热电偶标定实验

一、概述：

 温差热电偶(简称热电偶)是目前温度测量中应用最广泛的温度传感元件之一，是以热电效应为基础的测温仪表。它用热电偶作为传感器，把被测的温度信号转换成电势信号，经连接导线再配以测量毫伏级电压信号的显示仪表来实现温度的测量。

热电偶测温的优点是结构简单、制作方便、价格低廉、测温范围宽、热惯性小、准确度较高、输出的温差电信号便于远距离传送、实现集中控制和自动测试。流体、固体及其表面温度均可用它来测量，所以在工业生产和科学研究、空调与燃气工程中应用广泛。

二、实验目的

１．学习使用毫伏表测定温差电动势及热电偶工作原理。

２．掌握热电偶定标曲线的绘制规则。

３．学习用热电偶设计温度计

4.学习用直线拟合方法处理实验数据。

三、实验原理

1、温差电现象。导体中存在着与热现象有关的非静电力和电动势，称为温差电动势，依其产生的机理不同而有两种具体形式。

一种称为汤姆孙电动势。金属导线两端如果温度不同，高温端的自由电子好像气体分子一样向低温端扩散，并在低温端堆积起来，从而在导线内形成电场。由电子热扩散不平衡建立的电场反过来又阻碍不平衡热扩散的进行，最终达到动态平衡，使导线两端形成一稳定的电势差。若把两种金属导线两端连接起来，并把接点置于不同温度中，使两种不同材料的金属连接成闭合回路，因两个汤姆孙电势不相等，两段导线中即形成恒定电流。回路中相应的电动势称为汤姆孙电动势。温差越大，汤姆孙电动势也越大。

另一种称为珀耳帖（J.C.A.Peltier，1785——1845）电动势。两种不同金属连接起来，由于接触面两侧金属内自由电子浓度不同，电子将从浓度大的一侧向浓度小的一侧扩散，在接触面间形成电场，从而在两种金属间形成电位差。显然，两种金属连成回路，并把接点置于相同温度中，两接触面间将建立相等而相反的电动势，因而也形不成恒定电流。只有两接点温度不同，两个珀耳帖电动势不等，才会形成电动势。而且温差越大，形成的电动势也越大。

总之，两种电动势尽管产生的机理不同，但最后在闭合回路中形成的电动势，除与材料有关外，惟一地决定于两个接点的温度差，所以统称为温差电动势。上述两种金属A、B两端彼此焊接并将接点置于不同温度下的回路（见图1），称为温差电偶。使用时常把一个接点置于某一恒定温度，称为参考点；另一接点作为测温点。

温差电偶中形成的温差电动势与温差的关系通常用幂函数表示，在常温范围内，要求准确度不太高时，可以取一级近似，写为：

图1 温差电偶

式中：常数取决于参考点的温度；称为温差电系数，它表示测温端每变化1℃时温差电动势的变化量。

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。

热电偶的冷端补偿

 由热电偶测温原理已经知道，只有当热电偶的冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在实际应用时，往往由于热电偶的热端与冷端离得很近，冷端又暴露于空间，容易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。为此常采用下述冷端温度补偿或处理方法。

(1)冰浴法：在实验室条件下常将热电偶冷端置于冰点恒温槽中，使冷端温度恒定在0℃时进行测温，这种方法称为冰浴法。测量时将热电偶的冷端分别插入冰点恒温槽，如图7所示。温度显示或测量仪表可以看作铜导线，而且铜导线与热电偶的热电极相接的两接点温度均在0℃。根据中间导体定律，可以认为图7（b）与（c）的线路等效。

图7 冰裕法接线图

四、实验内容及操作

1、热电偶标定实验（测量标定热电偶 曲线）

将热电偶插入加热井中，另一端放入冰水混合物中。把热电偶输出接入毫伏表输入，，热电偶的标定实验线路图如图9所示。（注：，毫伏表选择20mv档）

分别设置温度为（30，35……110℃）时，测出标定热电偶的热电势并将数据填入表1中，然后查标准热电偶电势表将数据填入表1。根据所测数据及所查数据分别绘出标定热电偶及标准热电偶 曲线如图10所示。

表1 热电偶温度计标定表

图10 E-t曲线

2、热电偶温度计设计实验（测量热电偶 曲线）

将热电偶插入加热井中，另一端放在环境温度中。把PID控温设置到100度。

 用毫伏表测量热电偶两端的电动势 。再用毫伏表测量热电偶补偿电动势（调RW1为4.10 mV）再将毫伏表测量放大后的输出(此时将毫伏表选择200 mV挡)调节后RW2放大倍数为100

在将PID温度降40度以下（可以开启风扇快速降温）

分别设置温度为（40……110℃）时，测出热电偶温度计的热电势并将数据填入表2中，根据所测数据绘出热电偶 曲线。

表2 热电偶温度计设计实验表

第二篇：热电偶标定

热电偶的标定

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？