫度時(shí)，在回路中就有直流電動勢產(chǎn)生，該電動勢稱為溫差電動勢或熱電動勢。當(dāng)組成熱電偶的材料一定時(shí)，溫差電動勢Ex僅與兩接點(diǎn)處的溫度有關(guān)，并且兩接點(diǎn)的溫差在一定的溫度范圍內(nèi)有如下近似關(guān)系式：EX≈α(t-t0)（1）式中α稱為溫差電系數(shù)，對于不同金屬組成的熱電偶,α是不同的，其數(shù)值上等于兩接點(diǎn)溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的電動勢。t為工作端的溫度，t0為冷端的溫度。為了測量溫差電動勢，就需要在圖中的回路中接入電位差計(jì)，但測量儀器的引入不能影響熱電偶原來的性質(zhì)，例如不影響它在一定的溫差t-t0下應(yīng)有的電動勢EX值。要做到這一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證一定的條件。根據(jù)伏打定律，即在A、B兩種金屬之間插入第三種金屬C時(shí)，若它與A、B的兩連接點(diǎn)處于同一溫度t0，則該閉合回路的溫差電動勢與上述只有A、B兩種金屬組成回路時(shí)的數(shù)值完全相同。所以，我們把A、B兩根不同化學(xué)成份的金屬絲的一端焊在一起，構(gòu)成熱電偶的熱端(工作端)。將另兩端各與銅引線(即第三種金屬C)焊接，構(gòu)成兩個同溫度(t0)的冷端(自由端)。銅引線與電位差計(jì)相連，這樣就組成一個熱電偶溫度計(jì)。如圖所示。通常將冷端置于冰水混合物中，保持t0=0℃，將熱端置于待測溫度處，即可測得相應(yīng)的溫差電動勢，再根據(jù)事先校正好的曲線或數(shù)據(jù)來求出溫度t在本實(shí)驗(yàn)的熱電偶為銅-康銅熱電偶，屬于T型熱電偶。其測溫范圍－270～400℃；優(yōu)點(diǎn)有：熱電動勢的直線性好；低溫特性良好；再現(xiàn)性好，精度高；但是(+)端的銅易氧化?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】單臂電橋法1）根據(jù)單臂電橋原理按上圖連接成單臂電橋形式。運(yùn)用萬用表，自行判定三線制Pt100的接線。將R3用電位器代替。用DH-VC1直流恒壓源恒流源的恒壓源來提供穩(wěn)定的電壓源，范圍0~5V。注意：將電壓由0~5V緩慢調(diào)節(jié)，具體電壓自定。2）將溫度傳感器作為其中的一個臂。根據(jù)不同的溫度傳感器，把電阻器件調(diào)到與Pt100或Cu50溫度傳感器對應(yīng)的阻值（Cu50在0℃的阻值是50Ω，比較臂R3的阻值可以按照同樣思路來匹配），仔細(xì)調(diào)節(jié)比較臂R33）把傳感器直接插在溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置的恒溫爐中。通過溫控儀加熱，在不同的溫度下，觀察Pt100鉑電阻和Cu50銅電阻的阻值的變化，從室溫到120℃每隔10℃(或自定度數(shù))測一個數(shù)據(jù)，將測量數(shù)據(jù)逐一記錄在表格內(nèi)。4)以溫標(biāo)為橫軸，以電壓為縱軸，用所測的各對應(yīng)數(shù)據(jù)作出V-t曲線。5）已知pt100和Cu50在50度的電阻分別為119.40和60.70歐姆。根據(jù)自己測得數(shù)據(jù)，計(jì)算對應(yīng)溫度電阻，并與標(biāo)準(zhǔn)值比較，如有誤差，分析原因。由于降溫過程時(shí)間較長，建議pt100鉑電阻升溫過程中測量，Cu50銅電阻降溫過程中測量。注意：加熱溫度上限不能超過120度，達(dá)到預(yù)熱溫度，馬上關(guān)閉加熱電流。風(fēng)扇電流檔位打到開，加熱電流逆時(shí)針調(diào)到最小，再把溫度設(shè)定到室溫或室溫以下。6.對熱電偶進(jìn)行定標(biāo)，并求出熱電偶的溫差電系數(shù)α0。7.用實(shí)驗(yàn)方法測量熱電偶的溫差電動勢與工作端溫度之間的關(guān)系曲線，稱為對熱電偶定標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)采用常用的比較定標(biāo)法，即用一標(biāo)準(zhǔn)的測溫儀器，與待測熱電偶置于同一能改變溫度的調(diào)溫裝置中，測出Ex-t定標(biāo)曲線。具體步驟如下：(1)按圖3-7所示原理連接線路，注意熱電偶的正、負(fù)極的正確連接。將熱電偶的冷端置于冰水混合物中之中，確保t0=0℃。測溫端直接插在恒溫爐內(nèi)。(2)測量待測熱電偶的電動勢。用萬用表測出室溫時(shí)熱電偶的電動勢，然后開啟溫控儀電源，給熱端加溫。每隔10℃左右測一組(t，Ex)，直至100℃為止。由于升溫測量時(shí)，溫度是動態(tài)變化的，故測量時(shí)可提前2℃進(jìn)行跟蹤，以保證測量速度與測量精度。再做一次降溫測量，即先升溫至1作出熱電偶定標(biāo)Ex～t曲線用直角坐標(biāo)系作Ex～t曲線。定標(biāo)曲線為不光滑的折線，相鄰點(diǎn)應(yīng)直線相連，從而得到除校正點(diǎn)之外其他點(diǎn)的電動勢和溫度之間的關(guān)系。所以，作出了定標(biāo)曲線，熱電偶便可以作為溫度計(jì)使用了。3．求銅－康銅熱電偶的溫差電系數(shù)α在本實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，Ex-t函數(shù)關(guān)系近似為線性，即E2=α×t(t0=0℃)。所以，在定標(biāo)曲線上可給出線性化后的平均直線，從而求得α。在直線上取兩點(diǎn)a(Ea，ta)，b(Eb，tb（2）即為所求的。注意事項(xiàng)（1）傳感器頭如果沒有完全侵入到冰水混合物中，或接觸到保溫杯壁會對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。（2）傳感器頭如果沒有接觸恒溫爐孔的底部，會對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。（3）加了鎧甲封裝的要比未加鎧甲封裝的熱電偶誤差要大。（預(yù)習(xí)思考題）1.比較pt100和Cu50電阻作為溫度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)2.在采用三線制的電路中，如何用萬用表檢測溫度傳感器是否正常工作？3.為什么傳感器一般都加裝保護(hù)套？4.試驗(yàn)中為什么用冰水混合物作為冷端？【數(shù)據(jù)記錄1】Pt100鉑電阻數(shù)據(jù)記錄室溫℃序號12345678910溫度（℃）電壓/V序號1112131415溫度（℃）電壓/V【數(shù)據(jù)記錄2】Cu50銅電阻數(shù)據(jù)記錄室溫℃序號12345678910溫度（℃）電壓/V序號1112131415溫度（℃）電壓/V[數(shù)據(jù)記錄3]熱電偶定標(biāo)數(shù)據(jù)記錄室溫t_________℃ENt=___________Vt0=0序號12345678910溫度t(℃)電動勢(mV)序號1112131415溫度t(℃)電動勢(mV)附錄溫度傳感器概述溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量。測溫傳感器就是將溫度信息轉(zhuǎn)換成易于傳遞和處理的電信號的傳感器。一、測溫傳感器的分類1.1電阻式傳感器熱電阻式傳感器是利用導(dǎo)電物體的電阻率隨溫度而變化的效應(yīng)制成的傳感器。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。它分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類。金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即

Rt=Rt0[1+α(t-t0)]

式中，Rt為溫度t時(shí)的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0℃）時(shí)對應(yīng)電阻值；α為溫度系數(shù)。常用的熱電阻有鉑熱電阻、熱敏電阻和銅熱電阻。其中鉑電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。金屬鉑具有電阻溫度系數(shù)大，感應(yīng)靈敏；電阻率高，元件尺寸?。浑娮柚惦S溫度變化而變化基本呈線性關(guān)系；在測溫范圍內(nèi)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，長期復(fù)現(xiàn)性好，測量精度高，是目前公認(rèn)制造熱電阻的最好材料。但鉑在高溫下，易受還原性介質(zhì)的污染，使鉑絲變脆并改變電阻與溫度之間的線性關(guān)系，因此使用時(shí)應(yīng)裝在保護(hù)套管中。用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，通常使用的鉑電阻溫度傳感器零度阻值為100Ω，電阻變化率為0.3851Ω/℃，TCR=(R100-R0)/(R0×100)，R0為0℃的阻值，R100為100℃的阻值，按IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)，溫度系數(shù)TCR=0.003851，Pt100（R0=100Ω）、Pt1000（R0=1000Ω）為統(tǒng)一設(shè)計(jì)型鉑電阻。鉑熱電阻的特點(diǎn)是物理化學(xué)性能穩(wěn)定。尤其是耐氧化能力強(qiáng)、測量精度高、應(yīng)用溫度范圍廣，有很好的重現(xiàn)性，是中低溫區(qū)（-200℃～650℃）最常用的一種溫度檢測器。而銅（Cu50）熱電阻測溫范圍小，在-50~150℃范圍內(nèi)，穩(wěn)定性好,便宜;但體積大,機(jī)械強(qiáng)度較低。銅電阻在測溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈線性關(guān)系，溫度系數(shù)大，適用于無腐蝕介質(zhì)，超過150℃易被氧化。通常用于測量精度不高的場合。銅電阻有R0=50Ω和R0=100Ω1．2熱電偶測溫基本原理

將兩種不同的金屬絲一端熔合起來，如果給它們的連結(jié)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間提供不同的溫度，就會產(chǎn)生電壓，即熱電勢。這種現(xiàn)象叫做塞貝克效應(yīng)。將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，如圖所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個連接點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因而在回路中形成一個一定大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的，屬有源傳感器。它能將溫度直接轉(zhuǎn)換成熱電勢。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：（1）測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。（2）測量范圍廣。測溫范圍極寬、從-270℃的極低溫度到2600℃的超高溫度都可以測量，而且在600℃～2000℃的溫度范圍內(nèi)可以進(jìn)行精確的測量（600℃以下時(shí)，鉑電阻的測量精度更高）。某些特殊熱電偶最低可測到（3）構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。（4）測溫精度高、準(zhǔn)確、可靠、性能穩(wěn)定。通常用于高溫爐的測量和快速測量方面。二、目前熱電阻的引線主要有三種方式1、二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來引出電阻信號的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長度等因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合。2、三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程控制中最常用的引線電阻。3、四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表。可見這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。二、DH-SJ5溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置一、概述DH-SJ5型溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置是以分離的溫度傳感器探頭元器件，單個電子元件，以九孔板為實(shí)驗(yàn)平臺來測量溫度的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置提供了多種測溫方法，自行設(shè)計(jì)測溫電路來測量溫度傳感器的溫度特性。實(shí)驗(yàn)配有鉑電阻Pt100、銅電阻Cu50、銅-康銅熱電偶等溫度傳感器。本實(shí)驗(yàn)裝置采用智能溫度控制器控溫。具有以下的特點(diǎn)：1、控溫精度高、范圍廣、加熱所需的溫度可自由設(shè)定，采用數(shù)字顯示。2、使用低電壓恒流加熱、安全可靠、無污染。加熱電流連續(xù)可調(diào)。3、本儀器提供的是單個分離的溫度傳感器，形象直觀，給實(shí)驗(yàn)帶來了很大的方便，可對不同傳感器的溫度特