恒溫箱在熱電偶溫度測量中的應用

摘要:熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一，能夠很好地滿足溫度傳感器的要求。它可將溫度轉化成電量信號,使溫度的測量、控制及對溫度信號的放大變換等都非常方便,所以適用于遠距離測量和自動控制。在熱電偶原理的基礎上,介紹了恒溫控制箱的設計思路,并研制了樣機。測試結果表明，所研制的樣機具有體積小、可靠性高等優點,完全可以實現恒溫控制。
熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一。其優點是:
(1)測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸,不受中間介質的影響。
(2)結構簡單,制造方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成,其材料容易得到,用戶還可根據需要自行加工制作。
(3)測量范圍廣。熱電偶從一50℃~+1600℃.進行測量,某些特殊熱電偶最低可測到一269℃,最高可達+2800℃。
　　正是由于熱電偶的這些優點,使得它作為熱工監測與測試的計量工具,在工業生產中發揮著越來越重要的作用。在當前各類生產工藝流程中,檢測技術及其用具的作用逐漸加強,尤其在對各種產品與構件進行無損擦傷、測量與計量方面,熱電偶的作用功不可沒,對于提高企業的經濟效益是不可或缺的。
1工作原理
　　熱電偶是一種感溫元件,其測溫的工作原理是:將一對不同成份的導體(或半導體)組成閉合回路，把其接點置于不同溫場中時,就會產生溫差電效應，回路中就會有電流，兩接點就會產生相應的熱動勢或賽貝克電勢,通過測定該熱電勢就可以實現溫度的測量。熱電偶測溫不僅與測量端溫度有關,還與參比端溫度有關,參比端的處理有冰點槽法、參比端溫度測量法、補償電橋法、機械調零法等。本文中制作的恒溫箱主要采用第二種方法,就是把參比端溫度恒定到-個標準值,然后按照公式(1)計算出實際溫度,其原理如圖1所示。
E(1,0)=E(t,to)+E(to,0).(1)
　　式中:E(t,0)為測量端溫度為t℃,參比端溫度為0'C時的熱電勢;E(t,lo)為測量端溫度為t℃,參比端溫度為to℃(to≠0C)時的熱電勢;E(t,0)為測量端溫度為to℃,參比端溫度為0'℃C時的熱電勢,它即為參比端溫度不為0時的熱電勢修正值。

　　圖中A.B為熱電偶,它由兩種不同成份的導體(或半導體)組成。熱電偶的兩個接點中,溫度較高的一端為測量端(即置于t溫度為的被側對象中的一側接點),溫度較低的一端為參比端(即置于恒溫箱中的參考溫度為to的另側接點),參比端通常處于某個恒定的溫度下。當它的兩個接點的溫度不同.時,回路中將產生熱電動勢,簡稱熱電勢,它與測量端和參比端的溫度有關。C、D為補償導線,E、F為銅連接導線,G為顯示儀表(動圈毫伏表),K為恒溫箱,用以保持熱電偶參比端溫度穩定。
　　由于熱電偶的材料一般都比較貴重(特別是采用貴金屬時),而測溫點到儀表的距離都很遠,為了節省熱電偶材料,降低成本,通常采用補償導線把熱電偶的參比端(冷端)延伸到溫度比較穩定的控制室內,然后連接到儀表端子上。
2設計樣機
設計樣機的具體做法為:
　　按照測溫原理,將與熱電偶相同材料的導線與普通銅導線撥去1cm絕緣層做成雙絞線,然后將其埋人銅芯(要做好雙絞線頭與銅芯的絕緣,而同時要保證雙絞線頭與銅芯熱交換良好),銅芯周圍纏繞電阻絲后加保溫層放置于膠木制作的保溫杯內。
　　采用電橋平衡法,恒溫箱內的測溫熱電阻與標準電阻值比較,在這里標準電阻(50℃)采用0.1%的精密電阻(119.40),測溫電阻選取Pt100,因為鉑電阻精度高、性能可靠、電阻與溫度的關系近似于線性。鉑在氧化性氣氛中,甚至在高溫下的物理、化學性質都非常穩定。因此鉑被公認為是目前制造熱電組的最好材料。鉑電阻的阻值與溫度之間的關系，在0~850℃范圍內可用下式表示:
Rt,=R0(1+At+Bt²).(2)
在一200~0℃范圍內可用下式表示:
Rt=R0[1+At十Bt²+C(t一100)³].(3)
　　式中:Rt為溫度為t℃時的鉑電阻的阻值;R0為溫度為0℃時的鉑電阻的阻值;A為常數,且A=3.940×10^-3/C;B為常數,且B=-5.802×107^-7/C;C為常數,且C=-4.724×10^-12/C。
對滿足.上述關系的熱電阻,其溫度系數約為3.9×10^-3/C。
　　由式(2)和(3)可見,電阻值與t及R。有關,當Ro值不同時，即使在同樣的溫度下其R;的值也不同。因此作為測量用的熱電阻必須規定Ro值。工業用的標準鉑電阻R。有100Ω和150Ω兩種,并將電阻值Rt與溫度t的對應關系列成表格稱為鉑電阻分度表,分度號分別為Pt100和Pt50。
　　在這里我們采用標準電阻Pt100,t設為50℃,當恒溫箱內的測溫熱電阻與標準電阻比較,差值大時,比較電路輸出高電平控制電阻絲全功率加熱;差值小時，比較電路輸出脈沖電平控制電阻絲小功率加熱,并且差值越小，輸出脈沖就越小，加熱功率也.越小;差值為零時說明恒溫箱內溫度恒定,這時停止加熱即可。圖2為控制原理圖,圖3為電路原理簡化圖。


　　圖4為恒溫控制箱的控制箱體，此恒溫控制儀由保溫杯、恒溫控制電路、接線端子等組成，此控制箱接線簡單、精度高、不受環境溫度影響,就地安裝可節約大量補償導線。

3測試結果
　　為驗證測試效果,本樣機采用如下的測試數據:熱偶型號:K型(可按用戶要求制作S.J等其它型號);
最大通路:12;
控溫范圍:50℃±0.2℃;
升溫時間:40min;
工作電壓:AC220±10%;頻率50Hz;
外形尺寸:258×237×146mm。
接線示意圖如圖5示。

　　測試結果見表1.2、3。

　　表中T為恒溫箱溫度;R。為測量用Pt100電阻值;V+為熱電偶正極輸人與輸出端電壓;V一為熱電偶負極輸人與輸出端電壓。
4結語
　　和普通溫度計測溫-樣，熱電偶測溫也被廣泛應用于工農業生產和科學研究工作中。熱電偶測溫是基于熱電效應這一-物理現象來實現的。熱電偶具有較好的計量性能,其測溫的精度很高。論文在熱電偶測溫原理的基礎上,制作了樣機,并采用一-系列測試數據驗證了該恒溫控制箱具有保持溫度恒定的:功能。