热电偶测温及冷端温度补偿实验

热电偶测温及冷端温度补偿实验
一、实验目的
了解热电偶测温及冷端温度补偿的原理、方法和应用，了解温控仪表的控制原理。
二、 实验原理
1、 热电偶组成及工作原理
将两种不同的金属丝组成回路，如果二种金属丝的两个接点有温度差时，会产生热电效应现
象，回路内产生热电势，其大小与二接点的温度差成函数关系，热电偶一般称为温差电动势。热
电偶置于被测温度场的节点称为工作端，另一接点称为冷端（自由端），一般是室温或0℃或20
℃经过补偿的模拟温度场。
2、 热电偶的冷端补偿原理
为直接反映温度场的摄氏温度值，当冷端不为标准0℃或20℃时，或发生变化时，需对冷端

进行温度补偿，以减小测量
误差。本实验采用直流电桥
补偿法，如图5.1 所示，补
偿器电桥在0℃或20℃时达
到平衡， 即输出电压
U 0 0 = ，当热电偶自由端温
度升高时，热电偶回路的热
电势ab U 下降，由于补偿器
中PN 结呈负温度系数，因
而其正向压降随温度升高而降低，促使ab U 上升，其值正好补偿热电偶因自由端温度升高而降低
的电势，以达到温度补偿的目的。
3、 温控仪表的工作原理：
温控仪表的控制规律是利用PID 调节器来实现的，其原理框图见图5.2，系统由模拟PID 调
节器、执行机构和温度场组成，控制规律为：

4、 本实验所用热电偶中有K 型、E 型两种传感器，其中K 型热电偶用做标准传感器，用于测量
温度场中的标准温度，E 型热电偶用做实际传感器做为输出使用。

图5.2 PID 调节原理

三、 需用器件和单元
K 型、E 型热电偶、温度源、温度控制仪表、数显表、温度传感器试验模板、冷端温度补偿
器、直流±15V、外接+5V 电源适配器。
四、 实验方法、步骤
1、 实验准备阶段
① 开启工作台主电源，将温度源的两芯电源线插入主控箱温控部分的220V 输出插座中，并开
启温控部分的温度开关按钮，并将控制方式打倒“内”。
② 设定温控仪表温度，利用仪表上的设定键SET 和功能键设定温度场温度值，起始设为50℃，
并预热10 分钟。
③ 将热电偶和补偿器分别插到温度源的传感器插孔中，将K 型热电偶的自由端接入温控部分，
其中蓝色线插入Ek 端，绿色线接地，用于显示测量温度（注意正、负极不要接错）。
④ 将E 型热电偶的自由端接入温度传感器实验模板标有热电偶符号的a、b 插孔，做为被测传
感器用于实验，其中红色线为正端接于“a”点，黑色线接于“b”点。
2、 运算放大器调零。实验模板接入±15V 电源后通电，将R5、R6 端分别接地，RW2 大约置于中
间，将Vo2 端与数显电压表Vi 端连接，调节RW3，使输出V 0 i = （电压表置200mV 档）。
3、 连接实验电路并读取实验数据
1） 热电偶接入测量电路：如图5.3 所示，去掉R5、R6 接地线，将a、b 端与放大器R5、R6 相接，
观察温度仪表指示的温度值，当T=50℃时，记录电压表数值V。
2） 将冷端补偿器③、④两端接入电源适配器+5V 电源，将①、②两端分别与放大器R5、R6 相
接，再当温控仪表保持在T=50℃时，记录实时电压表数值V′ 。
3） 重新设定温控仪表上的温度值，每隔2℃--5℃，不断改变温度，分别测量热电偶与冷端补偿
器输出的电压值得表5.1、5.2 所示数据。
表5.1 热电偶输入——输出数据表

T（℃）
V（mV）

T（℃）
V′ （mV）

根据表5.1 和5.2 做出V—T 和V′ -T 关系曲线，并采用两端点连线法计算灵敏度S 和非线性
误差δ ，并将二条曲线进行比较，得出实验结论。

图5.3 热电偶测温实验电路

五、 思考题
1、 热电偶的测量值是温差值，还是摄氏温度值？
2、 热电偶为什么要进行冷端补偿？