Ⅰ、 温度测量与控制系统的设计

1.实验目的

本实验的目的是通过一个具体的温度测量与控制系统的设计及安装、调试，加深对已学过知识的掌握及应用能力。

2.实验任务

从教师处得到一个需要温度测量与控制的任务，并以此为根据完成对这一温度测量控制系统的设计、安装、调试。

3.实验要求

根据实验任务要求，从设计任务的性质考虑设计方案，正确选择各类感温元件和显示及控制仪表，按要求进行有关元件、仪表的校正和误差标定；正确设计线路图，能够进行线路安装，进行调试。

4.实验准备

（1）认真学习相关的理论知识，查阅一定的科技资料。

（2）写出具体方案、实施手段、所用仪器设备、测试方法、工作计划与日程安排等。

（3）将准备报告交指导教师审阅，经批准后方可进行实验。

5.实验步骤

(1)应用《试验参量的检测与控制》课程中所学的理论知识，设计一种温度测量与控制系统。

(2)按任务要求选择温度测量与控制所需的主要元器件并设计线路图，确认无误后交老师审查，并根据审查意见进行修改，再次审查合格后进行下一步。

(3)按设计线路图选择实际使用的元器件，对有要求进行误差检查的元器件如热电偶、显示控制仪表等进行误差校验并标定，然后交老师进行验收，合格后进行下一步。

(4)按照经审查合格的设计方案、线路图联结所需元器件，对实际测量与控制线路进行检查，确认无误后请指导教师检查，合格后通电检验该系统的可行性。

6.实验总结

写出完整的实验总结报告和设计说明书。

Ⅱ、温度测量系统成套校正

1.实验目的

本实验的目的是通过对一个具体的温度测量与控制系统进行系统误差测定，加深对已学过知识的掌握，提高应用能力。

2.实验任务

从教师处获得一个具体的测试对象，按照实验步骤进行实验，并绘出校正曲线。

3.实验要求

应用《试验参量的检测与控制》课程中所学的理论知识，根据老师提供的具体电阻炉，校正温度测量系统整体误差。

4.实验准备

（1）认真学习相关的理论知识，查阅一定的科技资料。

（2）写出具体方案、实施手段、所用仪器设备、测试方法、工作计划与日程安排等。

（3）将准备报告交指导教师审阅，经批准后方可进行实验。

5.实验步骤

（1）选择实验所需仪器设备。

（2）按照选择的方法，逐步对系统各个部分进行校正。

（3）将校正好的元器件及相关仪器接入炉温测量系统从而对其进行系统校正。

（4）画出校正曲线，将其中一份贴于所校正电阻炉合适位置。

6.实验总结

写出完整的实验方案和总结报告，绘出系统误差校正曲线。

四、温度的检测与控制综合设计实验的实验提示

1、实验室现有仪器设备

各种型号的温度调节仪、中间继电器、可控硅、固态继电器、交流接触器、组合电路版、各种类型热电偶、UJ－37型直流电位差计、UJ-36型直流电位差计、电子电位差计、电炉 、烧杯 、可控硅调压主回路、动圈表、管式炉、水银温度计、转换开关、指示灯（红、绿）、接线端子排、导线若干等。

2、热电偶的类型及极性的鉴别

极性鉴别：当热电偶冷、热端温度不一致时，可在正、负极两端测出一电势值。若该电势为正值，则UJ-37正极接线柱所接的为电偶的正极，另一极为负。反之亦然。

类型鉴别：将在某一温度测得的热电势E(t_n，t_x)与分度表中不同型号的热电势E(0，t_x℃)对照，与之相近为对应的型号。（t_n为室温，由于它的影响，使测得的E(t_n，t_x℃)低于分度表中的E(0，t_x)）

注：t_x可以选择100 ℃。

3、热电偶基本误差的确定

可以用工业上常用的比较法来确定热电偶的基本误差。测量标准电偶被校电偶的电势值，分别用E_标和E_校表示，并记录下来。注意，在读电位差计读数的同时，要记录下热电偶冷端温度值。（由水银温度计上读出）。

首先查热电偶分度表，确定各电偶冷端t₁的电势值E(t₁，t₀)。根据测量得到的热端为t，冷端温度为t₁的电势值E(t，t₁)，用公式E(t，t₀)＝E(t，t₁)＋E(t₁，t₀)计算出E_标(t，t₀)和E_校(t，t₀)值。

注意：在计算标准电偶热电势值时，还要对他本身在各校正点的误差进行修正。其中，修正值＝－误差值。

E_标(t，t₀)＝E_标(t，t₁)＋E_标(t₁，t₀)＋E_修（t）。标准电偶在各点的修正值一般是已知的。

然后用公式△E=E_校-E_标计算被校电偶的误差

E_校－被校电偶热端在t，冷端在0℃时的电势值。

E_标－标准电偶热端在t，冷端在0℃并修正了该点的误差之后的电势值。

△E－所求被校电偶在该校正点处的误差。

最后判断该电偶在此校正点是否超差，并求出被校正点处的真实温度（与教材表2－5中的允许误差值比较）

4、数字温度控制仪表指示误差的确定

方法同上，不同的是要用标准直流电位差计（UJ－36、UJ－37）作模拟信号，为温度控制仪（而不是电子电位差计）输入校正温度点的标准热电势值，并且该仪表的校正不用考虑上行或下行。

5、温度测量系统成套检定

用分别经过校正的热电偶和二次仪表组成测温系统时，热电偶及二次仪表在使用中具有互换性，即所有合格的热电偶（误差已知）与所有合格的以该热电偶分度号刻度的二次仪表可以互相配套使用。这样配套使用的测温系统具有的整体误差（绝对误差），用下列公式计算：

式中—热电偶的绝对误差

—热电偶冷端温度补偿误差

—二次仪表的绝对误差

例如，当用分度号为K的热电偶，配用1.0级的XCT-101仪表（量程为1100℃）测量1000℃时，假定已检定热电偶在该点的误差为＋7.5℃（对应分度表0.30 mv），所用的XCT-101仪表在该点的误差为＋11℃（对应分度表0.44 mv），查表2－9得出K型热电偶冷端温度补偿误差为±0.16 mv，则该套测温系统在该点的整体误差计算为：

已知＝0.30 mv

＝±0.16 mv

＝0.44 mv

则＝＝±0.556 mv

查K型热电偶分度表相当于±14℃。

此处尚未计入补偿导线等方面的误差。由此可见，单独检定然后成套使用时，系统积累的误差可能是很大的，为此，工程上多采用成套检定法，以消除系统中固有的误差，从而可使测量准确度大大提高。

所谓成套检定法，就是热电偶、补偿导线、配接导线和二次仪表连接成整套测温系统后，用标准系统对其进行检定，从而使被检系统获得一个统一的误差，在以后使用中，只要保持着该系统的成套性和与检定时相同的外界条件，则这一误差可以保持不变。只要在这一系统中加上一个统一的修正值，便可以得出较准确的测量结果。

成套检定的装置与比较法检定热电偶的装置相似，只是把标准热电偶永远与直流电位差计连接形成标准系统，而被检定系统的热电偶则通过补偿导线与其配套的二次仪表连接。检定时，先从标准系统上读出某检定点的实际值（标准值），然后对照被检定系统的指示值，两者的差值即为被检定系统在该点上的误差，这一误差反映了被检定系统的综合误差。系统中一些环节的误差被互相消除，从而可使整个系统的测量误差减低。

同理，成套检定的准确程度，也取决于标准系统的误差及检定过程中产生的一些误差。

6、中间继电器的结构和工作原理

中间继电器是一种电子机械开关，一般由铁芯、线圈、衔铁、触点、簧片等组成。线圈是用漆包线在一个圆铁芯上绕几百圈至几千圈。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，圆铁芯就会产生磁场，该磁场产生强大的电磁力，吸动衔铁带动簧片，使簧片上的触点接通(常开触点)。当线圈断电时，铁芯失去磁性，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会离开铁芯，由于簧片的弹性作用，由于衔铁压迫而接通的簧片触点就会断开，如图1所示。因此，可以用很小的电流去控制其他电路的开关，达到某种控制的目的。

中间继电器的“常开、常闭触点“，可以这样来区分，继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为 “常开触点”，线圈未通电时处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

常见的继电器外形如图2所示。

7、固态继电器的结构和工作原理

固态继电器(Solid State Relays，简写成“SSR”)是一种没有机械运动、不含运动零件的继电器，但它可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件，所以与电磁继电器相比具有一系列的优点，因而具有很宽的应用领域，有逐步取代传统电磁继电器无法应用的计算机等领域。

固态继电器结构及原理与机械式电磁继电器工作原理基本相同。固态继电器有三部分组成：输入电路，隔离(耦合)和输出电路。按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TrL／CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种(以光电隔离型为最多)。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交流输出电路等形式，交流输出通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出一般用大功率开关三极管或功率场效应管。

它的工作原理是：SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D)，是一种四端器件。工作时只要在A、B上加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能。其中耦合电路采用光耦合器使SSR输入、输出端之间在电气上断开了联系，以防止输出端对输入端的影响。由于输入端的负载是发光二极管，在使用可直接与计算机输出接口连接。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路工作。直流型的SSR与交流型的SSR相比，无过零控制电路，也不必设置吸收电路，开关器件一般用大功率开关三极管，其工作原理基本相同。

8、可控硅的结构和工作原理

可控硅元件—通常称为SCR，是一种非常快速的开关。一个机械开关要在一分钟内开关即几百次几乎是不可能的，然而，现在某些可控硅元件可以达到每秒开关25000次。这些元件可以在几微秒内接通或断开。图3所示为可控硅元件外形图及其符号。在图中还标志出了他们之间的相应极性。

图3 可控硅元件外形图及其符号

可控硅控温原理如下：由热电偶检测炉温，被测的热电势进入仪表与毫伏定值器进行比较，两者有偏差时，表明炉温偏离给定值。此偏差经毫伏放大器后送入PID调节器，输出的控制信号即送入触发器，发出相应的脉冲去触发可控硅，改变可控硅的导通角，调节加热功率，使温度偏差迅速消除，以达到恒温状态。

9、温度调节系统

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图4温度调节系统示意图

图4为温度调节系统示意图。由热电偶检测炉温，被测的热电势进入仪表与毫伏定值器进行比较，两者有偏差时，表明炉温偏离给定值。此偏差经毫伏放大器后送入温度调节器，输出的控制信号即送入执行器，发出相应的触发信号，调节加热功率，使温度偏差迅速消除，以达到恒温状态。该过程与系统所选用的控制器及执行器的不同而有所不同。