恒温箱在热电偶温度测量中的应用

摘要:热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，能够很好地满足温度传感器的要求。它可将温度转化成电量信号,使温度的测量、控制及对温度信号的放大变换等都非常方便,所以适用于远距离测量和自动控制。在热电偶原理的基础上,介绍了恒温控制箱的设计思路,并研制了样机。测试结果表明，所研制的样机具有体积小、可靠性高等优点,完全可以实现恒温控制。
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是:
(1)测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响。
(2)结构简单,制造方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,其材料容易得到,用户还可根据需要自行加工制作。
(3)测量范围广。热电偶从一50℃~+1600℃.进行测量,某些特殊热电偶最低可测到一269℃,最高可达+2800℃。
　　正是由于热电偶的这些优点,使得它作为热工监测与测试的计量工具,在工业生产中发挥着越来越重要的作用。在当前各类生产工艺流程中,检测技术及其用具的作用逐渐加强,尤其在对各种产品与构件进行无损擦伤、测量与计量方面,热电偶的作用功不可没,对于提高企业的经济效益是不可或缺的。
1工作原理
　　热电偶是一种感温元件,其测温的工作原理是:将一对不同成份的导体(或半导体)组成闭合回路，把其接点置于不同温场中时,就会产生温差电效应，回路中就会有电流，两接点就会产生相应的热动势或赛贝克电势,通过测定该热电势就可以实现温度的测量。热电偶测温不仅与测量端温度有关,还与参比端温度有关,参比端的处理有冰点槽法、参比端温度测量法、补偿电桥法、机械调零法等。本文中制作的恒温箱主要采用第二种方法,就是把参比端温度恒定到-个标准值,然后按照公式(1)计算出实际温度,其原理如图1所示。
E(1,0)=E(t,to)+E(to,0).(1)
　　式中:E(t,0)为测量端温度为t℃,参比端温度为0'C时的热电势;E(t,lo)为测量端温度为t℃,参比端温度为to℃(to≠0C)时的热电势;E(t,0)为测量端温度为to℃,参比端温度为0'℃C时的热电势,它即为参比端温度不为0时的热电势修正值。

　　图中A.B为热电偶,它由两种不同成份的导体(或半导体)组成。热电偶的两个接点中,温度较高的一端为测量端(即置于t温度为的被侧对象中的一侧接点),温度较低的一端为参比端(即置于恒温箱中的参考温度为to的另侧接点),参比端通常处于某个恒定的温度下。当它的两个接点的温度不同.时,回路中将产生热电动势,简称热电势,它与测量端和参比端的温度有关。C、D为补偿导线,E、F为铜连接导线,G为显示仪表(动圈毫伏表),K为恒温箱,用以保持热电偶参比端温度稳定。
　　由于热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵金属时),而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把热电偶的参比端(冷端)延伸到温度比较稳定的控制室内,然后连接到仪表端子上。
2设计样机
设计样机的具体做法为:
　　按照测温原理,将与热电偶相同材料的导线与普通铜导线拨去1cm绝缘层做成双绞线,然后将其埋人铜芯(要做好双绞线头与铜芯的绝缘,而同时要保证双绞线头与铜芯热交换良好),铜芯周围缠绕电阻丝后加保温层放置于胶木制作的保温杯内。
　　采用电桥平衡法,恒温箱内的测温热电阻与标准电阻值比较,在这里标准电阻(50℃)采用0.1%的精密电阻(119.40),测温电阻选取Pt100,因为铂电阻精度高、性能可靠、电阻与温度的关系近似于线性。铂在氧化性气氛中,甚至在高温下的物理、化学性质都非常稳定。因此铂被公认为是目前制造热电组的最好材料。铂电阻的阻值与温度之间的关系，在0~850℃范围内可用下式表示:
Rt,=R0(1+At+Bt²).(2)
在一200~0℃范围内可用下式表示:
Rt=R0[1+At十Bt²+C(t一100)³].(3)
　　式中:Rt为温度为t℃时的铂电阻的阻值;R0为温度为0℃时的铂电阻的阻值;A为常数,且A=3.940×10^-3/C;B为常数,且B=-5.802×107^-7/C;C为常数,且C=-4.724×10^-12/C。
对满足.上述关系的热电阻,其温度系数约为3.9×10^-3/C。
　　由式(2)和(3)可见,电阻值与t及R。有关,当Ro值不同时，即使在同样的温度下其R;的值也不同。因此作为测量用的热电阻必须规定Ro值。工业用的标准铂电阻R。有100Ω和150Ω两种,并将电阻值Rt与温度t的对应关系列成表格称为铂电阻分度表,分度号分别为Pt100和Pt50。
　　在这里我们采用标准电阻Pt100,t设为50℃,当恒温箱内的测温热电阻与标准电阻比较,差值大时,比较电路输出高电平控制电阻丝全功率加热;差值小时，比较电路输出脉冲电平控制电阻丝小功率加热,并且差值越小，输出脉冲就越小，加热功率也.越小;差值为零时说明恒温箱内温度恒定,这时停止加热即可。图2为控制原理图,图3为电路原理简化图。


　　图4为恒温控制箱的控制箱体，此恒温控制仪由保温杯、恒温控制电路、接线端子等组成，此控制箱接线简单、精度高、不受环境温度影响,就地安装可节约大量补偿导线。

3测试结果
　　为验证测试效果,本样机采用如下的测试数据:热偶型号:K型(可按用户要求制作S.J等其它型号);
最大通路:12;
控温范围:50℃±0.2℃;
升温时间:40min;
工作电压:AC220±10%;频率50Hz;
外形尺寸:258×237×146mm。
接线示意图如图5示。

　　测试结果见表1.2、3。

　　表中T为恒温箱温度;R。为测量用Pt100电阻值;V+为热电偶正极输人与输出端电压;V一为热电偶负极输人与输出端电压。
4结语
　　和普通温度计测温-样，热电偶测温也被广泛应用于工农业生产和科学研究工作中。热电偶测温是基于热电效应这一-物理现象来实现的。热电偶具有较好的计量性能,其测温的精度很高。论文在热电偶测温原理的基础上,制作了样机,并采用一-系列测试数据验证了该恒温控制箱具有保持温度恒定的:功能。