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热学设计性实验(1)

热学设计性实验之一

用直流电桥法测量Pt100金属电阻的温度特性

“温度”是一个重要的热学物理量,它不仅和我们的生活环境密切相关,在科研及生产过程中,温度的变化对实验及生产的结果也是至关重要的,所以温度传感器的应用更是十分广泛的。

【实验目的】

1.学会用直流电桥法测量热电阻;

2. 测量PT100电阻的温度特性;

3.了解温度传感器的原理和应用。

【实验仪器】

Ⅰ-FB716型物理设计性(热学)实验装置1套。

【实验原理】

1.100Pt 铂电阻温度传感器:

100Pt 铂电阻是一种利用铂金属导体电阻随温度变化的特性制成的温度传感器。铂的

物理性质、化学性质都非常稳定,抗氧化能力强,复制性好,容易批量生产,而且电阻率较高。因此铂电阻大多用于工业检测中的精密测温和作为温度标准。显著的缺点是高质量的铂电阻价格十分昂贵,并且温度系数偏小,由于其对磁场的敏感性,所以会受电磁场的干扰。按IEC 标准,铂电阻的测温范围为C 650~C 200??-。每百度电阻比

3850.1)100(W =,当Ω=100R 0时,称为100Pt 铂电阻,Ω=10R 0时,称为10Pt 铂

电阻。其允许的不确定度A 级为:) t 002.0C 15.0(+?±。B 级为:) t 05.0C 3.0(+?±。铂电阻的阻值与温度之间的关系,当温度C 0~C 200t ??-=之间时,其关系式为:

[]

320)100(1t C t C Bt At R R t ?-+++= (1)

当温度在C 650~0t ?=之间时关系式为:

)1(20Bt At R R t ++= (2) (1)、(2)式中0t R ,R 分别为铂电阻在温度C 0 ,C t ??时的电阻值,C ,B ,A 为温度系数,对于常用的工业铂电阻:

1

121713)C (1027350.4C )C (1080195.5B )C (1090802.3A ------??-=??-=??= 在C 100~C 0??范围内t R 的表达式可近似线性为: )1(10t A R R t += (3) (3)式中1A 温度系数,近似为13)C (1085.3--??,100Pt 铂电阻的阻值, 其C 0?时,

Ω=100R t ;而C 100?时Ω=5.138R t 。

【实验内容】

热学设计性实验(1)

(1)按图连接好实验线路。图中R1和R2都为10K Ω的电阻,R3为电阻箱,○

mV 为温度控制仪上的毫伏表。用直流稳压、恒流电源给电路提供3V 的电压。 (2)用导线连接温度控制仪的内、外控的插孔。

(3)在环境温度高于摄氏度零时,先将温度控制仪的温度设置为0℃,并将温度控制旋钮旋至“致冷”,然后把温度传感器Pt100放入致冷井中,直至其温度降到0℃,调节电阻箱使输出电压为零,使电桥平衡,记录此时的R3的值。接下来,每隔10℃,调节电阻箱使输出电压为零,使电桥平衡,记录当时的R3的值,直到待测温度高于环境温度后,把温度传感器转移到加热干井中,然后开启加热器(将温度控制旋钮旋至“加热”),控温系统每隔10℃设置一次,待控温稳定2min 后,调节电阻箱,记录电桥平衡时的R3的值。一直测到加热井的温度设置为100℃。

以上结果均记录在表一中。

【注意事项】

1.温控仪温度稳定地达到设定值所需要的时间较长,一般需要min 15~10左右,务必耐心等待。

2.电路连接好后,一定要先仔细检查再通电。

【数据记录与处理】

表一 Pt100温度特性测试数据表格

热学设计性实验(1)

1. 画出Pt100温度特性曲线图。

2. 计算(3)式中的A 值。

【附录一】

FB716-Ⅰ型物理设计性(热学)实验装置使用说明书

一般温度传感器实验仪的功能都局限于通过实验过程,测量并了解温度传感器的温度

特性,而对温度传感器的应用,往往只是一笔带过。针对这一状况,本公司开发的该款实验装置,除了可完成对多种温度传感器的温度特性进行测试外,增加了多种最常用的温度传感器的实际应用的实验功能,使学生在了解温度传感器特性的基础上,通过组装温度测试仪表和温度控制装置,了解并掌握其实际应用的方法和技能,更大地提高学生的学习兴趣,更有利于培养学生的实际动手能力。

一、实验装置

热学设计性实验(1)

二、主要技术指标

1.100HJK 温度控制仪:

(1)输入工作电源:Hz 50 %10V 220 AC ±; (2)输出加热井、致冷井工作电压:V 24≤;

(3)加热井温控范围:室温C 100~?,有强制风冷功能; (4)致冷井温控范围:室温C 0~?(室温不高于C 30~?); (5)可进行外部温度控制(仅适用于加热井控制); (6)四位半数字电压表量程可切换:

① 档 mV 0.200~0,分辨率mV 1.0;(最大可测V 2) ② 档 mV 2000~0,分辨率mV 1;(最大可测V 20) 2.九孔实验板:mm 297300?; 3.温度传感器:

(1)100PT 铂电阻温度传感器; (2)50Cu 铜电阻温度传感器; (3)PN 结温度传感器; (4)35LM 电压型温度传感器; (5)590AD 集成电路型温度传感器; (6)PTC 正温度系数热敏电阻温度传感器; (7)NTC 负温度系数热敏电阻温度传感器; (8)铜-康铜热电偶温度传感器。 4.运算放大器等元器件一批。 5.V 12±工作电源(用户选购)。

三、实验装置的使用

1. 测量各种温度传感器的温度特性:

(1)按相应的实验线路图,在元件箱中选取合适的元器件;

(2)把元器件合理分布在九孔实验板上,用导线或短路片连接成实际实验线路; (3)根据需要温度,把温度传感器插入加热井或致冷井;(在温控仪内控时,必须把100HJK 温度控制仪的1K 两个插孔用导线短接,温控仪才能正常工作) (4)根据需要温度,设置好加热井或致冷井温度;

(5)将不同温度下测量到的传感器的输出数据逐一记录到表格中,待数据处理。 2.组装温度测试仪表和温度控制装置:

(1)按相应的实验线路图,在元件箱中选取合适的元器件;

(2)把元器件合理分布在九孔实验板上,用导线或短路片连接成实际实验线路(这时候要把实验线路中的“温度指示”接到100HJK 的数字电压表输入端);

(3)根据需要温度,把温度传感器插入加热井或致冷井;(在温控仪内控时,必须把100HJK 温度控制仪的1K 两个插孔用导线短接,温控仪才能正常工作)

(4)先把传感器插入致冷井中,用内部控温把致冷井温度调节到C 0?,当温度到达C 0?时,调节实验线路中的C 0?设置旋钮,使数字电压表读数为mV 0。

(5)再把传感器插入加热井中,用内部控温把致冷井温度调节到C 100?,当温度到达

C 100?时,调节实验线路中的C 100?校正旋钮,使数字电压表读数为mV 1000。

(6)由于采用的温度传感器温度特性均为线性,所以经两端校正,即成为一个数字式温度计。

(7)在已组装好的温度测量仪表的基础上,只要把实验线路的继电器的常开触点,取代短接导线接到100HJK 温度控制仪的1K 两个插孔中,适当调节实验线路中的温控设置,即可通过外控方式控制加热井的温度。例如,我们把温控设置C 80?(由于自制温控装置尚无读数,所以只是估计数),那么,当温度传感器测得加热井中的实际温度低于该设置值,线路将导通,使继电器吸合,它的常开触点闭合,加热井电源接通,开始加热升温。当温度到达“设置值”时,电路反转,切断了继电器回路,常开触点开路,加热井电源切断,停止加热。

注意:由于外部控制与内部控制是串联的,所以外部控温设置不能超过内部设置值。

【附录二】

PID 智能温度控制器使用说明

该控制器是一种高性能。可靠好的智能型调节仪表,广泛使用于机械化工、陶瓷、轻工、冶金、热处理等行业的温度、流量、压力、液位自动控制系统。控制器面板布置图: 例如需要设置加热温度为C 30?,具体操作步骤如下:

热学设计性实验(1)

1.先按设置0.5秒,进入温度设置。(注:若学生不慎按设定键时间长达5秒,出现进入第二设定区符号,这时只要停止操作5秒,仪器将自动恢复温控状态。)

2.按位移键,选择需要调整的位数,数字闪烁的位数即是可以进行调整的位数。

热学设计性实验(1)

3.按上调键或下调键确定这一位数值,按此办法,直到各位数值满足设定温度。

4.再按设置键1次,设置工作完成。如需要改变温度设置,只要重复以上步骤即可。操

作过程可按上图进行(假设图中数据为出厂时设定的参数):