新型热电偶温度测量仪的研制

1　引　言

　　由2种不同导体组成的闭合回路,当其2个接点温度不同时,回路中将有电动势产生,这种电动势称为温差电动势,该现象称为温差效应或塞贝克效应,产生温差电动势的装置叫温差电偶(又叫热电偶)[1]。热电偶作为一种测温传感器,由于其测量范围广、可靠性高、构造简单、使用方便等特点,使其在工业现场及实验室被广泛应用。热电偶测温与校准实验更是许多理工科大学生要掌握的基本实验[2-5]。目前,有的实验室使用的热电偶的高温端是将某一接点放在盛有水的烧杯中再通过酒精灯来加热[6],这种方法既不方便又不安全;有的厂家开发此类设备的高温端虽采用电加热装置,但温度控制不理想,实验的时间不易掌握也不利于测量。本文根据热电偶测温与校准实验的要求与特点,研制出一种新颖热电偶温度测量仪。该仪器主要有2个特点:①可以先设定高温端的温度,当加热后达到设定温度便不再升温而维持该温度,从而起到自动控温的作用,更便于测量;②高温端不是直接用市电加热,而是采用变压器降到安全电压后再加热,更加安全可靠。

2　基本原理及设计思想

　　图1所示为不同导体A、B组成的回路,若2个节点的温度T0、T不同时(T>T0),回路中便存在一个电动势。实验证明,电动势E(T,T0)是2个接点温度T和T0的函数差,即

E(T,T0) =f(T) -f(T0)

对于已选定的热电偶,当参考温度T0恒定时,E(T,T0)就是T的单值函数,通过测量E,根据事先标定的E—T关系,就可求T,这就是热电偶测量温度的基本原理[6-9]。

　　根据热电偶测温原理,设计出热电偶温差电势测量仪原理图,如图2所示。图中,用2支相同的热电偶分别置于高温端和低温端,将负端相连,再用数字温度表通过温度传感器(铂电阻)分别测量高温端温度TH和低温端温度TL,这样,在E+、E-端可以测出温差电势,而且,由于E+、E-端引出是同一种材料,根据热电偶原理,不产生接触电势,减小了因材料不同引起的系统误差。

3　电路设计

3. 1　低温端测量原理

　　低温端主要就是测量冷端温度,电桥将温度传感器Pt100的电阻变化,转换成电压变化,经信号变换处理电路处理,并放大至正比于温度的电压,由三位半数字电压表测量并显示低温端温度,如图3所示。图中,信号变换处理电路采用低漂移的运算放大器OP07,原理如图4所示。

三位半数字电压表采用集成块ICL7107完成[10],测量显示原理如图5所示,在实际中采用市场出售的半成品表头简化电路的设计。

3. 2　高温端测温和控温原理

　　高温端测温和控温原理框图见图6。