实验五 热电偶测温
目录
一、实验目标
1.熟悉热电偶测温原理和仪表放大器电路；
2.调用EPI提供的子vi编写测量温度程序；
3.通过万用表和示波器观测传感器输出动态变化。
二、硬件介绍
热电偶和称重实验板共用一块实验板，主要由应变片（用于测量重量）、热电偶（用于测温）、仪表放大器电路（约x1000倍）组成。
热电偶/称重电路板
2.1测量原理
当两种不同成份的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端；另一端温度为T0
，称为自由端（也称参考端）或冷端。回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。
热电偶是两根不同金属的线缆，两者之间有绝缘层包裹。线缆的A端进行焊接，B端是分开的。当A和B处于不同温度时，在B端的两根线上会产生电压差。这个电压差只跟金属的合金成分有关，跟线的粗细、长度无关。由于热电偶是接仪表放大器，仪表放大器的输入阻抗很高，热电偶线里几乎没有电流，所以热电偶线的长度产生的电阻不会影响这个电压差。热电偶线的粗细是用来控制线的机械强度。热电偶的A端可以装入多种材料的防护套内，称为铠装热电偶。
B端是接在实验板上，A端是悬空，可以用手摸等方法改变A端的温度，从而改变B端的电压差。
热电偶B端 热电偶A端
热电偶丝会配有温度电压表格，称作标准分度表，不同合金的温度电压表格不一样。需要配合对应型号的热电偶来用。下表给出实验板上K型热电偶的分度表，只选取了实验室内常见的温度。根据分度表可以方便的将测得的电压转换为温度。
| 温度℃ | K型镍铬－镍硅（镍铬－镍铝）热电动势（mV）参考端温度为0℃ | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| -50 | -1.889 | -1.925 | -1.961 | -1.996 | -2.032 | -2.067 | -2.102 | -2.137 | -2.173 | -2.208 |
| -40 | -1.527 | -1.563 | -1.600 | -1.636 | -1.673 | -1.709 | -1.745 | -1.781 | -1.817 | -1.853 |
| -30 | -1.156 | -1.193 | -1.231 | -1.268 | -1.305 | -1.342 | -1.379 | -1.416 | -1.453 | -1.490 |
| -20 | -0.777 | -0.816 | -0.854 | -0.892 | -0.930 | -0.968 | -1.005 | -1.043 | -1.081 | -1.118 |
| -10 | -0.392 | -0.431 | -0.469 | -0.508 | -0.547 | -0.585 | -0.624 | -0.662 | -0.701 | -0.739 |
| -0 | 0 | -0.039 | -0.079 | 0.118 | -0.157 | -0.197 | 0.236 | -0.275 | -0.314 | -0.353 |
| 0 | 0 | 0.039 | 0.079 | 0.119 | 0.158 | 0.198 | 0.238 | 0.277 | 0.317 | 0.357 |
| 10 | 0.397 | 0.437 | 0.477 | 0.517 | 0.557 | 0.597 | 0.637 | 0.677 | 0.718 | 0.758 |
| 20 | 0.798 | 0.838 | 0.879 | 0.919 | 0.960 | 1.000 | 1.041 | 1.081 | 1.122 | 1.162 |
| 30 | 1.203 | 1.244 | 1.285 | 1.325 | 1.366 | 1.407 | 1.448 | 1.489 | 1.529 | 1.570 |
| 40 | 1.611 | 1.652 | 1.693 | 1.734 | 1.776 | 1.817 | 1.858 | 1.899 | 1.940 | 1.981 |
| 50 | 2.022 | 2.064 | 2.105 | 2.146 | 2.188 | 2.229 | 2.270 | 2.312 | 2.353 | 2.394 |
| 60 | 2.436 | 2.477 | 2.519 | 2.560 | 2.601 | 2.643 | 2.684 | 2.726 | 2.767 | 2.809 |
| 70 | 2.850 | 2.892 | 2.933 | 2.875 | 3.016 | 3.058 | 3.100 | 3.141 | 3.183 | 3.224 |
| 80 | 3.266 | 3.307 | 3.349 | 3.390 | 3.432 | 3.473 | 3.515 | 3.556 | 3.598 | 3.639 |
| 90 | 3.681 | 3.722 | 3.764 | 3.805 | 3.847 | 3.888 | 3.930 | 3.971 | 4.012 | 4.054 |
| 100 | 4.095 | 4.137 | 4.178 | 4.219 | 4.261 | 4.302 | 4.343 | 4.384 | 4.426 | 4.467 |
冷端补偿。使用热电偶测温，一般需要冷端补偿。因为分度表给的是参考端是0度时的情况。A端是测温端，放在待测温的物品处。分开两根线的B端是冷端，在本地电路板上。由于B端一般不是0度，所以使用分度表时需要进行冷端补偿。常见方法是在B端检测温度后，根据B端的温度进行补偿。计算方法如下
测试B端温度，根据温度查分度表得到电压V1.
测试B端经过仪表放大器后的电压V2.
本例放大倍数为1000倍，用V2反推B端的电压 V3=V2/1000
冷端补偿 V= V3+V1. 用V来查分度表得到 A端的温度。
例如，实验中测试B端（冷端）温度为19度。用19度来查表得到V1=0.758mV。测试放大器输出为V2=404mV，本例中放大倍数为1000倍，因此V3=
404/1000= 0.404mV。 从而得到V= V1+V3=
1.162mV。用V来查表得到温度约为29度。这就是A点的测试温度。
2.2仪表放大器
仪表放大器使用的INA128，将RG取50欧姆，设计增益为约1000倍。称重传感器和热电偶温度传感器共用仪表放大器。用开关SW1和SW2来切换。两个开关都拨到左侧时，将热电偶线接入仪表放大器。
REF是仪表放大器的参考端，用于调节仪表放大器的输出直流电压。输出相对于REF的增益为1，例如REF上加100mV电压，则输出增加100mV电压。本实验中REF接地。
三、实验步骤
3.1 硬件电路连接
首先需要将SW1,SW2开关拨到左边进行，使放大器输入连接在热电偶输出，然后需要将REF连接到GND，再将万用表和示波器接入放大器输出。
下表列出传感器板和EPI设备连接关系（也可以使用其他连接方式）：
| 传感器板需要功能 | 传感器板接口 | EPI对应接口 | EPI接口功能 |
|---|---|---|---|
| 放大器参考端 | REF | GND | GND |
| 放大器输出 | OUT | AIN1 | 示波器AIN1 |
| 放大器输出 | OUT | V | 万用表电压测量端口 |
| 与万用表共地 | GND | COM | 万用表公共端 |
| 与虚拟仪器共地 | GND | GND | 虚拟仪器GND |
3.2 labview运行
Labview运行后，选择数据采集方式为“万用表”，热电偶类型选为“K”型。
3.3 设置冷端温度
测量出冷端温度，手动填写冷端温度“22.1”。
3.4 观察测量
1. 读取温度计测得当前温度。观察【温度数据】波形图，记录温度测量数据。
2.
有条件的实验室可使用多种型号热电偶，如：K型、J型、E型分别测量冰水混合物及沸水，分别测量0℃及100℃时各种型号热电偶测得的温度，并验证各种型号热电偶在这两种参考温度下的输出电压。
四、LabVIEW程序解读
程序使用 E-PI 提供的接口函数通过软件编程实现传感器控制/测量。主要使用“初始化.vi”
、“数据采集.vi” 、“采样率设置.vi” 、“采样量程设置.vi” 、“S1设置.vi”
、“万用表数据.vi”等。
程序采用事件结构，事件处理结构中，“超时”中一直进行数据采集，采集可以通过示波器和信号源来采集，当前面板设置值改变时，事件处理结构处理完事件后再回到“超时”中进行数据采集。
4.1 整体框图
图4&5
展示了本实例的运行界面和程序框图。实例运行效果需在“冷端温度”处输入当前温度。
图 4 运行界面
初始化和While循环
图5 while循环
4.2 程序流程图
程序流程图如图6所示，先进行初始化，然后一直再while循环中采集数据，将采集到的数据计算得到当前温度值。
图6 实例流程图
4.3初始化设置
程序初始化设置状态，该状态完成EPI
通信端口设置、电源开启（设置±V为±12V）、示波器通道设置（采样率，采样量程，耦合）。初始化代码如图
7 所示：
图7 初始化
（1）初始化.vi：该 VI 会自动查找 EPI
的通信端口，找到后其会设置该端口参数，返回一个端口设置结果； 当设备初始化.vi
返回“4/5/6”时才对设备进行设置，即在“4..6”分支中设置，若返回其他值表示初始化设备失败，不进行任何操作。
（2）正电压设置.vi：该 VI 用于设置对外输出正电源的电压12V，电流300mA，输出使能。
（3）负电压设置.vi：该 VI
和正电压设置VI类似，用于设置EPI的对外输出负电源的电压为-12V，电流300mA，输出使能。
（4）采样率设置.vi：该VI用于设置EPI的采样率为100kHz和采样深度5000。
（5）采样量程设置.vi：该VI用于设置EPI的AIN1采样量程为±800mV。
（6）万用表功能选择.vi：该VI用于设置万用表的功能，设置为直流电压测量。
（7）AIN耦合.vi：该VI用于设置EPI的AIN1为DC耦合。
4.4 While循环
While循环中放置事件结构，在超时事件结构中，设置“超时”事件为200ms，相当于每隔200ms空闲事件处理一次“超时”结构里面的程序。在该状态下主要进行示波器/万用表数据采集和计算温度。该状态代码如图8所示：
While循环 – 示波器采集和显示
while循环程序 – 万用表采集和显示
4.5 冷端补偿程序
冷端补偿代码如图9：
图 9
超时结构中这部分代码，用于将冷端电压带入计算进行补偿，并将采集到的电压值反推成热电偶当前两端电压值，然后通过当前电压值，计算得出当前热电偶温度值。