大学物理实验    课程教案

热电偶定标实验

热电偶在现实生活中的应用及其优势：在现代工业自动控制系统中，温度控制是经常遇到的工作，对温度的自动控制有许多种方法。在实际应用中，热电偶的重要应用是测量温度，它是把非电学量（温度）转化成电学量（电动势）来测量的一个实际例子。用热电偶测温具有许多优点，如测温范围宽（-200～2000℃）、测量灵敏度和准确度较高、结构简单不易损坏等。此外由于热电偶的热容量小，受热点也可做得很小，因而对温度变化响应快，对测量对象的状态影响小，可以用于温度场的实时测量和监控。热电偶在冶金、化工生产中用于高、低温的测量；在科学研究、自动控制过程中作为温度传感器，具有非常广泛的应用。在大学物理实验中，热电偶温度计的定标是一个传统实验，该实验要求学生找出热电偶的温差电动势与冷热端温差之间的关系，并给出温差电动势与冷热端温差之间的关系曲线，求出经验方程，从而完成其定标工作，使同学们了解热电偶测温度的基本原理。

实验原理

1. 温差电效应

温度是表征热力学系统冷热程度的物理量，温度的数值表示法叫温标。常用的温标有摄氏温标、华氏温标和热力学温标等。

温度会使物质的某些物理性质发生改变。一般来讲，任一物质的任一物理性质只要它随温度的改变而发生单调的、显著的变化，都可用它来标志温度，也即制作温度计。常用的温度计有水银温度计、酒精温度计和热电偶温度计等。

在物理测量中，经常将非电学量如温度、时间、长度等转换为电学量进行测量，这种方法叫做非电量的电测法。其优点是不仅使测量方便、迅速，而且可提高测量精密度。温差电偶是利用温差电效应制作的测温元件，在温度测量与控制中有广泛的应用。本实验是研究一给定温差电偶的温差电动势与温度的关系。

如果用A、B两种不同的金属构成一闭合电路，并使两接点处于不同温度，如图1所示，则电路中将产生温差电动势，并且有温差电流流过，这种现象称为温差电效应。

1闭合电路

2. 热电偶

两种不同金属串接在一起，其两端可以和仪器相连进行测温（2）的元件称为温差电偶，也叫热电偶。温差电偶的温差电动势与二接头温度之间的关系比较复杂，

 2热电偶测温

但是在较小温差范围内可以近似认为温差电动势与温度差成正比，即

                                                 (1)

式中为热端的温度，为冷端的温度，称为温差系数（或称温差电偶常量），单位为 V℃，它表示二接点的温度相差1℃时所产生的电动势，其大小取决于组成温差电偶材料的性质，即

                                   (2)

式中k为玻耳兹曼常量，为电子电量，和为两种金属单位体积内的自由电子数目。

   如图3所示，温差电偶与测量仪器有两种连接方式：（a）金属B的两端分别和金属A焊接，测量仪器M插入A线中间； （b）A、B的一端焊接，另一端和测量仪器连接。

3温差电偶与测量仪器有两种连接方式

   在使用温差电偶时，总要将温差电偶接入电势差计或数字电压表，这样除了构成温差电偶的两种金属外，必将有第三种金属接入温差电偶电路中，理论上可以证明，在A、B两种金属之间插入任何一种金属C，只要维持它和A、B的联接点在同一个温度，这个闭合电路中的温差电动势总是和只由A、B两种金属组成的温差电偶中的温差电动势一样。

   温差电偶的测温范围可以从4.2K（-268.95℃）的深低温直至2800℃的高温。必须注意，不同的温差电偶所能测量的温度范围各不相同。

3．热电偶的定标

   热电偶定标的方法有两种：

1）比较法

即用被校热电偶与一标准组成的热偶去测同一温度，测得一组数据，其中被校热电偶测得的热电势即由标准热电偶所测的热电势所测的热电势所校准，在被校热电偶的使用范围内改变不同的温度、进行逐点校准，就可得到被校热电偶的一条校准曲线。

2）固定点法

这是利用几种合适的纯物质在一定气压下（一般是标准大气压），将这些纯物质的沸点和熔点温度作为已知温度，测出热电偶在这些温度下的对应的电动势，从而得到热电势，从而得到℃热电势-温度关系曲线，这就是所求的校准曲线。

本实验采用固定点法对热电偶进行定标。为了能测量热电动势E中直接得出待测温度T值，必须对所用热电偶测定其热电动势E与温度T的关系，这就是热电偶温度的定标。本实验是做“铜—康铜”热电偶温度计的定标。在测定E～T关系时，采用摄氏温度规定的两个固定点，即溶冰点（0℃）和沸水点(100℃)，再在0～100℃之间取若干温度点，给出0～100℃之间的E～T曲线。

热电偶具有结构简单、小巧、热容量小、测温范围宽等优点，因此被广泛应用于生产和科学研究的测温和温度的自动控制中。

实验仪器

   “铜—康铜”热电偶，保温杯，WHT-3导热系数测试仪（可直接用数字电压表或UJ—36直流电位差计）。

1．  图4是实验装置示意图

4实验装置示意图

“铜—康铜”热电偶的一个接点（冷端）放在盛有冰水混合物的杜瓦瓶中，使该接点维持在恒定的0℃。另一接点（热端）放在A盘小孔中。升温由它的加热器来实现，当手动加热时，将控制方式置“手动”；当自动加热时，将控制方式置“自动”，由PID设定温度自动控制温度。

2．PID控温

PID智能温度控制器是一种高性能、高可靠性的智能型调节仪表，广泛应用于机械、化工、陶瓷、轻工、冶金、石化、热处理等行业的温度、流量、压力、液位等的自动控制系统。

3．“铜—康铜”热电偶温度为100℃时，其温差电动势约为4.0mV，若精度要求不高，可直接用20mV数字电压表代替UJ—36型携带式直流电位差计。

实验内容与步骤

1．  热电偶的冷端固定于0℃，WHT-3型导热系数测试仪采用电子补偿，使冷端始终保持在0℃。

2．  测定热电偶当热端处于以下温度值时的热电势

1）水的冰点，即0℃，将热电偶的热端放在冰水瓶里。

2）常温下水的温度，将热电偶的热端放在盛水烧杯里。

3）50.0℃左右，将热电偶的热端放在A盘小孔里，然后PID控温设定在50.0℃，将控制方式置“自动”，加热器将会把铜盘自动加热到50.0℃。

4）PID控温分别设定在55.0℃、60.0℃、65.0℃、70.0℃、75.0℃、80.0℃、85.0℃，（由于PID显示温度已经过校准可代替标准水银温度计），测出相应的热电势。

3．  如果精度要求不高，也可以用电位差计测热电势，WHT-3导热系数测试仪设有外接电位差计插孔，位于“特性测量与分析”的位置。将外接线的一端插入外接电位差计插孔中，另一端的两个接线叉对应接到UJ—36电位差计的“未知”正、负接线柱上。当使用外接电位差计进行测量时，热电偶的冷端应放在冰水瓶中，此时，应检查冰水瓶内的水面是否有冰块。按电位差计使用方法测量热电势E。当T=T0时，E应为零。若仪器指示不为零或超过最小分度一格，应对该仪器进行校准；小于一格时，可记下这个读数，作为零点订正值。

实验数据处理及分析

1．记录热电偶定标数据

1. 逐差法处理数据

   

 

2．作图法

（℃）

误差分析：

1. 为保持热电偶与铜管良好的接触，测量时应在铜管底部滴入几滴硅油，热电偶测温端应插入硅油中，不能悬空，一旦悬空，测量误差非常大；

2． 除结点外，热电偶丝之间及与铜管之间应保持良好的电绝缘，以免短路而造成测试错误；

3． 由于整个测量过程时间较长，电位差计校准后仍会发生漂移，所以在每次测量前都应重新校准。

第二篇：热电偶的定标

热电偶的定标

一、实验目的

   1、加深对温差电现象的理解；

   2、了解热电偶测温的基本原理和方法；

   3、了解热电偶定标基本方法。

二、实验仪器

    铜――康铜热电偶、YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪、保温杯、数字万用表等。

三、实验原理

    1、温差电效应

    在物理测量中，经常将非电学量如温度、时间、长度等转换为电学量进行测量，这种方法叫做非电量的电测法。其优点是不仅使测量方便、迅速，而且可提高测量精密度。温差电偶是利用温差电效应制作的测温元件，在温度测量与控制中有广泛的应用。本实验是研究一给定温差电偶的温差电动势与温度的关系。

如果用A、B两种不同的金属构成一闭合电路，并使两接点处于不同温度，如图1所示，则电路中将产生温差电动势，并且有温差电流流过，这种现象称为温差电效应。

 

图1

    2、热电偶

两种不同金属串接在一起，其两端可以和仪器相连进行测温（图2）的元件称为温差电

偶，也叫热电偶。温差电偶的温差电动势与二接头温度之间的关系比较复杂，但是在较小温差范围内可以近似认为温差电动势E与温度差成正比，即

                                                         (1)

式中t为热端的温度，t为冷端的温度，c称为温差系数（或称温差电偶常量）单位为

℃，它表示二接点的温度相差1℃时所产生的电动势，其大小取决于组成温差电偶材料的性质，即

                      c =（k/e）ln（n/n）                            (2)

式中k为玻耳兹曼常量，e为电子电量，n和n为两种金属单位体积内的自由电子数目。

如图3所示，温差电偶与测量仪器有两种连接方式：

（a）金属B的两端分别和金属A焊接，测量仪器M插入A线中间（或者插入B线之间）；

（b）A、B的一端焊接，另一端和测量仪器连接。

                                    图3

在使用温差电偶时，总要将温差电偶接入电势差计或数字电压表，这样除了构成温差电偶的两种金属外，必将有第三种金属接入温差电偶电路中，理论上可以证明，在A、B两种金属之间插入任何一种金属C，只要维持它和A、B的联接点在同一个温度，这个闭合电路中的温差电动势总是和只由A、B两种金属组成的温差电偶中的温差电动势一样。

温差电偶的测温范围可以从4.2K（-268.95℃）的深低温直至2800℃的高温。必须注意，不同的温差电偶所能测量的温度范围各不相同。

3、热电偶的定标

    热电偶定标的方法有两种。

（1）比较法：即用被校热电偶与一标准组分的热电偶去测同一温度，测得一组数据，其中被校热电偶测得的热电势即由标准热电偶所测的热电势所校准，在被校热电偶的使用范围内改变不同的温度，进行逐点校准，就可得到被校热电偶的一条校准曲线。

（2）固定点法：这是利用几种合适的纯物质在一定气压下（一般是标准大气压），将这些纯物质的沸点或熔点温度作为已知温度，测出热电偶在这些温度下对应的电动势，从而得到电动势――温度关系曲线，这就是所求的校准曲线。

本实验采用固定点法、且连接方法参照图3中的（a）对热电偶进行定标。

实验中的铜――康铜热电偶分为了“热电偶热端”和“热点偶冷端”两部分，它们都是由受热管和两股材料分别为铜和康铜的导线组成，如图4所示，其中，铜导线外部是红色绝缘层，康铜导线外部是黑色绝缘层，且两股导线在受热管中焊接在一起，但和外部的受热管绝缘，受热管的作用只是让其内部的两导线焊接端良好受热。

 

图4

连接热电偶时，将“热电偶热端”和“热电偶冷端”的“红”接“红”，“黑”接“黑”，以保证形成热电偶，为了测出电压，可将数字万用表接在它们的“红”与“红”之间，或“黑”与“黑”之间，把冷端浸入冰水共存的保温杯中，热端插入加热盘的恒温腔中，如下图5，是其中一种连接方法。

 

图5

定标时，加热盘可恒温在50――120℃之间。用数字万用表测定出对应点的温差电动势。以电动势为纵轴，以热端温度t为横轴，标出以上各点，连成直线。如图6所示，即为热电偶的定标曲线。有了定标曲线，就可以利用该热电偶测温度了。这时，仍将冷端保持在原来的温度（t=0℃），将热端插入待测物中，测出此时的温差电动势，再由-T图线，查出待测温度。

 

图6

四、实验内容与步骤

    1、测温差电动势

    连接好实验装置，将“热电偶热端”置于恒温腔中，将“热电偶冷端”置于保温杯的冰水混合物中，将“温度选择”开关置于“设定温度”，调节“设定温度初选”和“设定温度细选”，选择加热盘所需的温度（如50℃），按下“加热开关”开始加热，待加热盘温度稳定时，温度可能达不到设定值，可适当调节“设定温度细选”使其温度达到所需的温度（如50.0℃），这时给其设定的温度要高于所需的温度，读出数字万用表中此时的温差电动势。

    2、热电偶定标

    如步骤1，调节加热盘的温度，使其每次递增10℃（如依次达到60℃、70℃、80℃、90℃、100℃），热电偶冷端不变，测量不同温度下的温差电动势，作出热电偶的-T定标曲线。

    3、利用热电偶测温验证-T定标曲线

使恒温腔的温度达到某一值（如75），将冷端置于保温杯中，热端插入恒温腔中，测出此时的温差电动势，由-T定标曲线查出对应的温度值，与恒温腔的实际温度值进行比较，分析误差。

五、数据记录及处理

1、测量出对应温度的温差电动势。

2、 作出热电偶的-T定标曲线

 

3、 验证-T定标曲线

4、 误差分析

六、思考题

1、实验中的误差是如何产生的？

2、如果实验过程中，热电偶的冷端不在冰水混合物中，而是暴露在空气中 （即室温下），对实验结果有何影响？

3、大气压对实验有什么影响？