热电偶标定实验的动态演示

热电偶在热能利用及空气调节、供热通风、工业热能和节能等工程中,广泛用于温度的自动测量和自动控制。“热电偶标定实验”是《热工测量》课程的必开实验。目前,国内外对工业热电偶的标定均采用静态标定的方法,但教学验证性实验与工业应用性实验不同,前者着重于应用实验检验理论的正确性,而后者则着重于通过实验提高仪表的准确性。本文对热电偶标定的传统方法进行了分析,指出其不足之处,提出利用微机数据采集系统对热电偶标定实验进行动态演示,效果很好。

1　热电偶的工作原理

把一根均质金属导线的一端加热,而另一端保持原来的状态,则在导线的两端会产生一个电动势,这一现象称为汤姆逊效应,产生的电势称为温差电势。当两种金属导体A和导体B相互接触时,由于两者有不同的电子密度N,例如NA大于NB,因此导致A失去电子而带正电,B得到电子而带负电,结果在导体A与B的接触面上形成电位差,称为接触电势。总电势如式(1)所示[1]:

2　热电偶静态标定方法

热电偶标定工作原理如图1所示。

1.电接点水银温度计;2.温度电子控制器;3.恒温器保温内胆;4.电加热器;5.电动搅拌泵;6.被测热电偶;7.恒温端0℃保温瓶;8.电位差计将被标定的热电偶放入恒温器,辅助端放入装有冰水混合物的保温瓶内,以保持θ0=0℃,并与电位差计连成回路,开启恒温器电源开关,通过调节电接点水银温度计,使恒温器内温度自动控制在所需的任一温度,如0℃,5℃,30℃,…,100℃,等,同时读出对应点的热电势值E1,E2…,En,这样便得到一系列的温度和热电势的对应值,即标定值。最后以热电势E为纵座标,温度t为横座标作出标定的热电偶特性曲线,如图2所示。

3　静态方法所存在的问题

在标定过程中需若干点温度的稳定值,温度的调整是通过调节电接点水银温度计来完成的,每调节一次,其温度都要波动较长时间才逐渐稳定,故每次标定都需较长的时间。在标定过程中,由实验者读取温度值与热电势值,将不可避免地引起读数误差。另外,由于温度是通过电加热来改变的,所以极难稳定,波动时间长,更增加了读数的不准确性。所以每次学生的实验报告中反映出同一支热电偶的热电势—温度特性曲线都存在着明显的误差。学生对热电偶的热电势是温度的单值函数关系产生疑虑,达不到应有的教学效果,造成学生对热电偶特性认识上的模糊。

4　热电偶标定的动态演示

随着大规模集成电路工艺技术水平的不断提高,以A/D、D/A为主的数据转换系统得到迅速发展。数据采集与处理正是这一发展的重要分支,它在自动测试、自动控制和信号处理等领域中得到广泛应用。