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实验一 热电偶制作、校验及其静态特性测试实验(修改)

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实验一　热电偶制作、校验及其静态特性测试实验

一、实验目的
1、掌握热电偶测温原理和温度测量系统组成，学习热电偶测温技术，提高学生的实验技能和动手能力；
2、了解热电偶的制作原理,学习热电偶的焊接方法；
3、掌握电位差计的工作原理及使用方法;
4、了解模拟式显示仪表及数字式显示仪表校验方法，从而能较全面的了解与使用显示仪表;
5、掌握工业热电偶比较式校验的实验方法；
6、掌握热电偶的静态特性测试方法及数据处理技术.

二、实验内容
1、根据热电偶的测温原理，利用实验室提供的热电偶丝等材料制作热电偶,每组制作2支；
2、对选用的显示仪表和电位差计进行校正；
3、采用双极比较法设计热电偶校验系统电路，并对自己制作的热电偶进行校验;
4、测定在校验温度点的热电偶电势，绘制被校热电偶的静态关系曲线；
5、设计单点测温线路、温差测温线路、串联和并联测温线路,画出你所设计的测温线路，简述设计的测温线路的特点和用途，并进行实际的测试。

三、实验原理
使用中的热电偶由于长期受高温作用和介质的侵蚀，其热电特性会发生变化，为了保证测温的准确和可靠，热电偶应定期进行检定，若检定结果其热电势分度表的偏差超过允许的数值时，则该热电偶应引入修正值使用。如热电偶已腐蚀变质或已烧断，则应修理或更换后再行检定。
工业热电偶的检定方法有双极比较法，同名极法等多种，本实验采用双极比较法进行检定。其方法是用高一级的标准热电偶与被检偶的工作端处在同一温度下，比较它们的热电势值,然后求出被检偶对分度表的偏差，然后根据表1判断被检偶是否合格，这种方法设备简单、操作方便,一次可检定多支热电偶,常受人们欢迎。采用此法检定时,将被检偶与标准偶捆绑扎在一块，工作端插入管状电炉中间的热电势值与分度表上对应点数据进行比较，求出被检热电偶的偏差值，对于镍铬-镍硅热电偶，通常在400℃，600℃,800℃，1000℃四个整百分数上进行检定。
表1 各种常用热电偶对应分度表的允许偏差
热电偶名称
分度号
等级
使用温度范围（℃）
允许偏差（℃）
新
旧
铂铑10—铂

I
0～100
±1

1100～1600
±[1+（t—1100）×0。0037］
II
0～900
±1.5

600～1600
±0。25％t
镍铬-镍硅

I
—40～1100
±1。5或±0。4%t
II
—40～1300
±2。5或±0.75%t
III
—200～40
±2.5或±1.5％t
附注：表中t为工作端温度，允许以℃或以实际温度的百分数表示时，两者中采用数值较大的一个值，本试验按II等级计算。

本实验标准热电偶采用铠装镍铬-镍硅热电偶，被检偶采用的自制镍铬—镍硅热电偶,通过鉴定同时获得这种热电偶的静态特性（即热电偶与温度的对应关系）。我国标准热电偶传递表见附录I。

四、实验装置及设备
1、标准镍铬—镍硅热电偶(分度号K） 1支
附标准偶检定证书一份
2、被检镍铬—镍硅热电偶（自制) 2支
3、UJ36型直流电位差计，0.1级（实际使用时应用0。05级） 1台
4、精密数字测温仪XMTA—100 1台
5、管状电炉220V,1KW,1000℃（带温控仪） 1台
6、冰瓶（瓶中已经放入冰和水） 1台
7、交流电压表，0～250V 1台
8、水银温度计，0～100℃ 1支
9、调压变压器(自耦式，（2~5）KVA） 1台
10、热电偶焊接装置 1台

五、实验步骤
1、热电偶制作。
1．1热电偶正负极叛断
电极材料的颜色、硬度、磁性等物理特征，识别热电偶的种类和正负极。
1．2热电偶焊接、制作
准备好电极材料，在老师的指导下进行焊接，套上陶瓷管和接线柱。
3、对选用的模拟和数字显示仪表进行调校。
4、将被检热电偶与标准偶捆扎在一起（工作端尽量靠近)后插入管状电炉中心均温带，然后将热电偶的冷端（即参考端)分别插入一支小玻璃管内再放入冰瓶中(注：实验装置接线操作应预先完成）。
5、为了能较好的在各规定的检定点温度下进行检定,采用标准热电偶来监视炉温,办法是预先找出标准偶在实验条件下（即冷端处于冰瓶内温度时)其工作端在检定点温度时产生的热电势值，然后在UJ36型电位差计上给出该电势值大小相等的已知电势，此时标准偶通过双刀切换与UJ36型电位差计接通后可看到检流计指针偏转到“一”边，当炉子电源接通升温后，一旦发现UJ36型电位差计指针重新回到零点，则说明炉子温度正好是到达检定点温度，这时若立即将切换开关切向被检偶一边，再迅速调整电位差计指针回零,则可测出被检偶在该检点温度时的热电势大小，那么被检偶在该检定点的偏差就可求出，为此请按下
述步骤操作：
(1）先求出标准偶在第一个检定点温度（冷端温度为冰瓶内温度）时的电势值(求法见附录II—1)。填入表2“第一次读数”栏中作为监视炉温到达第一个校验点温度时标准偶的电势值。同时将UJ36型电位差计在开关K扳向“未知”一边（注意:UJ36型电位差计必须预先调好工作电流和检流计零点，其适用方法间附录III)，将桌面上的双刀开关接通“标准偶”,将电势引入电位差计.

图1 热电偶检定实验装置示意图

（2)接通炉子供电电源,将变压器输出电压调整至200V左右使电炉开始升温，接着观察检流计指针偏转方向（炉子升温过程中指针应向右即“+"方偏转）,并不断地调整电位差计的测量盘,使检流计保持在“0”位，以便随时监视炉子升温速度和炉温。
（3）第一个点温度为200℃，校验规程要求在检定点温度时炉温变化速度不宜太快(不大于0。2℃/分钟）,为此待炉温到达校验点还差0。5～0。8mV时速将炉子输入电压降至60～80伏左右(视校验点温度高低而定，校验点温度高时电压降低小些，反之则大些）。。同时,将电位差计刻度盘调准到“第一次读数”值上,这时检流计指针在左边“一"方向,随着炉温继续升高，检流计指针将向“0"方向移动，一旦发现检流计回至“0”位即表示炉温已达校验点，此时立即将双倒开关扳至“被检偶”一边，读取被检偶的电势值并记入表2，然后再速将双刀开关扳回“标准偶”以便测出其电势,也将结果记入表2，至此该校验点温度下的测试工作已经完成.
（4）重新升高电炉供电电压至200伏左右，使电炉温度在300℃，400℃，500℃等检定点时，按前述方法测出被校偶在这几个检定点温度下的电势值和标准偶“第二次读数”,并将结果一一记入表2。
表2 实验数据记录表
检定温度（℃）
200
300
400
500
对应名义值(mV）（查表）

实验用标准偶证书给出值
（冷端为0℃)
热电势(mV)

修正值（mV）

检定记录数据
标准偶
冷端温度
℃

mV

第一次读数mV

第二次读数mV

被检偶
读数(mV）

冷端温度
℃

mV

整理后数据
标准偶
第一次读数修正为0℃时值（mV）

第二次读数修正为0℃时值(mV）

两次平均值(mV)

平均值经修正后的值（ mV）

炉内实际温度（℃）

被检偶冷端修正为0℃时的值（mV)

被检偶的偏差（mV）

被检偶允许偏差（mV）

检定结果

*由表1中查出允许偏差（0℃），再按照不同的检定点温度由附录IV中的热电势率表（℃)折算。

6、热电偶测温线路设计
（1）用单点测温线路测量电炉中的温度和开水的温度。
（2）用温差测温线路测量电炉炉膛与开水的温差。
(3）用串联测温线路测量电炉炉膛的温度。注意测出的电势除以热电偶个数后再查温度。
（4）用多点测温线路测量电炉炉膛的温度以及开水的温度。
（5）用并联测温线路测量沸水的平均温度（选做）。
7、实验过程中,按照指导老师的要求进行实验，遵守仪器设备的操作规程;实验结束后，应将实验数据或结果送交指导老师审阅、签字,然后将仪器恢复原状并搞好实验现场的环境卫生，经许可后方可离开实验室。

六、实验报告要求
1、简述实验原理及实验用仪器设备；
2、实验数据按附录II的方法处理后记入表2 中，并写出检定结果（即判别被检热电偶是否合格），最后将表2 写入报告；
3、根据实验检定结果数据，在坐标纸上绘出被 检定热电偶的静态特性曲线;
4、画出你所设计的各种测温线路;
5、简述各种测温线路的特点和用途。

七、实验预习
填空题
1、工业热电偶的检定实验中，热电偶需定期校验的原因 .
2、工业热电偶的检定实验中，校验的基本方法是 。
3、工业热电偶的检定及其静态特性测试实验目的是 。
4、工业热电偶比较法的检定实验所测得的热电势反映的是 。
简答题
1、简述工业热电偶校验与分度的意义，并分析产生误差的原因？
2、工业热电偶校验实验中，设置冰瓶的目的和作用？
3、如何使用调压器，使读取热电势数值过程中炉温变化不得超过0。2℃？
4、试分析如何通过实验的方法，获得同时校验多只热电偶？
5、通过实验，你认为在用双极比较法检定热电偶时需要注意那些问题？
6、常用的测温线路有哪几种？简要说明。

附录I 我国标准热电偶传递表

附录II 实验数据处理方法

一、标准热电偶在实验条件下（即冷端为恒温瓶内温度下）工作端温度在规定检定点时产生的热电势按下式计算：

式中:E—热电偶热电势（mV）;

t —热电偶工作端温度（℃)；
—热电偶冷端实际温度（即恒温瓶内温度)（℃）；
—热电偶冷端为0℃时的温度。
例如：一支实验用标准镍铬—镍硅热电偶其检定证书上给出冷端温度=0℃时，工作端温度在400℃下其热电势为16.453mV,在使用时若冷端温度=20℃，试求出工作温度为400℃时，此热电偶实际产生的热电势的多少?
解：按题意
（查表）
故

这就是说，当UJ36电位差计测出标准偶为15.655mV时，就表示电炉温度正好是400℃。
标准偶在其他几个检定点(600℃，800℃，1000℃）的热电势值（指冷端在恒温瓶内温度条件下)同样呆板上述方法求取。

二、被检偶对分度表的偏差求解法：
1、第一种情况:当标准偶在双刀开关切换前的炉温和标准偶在双刀开关切换后又返回时测出的炉温之差小于1℃时，可以认为检定时检定点炉温稳定，这时被检偶对分度表的偏差用下式计算：

式中：：被检偶在某一检点的读数，mV;
:相对于检定点温度从分度表查得的名义值，mV；
例如:设检定点温度为400℃，冷端温度为20℃时。标准偶在双刀开关切换前的“第一次读数”为15.640mV；标准偶在双刀开关切换后又返回时的“第二次读数”为15.660mV；被检偶的读数为15。690mV；则由于标准偶的两次读数之差(15。660mV﹣15。640mV=0。020mV﹤1℃）小于1℃,故可以为检定点400℃所对应的名义值为16。395mV，因此被检偶对分度表的偏差为：
=（15.690+0。798)—16。395=+0.093（mV)
显然，被检偶在此检定点时的修正值为-0.093mV（修正值=—).
2、第二种情况：当标准偶在两次读数之差大于1℃（但应小于1℃)时，应首先求出检定时该检定点的实际炉温,然后再计算被检偶对分度表的偏差.
例如：设检定点的温度为400℃,冷端温度为20℃时，标准偶第一次读数为15.640mV,标准偶第二次读数为15。860mV,被检偶的读数为15.780mV，则对标准偶的两次读数求算术平均值并进行修正计算后可从k分度表中查得检定点的实际炉温.即：
实际炉温为（对应温度为404℃）
式中：0。798:相应与冷端温度20℃时的电势值，mV；
0。016：实验用标准偶检定证书上查得的标准偶在温度400℃时的修正值。
则经查k分度表查得炉子实际温度为404℃，被检偶在404℃时分度表的偏差为：
=(16.780+0.798）-16。564=+0。015（mV)
鉴于实际炉温404℃与检定点温度400℃之差不大于10℃，故可认为被检偶在404℃时的偏差即为404℃时的偏差,即被检偶在400℃时的修正值为—=—0。014mV。因此，被检偶在400℃时的热电势为：
+16。395=0。014+16395=16.409（mV）
其他各检定点的测试数据也按上述方法进行计算，并将检定结果填入表2,再根据表1判断被检偶是否合格。

附录III UJ36型直流电位差计的使用方法

第一步:检流计调零
1、机械调零—当转换开关置于“断”位置，切换开关K置于中间位置时,调节（用小起子）检流计上机械调领钮，使检流指针到“0”位。
2、电气调零—将转换开关置于“×1”(在“×0。2”处也可），调节“调零”旋钮,使检流计指针指到“0”位。
第二步:调整工作电流
将开关K推向“标准”位置（抵住不放），调节右上方“电流调节”旋钮，使检流计指针指到“0”位。
第三步：测量未知电势
将开关K扳向“未知”位置,此时被测的未知电势被接入,调节已知电势刻度盘I或II，使检流计指针指到“0”位，这时刻度盘上的I、II上的示值之和为所测未知电势大小。
附录Ⅳ 热电偶测量端的焊接方法

热电偶是通过测量电势来测量温度的一种感温元件,它是将两种不同的金属材料一端 焊接而成。未焊接的一端叫做参考端，而焊接的一端叫做测量端。在新制造热电偶时，测量 端焊 接质量好坏直接影响热电偶测温的可靠性.因此，要求测量端焊接牢固、具有金属光泽、表 面光滑、无沾污变质、夹渣和裂纹等.为了减少传热误差和动态误差，要求焊点的尺寸应尽 量小些，通常为两倍热电偶直径。
热电偶测量端的焊接方法：
焊接前，应首先将被焊热电极的顶端绞成麻花状或将两顶端并齐。
（1）气焊法
先将热电极顶端绞成麻花状，然后稍加热并蘸上焊剂,再用乙炔火焰使测量端熔成球状， 再迅速将测量端离开火焰后放入热水中。这种方法操作简单,故应用较广。
（2）电弧焊法
电弧焊是利用高温电弧将热电偶测量端熔化成球状。常用的有交流电弧焊和直流电弧焊两种 。交流电弧焊一般用来焊接贱金属热电偶。焊接前也要在热电极顶端先蘸上焊剂，焊好后要 去除焊点上的焊剂。直流电弧焊一般用来焊接贵金属热电偶。
（3）、对焊
 将热电极顶端对齐，稍加一些压力，然后接通电源，使接触面熔化在一起.这种焊接方法比 较方便。
（4)、直流氩弧焊
 直流氩弧焊是近几年发展起来的较理想的焊接热电偶的方法。通常直流氩弧焊热电偶焊接机 是用氩气作保护，以高频引弧，直流焊接，并能进行对焊。它是由供电电源、直流焊接电源 1、焊枪2、高频振荡器3、对焊电源及夹具4等几部分所组成，这种焊接装置的特点是使用方便，焊接速度快，不沾污，没有任何气孔，焊接端点光亮美观 ,并且可一机多用。它能焊接各种金属材料及不同规格的各种热电偶.
（5）、盐浴焊接法
焊接装置由调压器(3－5kW）、石墨坩埚和焊接夹子等组成.坩埚作为电源－电极，被焊热 电极作为另一电极.焊接前,先洗净热电极被焊处表面的氧化物，并绞成麻花状,将碳棒置 于氯化钡上，接通电源使氯化钡熔化，再将热电偶热电极与氯化钡熔液稍接触待起弧后迅速 离开，并用热水洗净测量端和热电极上的氯化钡颗粒。
    以上是几种常用的焊接方法，在工作中，我们可以根据自己的现有设 备情况，选择不同的焊接方法，对焊点处断裂的热电偶或新制热电偶进行测量端焊接。

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