热敏电阻和热电偶温差电势的测量.doc

热敏电阻和热电偶温差电势的测量 随着半导体热敏电阻和热电偶在工业中的应用日益广泛，我们有必要对它们的一些温度特性有所了解。DHT型热学实验仪是集加热、传感、测量于一体的多功能实验仪器。采用单片机测量、控制。脉宽调制式加热，温度采用精确的PID参数自整定控制。具有测、控温精度高，加热时间快，降温时间短，操作使用方便。实验安全、无环境污染。可以任意地设定加热温度（室温150）一、实验目的1、 热敏电阻的温度特性研究。2、 铜康铜热电偶温差电势的特性研究。3、 描绘热敏电阻和热电偶温差电势的特性曲线。4、 了解PID在工业控制中运用的原理和方法。二、实验仪器DHT型热学实验仪、直流电桥、数字万用表三、实验原理1、热敏电阻热敏电阻是一种电阻值随其电阻体的温度变化呈显著变化的热敏感电阻。它多由金属氧化物半导体材料制成，也有由单晶半导体、玻璃和塑料制成的。由于热敏电阻具有体积小、结构简单、灵敏度高、稳定性好、易于实现远距离测量和控制等优点，所以广泛应用于测温、控温、温度补偿、报警等领域。本实验所测试样为负温度系数(NTC)热敏电阻，它的电阻值随温度升高而减小。其电阻温度特性的通用公式为 （1）式中，Rl为温度Tl时的阻值；R2为温度为T2时的阻值；B为热敏指数，由材料的物理特性决定。若设T2趋于无穷大，上式可简化成 （2）热敏电阻温度系数的定义式为 对于负温度系数热敏电阻，其温度系数是温度丁的函数，以表示。可以得出 （3）上式表示，对负温度系数电阻来说，在工作温度范围内随温度增加迅速减小。表示温度系数时要注明其温度值，通常以25时的值来表示。 对式（2）线性化，可得 （4） 作曲线，此直线斜率即为B，截距为lnA。依据式(3)，可算出。 顺便提一下，除负温度系数热敏电阻外，还有正温度系数(PTC)等若干种类型的热敏电阻。2、 电偶温差电势热电偶是热能电势能的转换器，输出量为电势，可用于温度的测量其结构和原理如图1（a）所示两种导体(或半导体)A和B相接触，结点2置于较高的待测温度场中，称为热端或测温端；结点1置于较低的恒温场中，称为冷端或参考端在回路中有电势差，称为温差电势 。当组成热电偶的材料一定时，温差电势UX仅与两种金属的接点处的温度有关，并且两接点的温差在一定的温度范围内有如下近似关系式： 式中称为温差电系数，对于不同金属组成的热电偶，是不同的其数值上等于两接点温度差为1时所产生的电势。 为了测量温差电势，就需要在图1（a）的回路中接入电位差计，但测量仪器的引入不能影响热电偶原来的性质，例如不影响它在一定的温差下应有的电动势值。要做到这一点，实验时应保证一定的条件。根据伏打定律，即在A、B两种金属之间插入第三种金属C时，若它与A、B的两连接点处于同温度。(图1（b）)，则该闭合回路的温差电动势与上述只有A、B两种金属组成回路时的数值完全相同。所以，我们把A、B两根不同化学成份的金属丝的一端焊在一起，构成热电偶的热端(工作端)。将另两端各与铜引线(即第三种金属C)焊接，构成两个同温度(t0)的冷端(自由端)。铜引线与电位差计相连，这样就组成一个热电偶温度计。图1（b）所示。通常将冷端置于冰水混合物中，保持t0=0，将热端置于待测温度处，即可测得相应的温差电动势，再根据事先校正好的曲线或数据来求出温度t。热电偶温度计的优点是热容量小，灵敏度高，反应迅速，测温范围广，还能直接把非电学量温度转换成电学量。因此，在自动测温，自动控温等系统中得到广泛应用。本实验选用的热电偶是由铜一康铜组成的(康铜是铜、镍合金)。由于其中有根金属丝和引线一样，也是铜，因而实际上在整个电路中只有两个接点(不同金属的连接点)，所以铜一康铜热电偶也可以用如图1（b）这种接法。四、实验步骤1、按照要求调试、设定好温控器后，按照实验接好连线。将电压选择开关打到合适的加热电压档，对加热炉进行加热。在接近设定温度时，降低加热电压，以减小温控器的过冲、提高温控器的控温精度。（同时将加热炉的内外孔关闭）2、在实际温度与设定的温度基本相等并且保持不变时，在电阻输出端（输出I）接上直流电桥,测出在此温度时热敏电阻的阻值。（热敏电阻在25时的阻值约为10K）分别设定不同的加热温度，测量在不同温度时热敏电阻的阻值。记录下在不同温度时热敏电阻的阻值。将测量的数值记录在表（1）中，然后根据表（1）用坐标法描绘出热敏电阻的温度特性曲线。(电阻的测量方法参照直流电阻电桥测量电阻)温度（）阻值（K）温度（）阻值（K）表（1）3、为了缩短实验时间，可先设定一加热温度（例如：100）在加热过程中，当温度达到一个值时，用电桥测量出在此温度时的电阻值，记录下此温度时的电阻值。通过对不同的温度测量记录下不同的电阻值，做出热敏电阻的温度特性曲线。（不针对每一个温度点设定）4、熟悉使用数字万用表测量温差电动势5、设定不同的加热温度，测量在不同温度时铜康铜热电偶的温差热电势。记录在不同温度时铜康铜热电偶的温差热电势值。将测量结果记录在表（2）中，然后根据表（2）描绘出铜康铜热电偶的温度特性曲线。(温差电势的测量方法参照电位差计测量未知电势)。并图解求出热电偶的温差电系数。温度（）电势（mV）温度（）电势（mV）表（2）6、 要降低温度，把加热电压开关打到关。打开风扇电压，快速降低加热炉的温度，同时将加热炉的内外孔对齐。实验数据记录表温度（）2530354045505560阻值（K）94106610551045373715310025152000温差电势（mV）0.260.570.750.961.161.371.571.78温度（）65707580859095100阻值（K）1730146012401050895715655560温差电势（mV）1.982.172.362.572.793.003.203.38实验数据处理表温度t（）25.030.035.040.045.050.055.060.01/T（*10-3/）3.3563.3033.2473.1953.1423.1043.0513.002阻值R（）94106610551045373715310025152000lnR9.1508.7968.6148.4208.2208.0397.8307.601温差电势（mV）0.260.570.750.961.161.371.571.78温度（）65.070.075.080.085.090.095.0100.01/T（*10-3/）2.9582.9152.8722.8312.7932.7482.7212.682阻值（）1730146012401050895715655560lnR7.4597.2867.1236.9576.7976.5726.4856.328温差电势（mV）1.982.172.362.572.793.003.203.38作图：热敏系数lnR1/T*10-3/67892.62.72.82.93.03.13.23.3LnR1/T图B=K=（9-6.5）/（3.34-2.72）*103=4032（3.34，9）（2.72，6.5）温差电系数：U