温度测量与控制实验

实验  温度测量与控制实验

一、实验目的

1、了解温度是一个基本物理量，也是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关的重要物理量。温度的测量和控制技术应用十分广泛。

2、  解温度传感器的种类。

3、了解检测温度的传感器种类不同，采用的测量电路和要求不同，执行器、开关等的控制方式也不同。

4、掌握本实验所选用的半导体PN结温度传感器工作原理。

二、实验要求与内容

1、运用电子技术来实现温度测量和控制任务，完成温度测量和控制电路的连接和调试。

2、学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析问题和解决问题的能力。

3、本次实验所选用的传感器为半导体传感器。即测温元件采用由半导体二极管构成的PN结传感器。测量电路是通过电压比较放大电路来实现温度的检测。控制电路也是通过两个电压比较电路来实现对两个继电器的控制。

4、测试电路中1—14点电压及两只三极管b、e、c电压，说明测温、控温原理，完成实验报告。

5、  谈实验的收获与体会。

三、实验所用设备及元件

直流稳压电源（ ±5V ）；

万用表；

水银温度计；

插接电路板、元器件等。

四、实验参考电路图          

五、实验步骤

1、安装U1A及外围电路。D1二极管需要焊接二根长线，引出电路板。接好电路之后，检查无误，方可通电。给D1加热，测量U1A的输出电压VO1 。通过测量可以发现：随着温度的升高，VO1降低。

2、安装U1B及外围电路。W1为调零电位器，W2为定标电位器。

在室温下调整W1，使U1B的输出VO2为室温时的电压输出（当量为10mV/℃）。将D1放入热水（40--50℃）中，调整W2，使U1B的输出VO2 正确。注意应反复调整W1、W2电位器，使VO2输出正确。

3、安装U1C和U1D及它们控制的继电器。

调整W3，使a点的电位为300 mV（即设定的控制温度上限为30度）；调整W4，使 b点的电位为200mV（即设定的控制温度下限为20度），U1C和U1D分别控制继电器J1和J2。

当温度低于20℃时，VO4为高电平（约3.55V），红色发光二极管亮，三极管T2饱和导通，集电极C2为低电平（约0.1V—0.15V），使J2继电器吸合，控制加热器开始加热（给同学示范）。

当温度高于30℃时，VO3为高电平（约3.55V），绿色发光二极管亮，三极管T1饱和导通，集电极C1为低电平（约0.1V—0.15V），使J1继电器吸合，控制制冷器开始制冷（给同学示范）。

当温度在设定温度上下限（20度至30度）之间时，VO2值为（200mV—300mV）,使 VO3 、VO4均为负值（约-5V）, 红色和绿色发光二极管全熄灭，此时两只三极管均截止，集电极C1、C2均高电平（约+5V），J1、J2继电器断开，不加热也不制冷。因此从以上不同的状态显示就可以知道温度情况及温度控制情况。

4、注意事项

为避免测温二极管本身通电产生的温度升高对测温的影响，电路设计时注意不要使通过测温元件的电流超过lmA。

六、思考题

1、电路中所用温度传感器有何特点？

2、指出本实验电路的优缺点，并提出对电路的改进意见。

附录

1、PN结温度传感器：

温度传感器是利用一些金属、合金或半导体材料与温度有关的特性制成，常用的有热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结及集成温度传感器等。

PN结温度传感器是利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性，可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管(将集电极与基极短接)做成PN结温度传感器。这种传感器测温范围为-50℃至150℃，有较好的线性度，尺寸小，响应快、灵敏度高、热时间常数小的特点，用途较广。

可将普通二极管(如1N4148)或硅三极管用作温度传感器。

但普通二极管或三极管即使型号相同，其温度特性也有较大差异，因而互换性差。现已有专用的温敏二极管和温敏三极管产品供选用。如国产2DWM型温敏二极管，外形封装有珠型、管型、探针型等，其测温范围为-50℃～150℃，线性度达土0.3%。另外，由三个PN结构成的温敏晶闸管，是一种新型的温敏元件，主要用于温度控制及过热保护。

2、温度与温标

温度不能直接加以测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量。

为了定量描述温度的高低，必须建立温度标尺（温标），温标就是温度的数值表示。各种温度计和温度传感器的温度数值均有温标确定。国际温标是一个国际协议性温标。其规定仍以热力学温度作为基本温度，1K等于水三相点热力学温度的1/273.16。它同时定义国际开尔文温度（符号T90）和国际摄氏温度（符号t90）和之间的关系：

t90/oC= T90 /K-273.16

在实际应用中一般直接用t和T代替t90 和T90。

3、温度测量的主要方法和分类

温度传感器的组成：现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成。

温度测量方法按感温元件是否与被测介质接触分成接触式测温和非接触式测温两大类。

接触式测温是使测温敏感元件和被测介质接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，温度感温元件与被测介质的温度相等。这类温度传感器结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低、应用广泛。

非接触式测温是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。可测高温、腐蚀、有毒、运动物体和固体、液体表面的温度，但精度低，使用不方便。