实验六 温差电偶的定标和测量
实验目的
1．加深对温差电现象的理解。
2．了解校准热电偶温度计的基本方法。
实验仪器
铜－康铜热电偶，校准用的纯金属（铅、锌、锡）或标准热电偶，待测熔点的金属，杜瓦瓶，电位差计或数字电压表，电炉等。
实验原理
1．热电偶的测温原理
把两种不同的导体或半导体连接成一闭合回路，如图6－1所示。如两接点分别处于不同的温度T和T0，则回路中就会产生热电动势，这种现象称作热电效应。同时把这个电路叫做A、B组成的热电偶，如铂－铂铑热电偶、铜－铁热电偶等。
在图6－1所示的热电偶回路中，产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。温差电势是在同一导体的两端因温度的不同而产生的一种热电势，由于材料中高温端的电子能量比低温端的电子能量大，因而从高温端扩散到低温端的电子数比从低温端扩散到高温端的电子数多，结果使高温端失去电子而带正电荷，低温端得到电子而带负电荷，产生一附加的静电场。此静电场阻碍电子从高温端向低温端的扩散，在达到动态平衡时，导体的高温和低温端间有一个电位差VT－VT0，此即温差电势。在热电偶回路中，导体A和B分别有自己的温差电势eA（T，T0）和eB（T，T0）。
接触电势的产生原因是两种导体材料的电子密度和逸出功不同。这样，当两种导体接触时，电子在其间扩散的速率就不同，使一种导体因失去电子而带正电荷，另一种导体因得到电子而带负电荷，在其接触面上形成一个静电场，即产生了电位差，这就是接触电势，其数值取决于两种不同导体材料的性质和接点的温度。在热电偶回路中两个接点分别有不同的接触电势eAB（T）,eAB（T0）。
由于温差电势和接触电势的影响，在热电偶回路中产生的总热电势可表达为
（6－1）
它是材料和温度的函数，对确定的热电偶材料，热电势EAB(T,T0)是温度T和T0的函数差
（6－2）
如果使某接点温度固定（常取水的三相点温度作为T0），则总电势成为温度T的单值函数
（4－10－3）
这一关系式可通过实验获得。得到
后，我们测出热电偶接点处于某未知温度时的EAB值（另一接点温度T0），就可得到此温度值。
2．有关热电偶回路的几点结论
（1）若组成热电偶回路的两种导体相同，则无论两接点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。
（2）如热电偶两接点温度相同，则无论导体由何种材料制成，热电偶回路内的总热电势亦为零。
（3）热电偶的热电势只与接点的温度有关，与导体的中间温度分布无关。
（4）热电偶在接点温度为T、Ts时的热电势，等于热电偶在接点温度为T、T2和T2、Ts时的热电势的代数和。
（5）在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种材料的两端温度相同，第三种导线的引入就不会影响热电偶的热电势，这一性质称中间导体定律。
（6）当两接点温度分别是T1和T2时，由导体A、B组成的热电偶的热电势等于AC热电偶和CB热电偶的热电势之和。即
（6－4）
导体C称标准电极，一般用铂制成，这一性质称标准电极定律。
正是由于上述这些性质，才使我们对热电偶的热电势的测量成为可能，在实际使用中我们往往需要在热电偶回路里接入各种仪表（如电位差计、灵敏电流计）、连接导线等。但只要与这些器件相接的各接点的温度保持相同，就不必担心对热电势产生影响，而且也允许用任意的焊接方法来焊制热电偶。
需要注意，只有当组成热电偶材料的化学成分和物理状态是均匀的时，才有上述结论成立，如材料的理化性质不均匀（如组分有变化、结构不均匀等），就会引入难以确定的附加电动势而使结果产生较大的误差。
3．热电偶的校准
在实际测温前，必须知道热电偶的热电势－温度关系曲线，称作校准曲线，以后就可以根据热电偶与未知温度接触时产生的电动势，由曲线查出对应的温度。常用的几种具有标准组分的热电偶（如由含铂90%、铑10%的铂铑丝和纯铂丝组成的铂铑－铂热电偶；由含镍89%、铬9.8%、铁1%、锰0.2%的镍铬丝和含镍94%、铝2%、铁0.5%、硅1%、锰2.5%的镍铝丝组成的镍铬－镍铝热电偶等），它们的校准曲线（或校准数据表）在有关手册中可以查到，不必自己校准，如果实验室自制的热电偶组分并不标准，则校准工作就是不可缺少的了。
校准热电偶的方法有两种。
（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的气压下（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的对应的电动势，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校准。为此将热电偶的冷端保持在冰水混合物内，其温度在标准大气压下是0℃，我们选择水的沸点、锡、锌和铅的熔点分别作为校准的固定点。
为了使测量结果较为准确，对于金属的熔点不是在加热的过程中进行测量，而是待金属熔解后，撤去热源使其冷却的过程中确定其凝固点（对金属来说凝固点与熔点完全相同），由于金属在凝结和熔解过程中其温度是不变的，我们可以利用这一特性测定金属的凝固点，为此我们用电位差计（或数字电压表）测定热电势随时间的变化曲线，如图6－2所示。如果在一定的时间（至少几分钟）内，热电动势值基本不变，则该值对应的温度就是所测金属的凝固点。本实验所用的热电偶校准电路如图6－3所示，在热电偶与电位差计的测试端相连时，应注意其正负极性不要接错。
实验内容
1．按图6－3接线，而后对电位差计进行校准，校准完毕再进行测量。
标准电池
本实验采用饱和标准电池（电解液为饱和硫酸隔溶液）作为标准电动势源。标准电池20℃时的电动势ES（20）=1.0186V，标准电池的电动势随温度相应变化，温度在0℃≤t≤40℃时电动势为
ES（t）=E20－[39.94（t－20）+0.955（t－20）2 +0.0090（t－20）3]×10-6V （4-70）
使用标准电池时应注意以下几点：
1）根据使用时的室温算出或由表查出当时的电动势值。
2）存放地点的温度波动要求，远离热源并避免强光射到标准电池上。
3）正负极不能接错、严禁短路。流经电池的电流小于10μA。
4）轻拿轻放，不得振荡或倒置。
2．将热电偶测温端放入在盛有冰水混合物的杜瓦瓶中，测量0℃时的热电势（应为零）。
3．用电炉加热水，待沸腾后将热电偶放入水中测其热电势。
4．用电炉加热专用容器中的纯锡，待锡全部熔化后切断电炉电源，由其自然冷却，将电偶测温端放入熔化的金属中，测定其热电热势—时间关系曲线（一分钟测一个点）。作图确定与锡的凝固点相对应的热电势的值。
5．作被校热电偶的校准曲线，以温度为横轴，热电势为纵轴，以所测的四个固定点作热电偶的校准曲线（相邻点间以直线相连。更准确的办法要用到曲线拟合的方法）。
6．同法测未知熔点的焊锡的凝固点的热电势，从热电偶的校准曲线上查出焊锡的熔点温度。
注意事项
1．为了避免热电偶受熔融的金属玷污，故将热电偶测温端置于一端封闭的铜管中，使其与待测金属隔离。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。
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．掌握电炉加热时间，当金属全部熔融后，应及时切断电源。否则，会因加热时间过长，温度过高，一方面使金属氧化，也延长了金属冷却所用的时间。
4．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。
5．每种金属测完后，必须重新升温使金属熔化，取出铜套管，然后切断电源，否则在金属冷却时会收缩而不易取出铜套管。
思考题
1．具体考察一下在实验线路中热电偶是如何和第三种金属连成回路的，接头在哪里？处在什么温度？并证明若电偶与第三种金属的两个接头温度一样时，回路电动势不因加接第三种金属而变化。
2．为什么要测金属凝固时的热电势？测熔化时的热电势能行吗？
3．若以一内阻及电流灵敏度均已知的灵敏电流计代替电位差计，能否测定热电偶的电动势？为什么？
第二篇：温差电偶的定标和测量
4.8温差电偶的定标和测量
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。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。
用热电偶测温度具有许多优点，如测温范围宽、测量灵敏度和准确度较高、结构简单不易损坏度等。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。
【实验目的】
1.观察并了解温差电现象；
2.掌握电位差计的工作原理，学会使用箱式电位差计；
3.通过测量热电偶的温差电动势，作出热电偶的温差电动势与温度差之间的关系曲线，能够运用图解法求出热电偶温差系数；
4. 掌握标定热电偶的方法；
5.了解校准热电偶温度计的基本方法。
【实验仪器】
UJ36型箱式电位差计、热电偶、光点式或数字式检流计、标准电池、直流稳压电源、温度计、电热杯、保温杯。
【预习要求】
1. 电位差计是利用什么原理进行测量的?
2. 使用电位差计测量位置电压前要进行那些操作?
【实验仪器介绍】
1.标准电池
标准电池是一种作电动势标准的原电池，分为饱和式（电解液始终是饱和的）和不饱和式两类。不饱和式标准电池的电动势Et随温度变化很小，一般不必作温度修正，但在恒温下Et仍有变化，不及饱和式的稳定，而且当电流通过不饱和式标准电池后，电解液增浓，长期使用后会失效。
饱和式标准电池的电动势较稳定，但随温度变化比较显著。本实验所用的为饱和式标准电池，该电池在20℃时的电动势为E20=1.01860V，在偏离20℃时的电动势可以下式估算：
E s（t）=E20-[39.94(t-20)+0.929(t-20) 2×10-5-0.0090(t-20)3]×10-6V
电池的温度可由其上所附的温度计读出。
使用标准电池时需注意正负极不能接错，不能短路，不准用万用表测其端电压，不可摇晃、振荡、倒置，不准超过容许电流。
2. 直流复射式光点检流计（AC15型）
直流复射式光点检流计是一种测量微弱电流（10－8~10－11A）的磁电式检流计，它无指针，靠光标读数，无固定的零点，一般常用来检测有无电流或作为零位测量法的“指零”仪表。直流复射式光点检流计的使用方法如下：
（1）待检测电流由左下角标示的“＋”、“－”两个接线端接入，一般可不考虑正负。
（2）电流的大小由投射到刻度尺上的光标来指示。产生光标的电源插口在仪器背面。由于光标电源有AC220V和AC6.3V、DC6.3V两种，所以要注意光标电源的选择开关应和实际相符。
（3）测量时，应先接通光标电源，见到光标后，将分流器开关由“短路”转到“×0.01”档，观察光标是否指“0”，如果光标不在“0”点，应使用零点调节器和标盘微调器，把光标调在“0”点。如果找不到光标，可以将检流计的分流器开关置于“直接”处，检查仪器内的小灯泡是否发光。
（4）仪器的偏转线圈并联不同的分流电阻，可以得到不同的灵敏度。使用时，应从检流计的最低灵敏度×0.01档开始测量，如果偏转不大，再逐步提高灵敏度．本实验中要求灵敏度达到“×1”或“×0.1”。
（5）测量中当光标摇动不停时，要转向短路档，使线圈作阻尼振动，较快静止下来。检流计悬丝所能承受的最大拉力只有零点几克，所以使用时注意不能振动、倾斜。当实验结束时，必须将分流器置于短路档，以防止线圈和悬丝受到机械振动而损坏。
3.数字式灵敏检流计
JRLQJI-2A型数字式检流计灵敏度较高，达0.2nA/uV。接通电源后，同样先用面板右下方的调零旋钮调零。使用时，若有电流通过，便会在显示器上显示出所通过电流的极性“＋”或“－”及电流的大小，电流大小由显示器上的示数和面板右上方“×1”、“ ×10”两指示灯共同决定。如“×100”灯亮，则电流大小为示数值×100，表示此时通过的电流较大，偏离平衡位置较远。
【实验原理】
1.温差电动势的产生原因及规律
两种不同金属（如铜和康铜）组成一个闭合回路，当两个接触点处于不同温度时，在汤姆孙效应和珀耳帖效应的共同作用下 ,接触点间将产生电动势，称为塞贝克电动势，也称为温差电动势。这种由两种不同金属焊接并将接触点放在不同温度下的回路称为温差电偶(热电偶)。温差电偶的温差电动势大小由热端和冷端的温差决定，其极性热端为正极，冷端为负极，其关系为：
（4-8-1）
式中Et为温差电动势，t1为热端温度，t0为冷端温度，α和β是由构成热电偶的金属材料决定的常数。当冷热端温差不大时，α >>β，上式可简化为：
（4-8-2）
故温差电动势Et与冷热端温差t1-t0成线性关系。
将热电偶，电势差计等其他相关仪器组合在一起便构成了热电偶温度计。当已知冷端温度，并测出其温差电动势后，便可求出热端温度： 
（4-8-3）
2. UJ36型箱式电势差计的原理及使用
箱式电势差计与线式电势差计都是利用补偿法原理，但箱式电势差计不仅测量方便而且提高了测量精度，适用于科研和生产。
UJ36型箱式电势差计属于“定流变阻式”电势差计，其简化原理图如图4-8-1。图中E为工作电源；Rn为工作回路的限流电阻；Es为标准电池；Ex为待测电动势；Rs称为工作电流调定电阻，提供一个标准电压与标准电池的电动势相互补偿，以确定工作电流；Rx称为测量电阻，提供一个标准电压与未知电动势相互补偿，从而测出待测电动势。其具体过程如下：
1电势差计的校准：取
，I0表示额定工作电流。根据补偿原理，当Rs上的实际电流为额定工作电流I0时，Rs上的实际电压应与标准电池Es相等，导致流过检流计的电流为零。因此我们通过判断流过检流计的电流是否为零来判断限流电阻Rn是否应该调动。
2温差电动势的测量：将待测电动势接到未知1或未知2，调节Rx使检流计光斑对准零刻度线，流过检流计的电流为零。此时Rx上的电压Ux=Rx×I0与待测电压Ex相等，读出Rx上的电压即可。
UJ36型箱式电势差计是一种低电势，双量程的电势差计，当量程开关K0指向“×10”档时最大量程为171mv, 当量程开关指向“×1”档时最大量程为17.1mv。
（1）热电偶
两种不同金属组成一闭合回路时，若两个接点A、B处于不同温度t0和t，则在两接点A、B间产生电动势，称为温差电动势，这种现象称为温差现象。这样由两种不同金属构成的组合，称为温差电偶，或热电偶。热电偶是一种常用的热电传感器，利用它可以测量微小的温度变化。
温差电动势ε的大小除和热电偶材料的性质有关外，另一决定的因素就是两个接触点的温度差(t－t0)。电动势与温差的关系比较复杂，当温差不大时，取其一级近似可表示为：
（4-8-4）
式中C为热电偶常数（或称温差系数），等于温差1℃时的电动势，其大小决定于组成热电偶的材料。例如，常用的铜-康铜电偶的C值为4.26×10-2mV/K，而铂铑-铂电偶的C值为6.43×10-3mV/K。
热电偶可制成温度计。为此，先将t0固定（例如放在冰水混合物中），用实验方法确定热电偶的ε-t关系，称为定标。定标后的热电偶与电位差计配合可用于测量温度。与水银温度计相比，温差电偶温度计具有测量温度范围大（－200℃~2000℃），灵敏度和准确度高，便于实验遥测和A／D变换等一系列优点。
（2）数字电压表测量温差电动势
由于数字式电压表的精度和准确度都很好，温差电动势的测量也可以采用数字电压表。测量前，需要把数字电压表的两个接线端连接起来，对数字电压表进行调零。把数字电压表的两个接线端接在温差电偶的两个信号输出端，选择合适的电压量程，就可以开始测量。
（3）电位差计
电位差计是准确测量电势差的仪器，其精度很高。用伏特表测量电动势Ex时，伏特表读数为U＝Ex－IR，其中R为伏特表内阻。由于U<Ex，故用伏特表不能准确测量电动势。只有当I＝0时，端电压U才等于电动势Ex。
如图4-8-2，如果两个电动势相等，则电路中没有电流通过，I＝0，EN＝EX。如果EN是标准电池，则利用这种互相抵消的方法（补偿法）就能准确地测量被测的电动势EX，这种方法称为补偿法，电位差计就是基于这种补偿原理而设计的。
在实际的电位差计中，EN必须大小可调，且电压很稳定。电位差计的工作原理如图4-8-3所示，其中，外接电源E、制流电阻Rp和精密电阻RAB串联成一闭合回路，称为辅助回路。当有一恒定的标准电流I0流过电阻RAB时，改变RAB上两滑动头C、D的位置就能改变C、D间的电位差VCD的大小。
由于测量时应保证I0恒定不变，所以在实际的电位差计中都根据I0的大小把电阻的数值转换成电压值，并标在仪器上。VCD相当于上面的“EN”，测量时把滑动头C、D两端的电压VCD引出与未知电动势Ex进行比较。
1校准 为了使RAB中流过的电流是标准电流I0，根据标准电池电动势EN的大小，选定C、D间的电阻为RN，使EN＝I0·RN，调节RP改变辅助回路中的电流，当检流计指零时，RAB上的电压恰与补偿回路中标准电池的电动势EN相等。由于EN和RN都准确地已知，这时辅助回路中的电流就被精确地校准到所需要的I0值。
2测量 把开关倒向Ex一边，只要Ex≤I0 RN ，总可以滑动C、D到C’、D’使检流计再度指零。这时，C’、D’间的电压恰和待测的电动势Ex相等。设C’、D’之间的电阻为Rx，可得Ex＝I0·Rx。因I0已被校准，Ex也就知道了。
由于电位差计的实质是通过电阻的比较把待测电压与标准电池的电动势作比较,此时有
因而只要精密电阻RAB做得很均匀准确、标准电池的电动势EN准确稳定、检流计足够灵敏、电源很稳定，其测量准确度就很高，且测量范围可做得很广。但是，在电位差计的测量过程中，工作条件常易发生变化（如辅助回路电源E不稳定，制流电阻RP不稳定等。），为保证工作电流标准化，每次测量都必须经过校准和测量两个基本步骤，且每次要达到补偿都要进行细致的调节，所以操作较为麻烦、费时。
【实验内容及步骤】
（1）对照讲义，弄清楚UJ36型电位差计上每一开关和旋转钮的作用。
（2）将冰杯装满冰及冰水，将热电偶的一端插入冰水中。另一端插入水浴锅内的水中，再把热、电偶的二个接头接在UJ36型电位差计的 “+”、“ -”接线柱上（注意：热端接正极，冷端接负极，极性不要搞错）。
（3）转动倍率开关，使它旋在“×0.2”的位置上，此时就接通了电位差计的工作电源，仪器预热3min后，调节检流计电气调零旋钮使检流计指零。
（4）将电键开关扳向“标准”一边，调节面板右上方的工作电流调节电阻（即图4-6-3中的Rp），使检流计指针为零，此时电位差计的工作电流已校正好，就可以来测量待测电动势。
（5）将电键开关扳向“未知”，并读下此时水温t，调节步进读数盘（此时应放置在“0”）和滑线盘使检流计指零，则（步进盘读数+滑线盘读数）×0.2即为此温度下的电动势（单位为mV）。
（6）打开水浴锅的开关，旋动加热按钮，使两个指示灯全亮，此时锅内水开始加热。以后每隔5摄氏度读下电偶热端的温度和相应的电动势，并记入表格内（表格自列），至少取10个数据。在测试过程中，需要经过观察工作电流，如发现双刀双向开关K扳到“标准”一边时，原已校好的检流计有偏转，应及时加以校正。
由于温度的读取和温差电动势的读取同时进行，故小组中二人分工进行。
【数据记录及处理】
（1）以电动势为纵轴，温差作为横轴，绘出温差电动势~温度差的关系图线，应是一条直线。求出直线的斜率就是温差电动势率α。
（2）在实验报告上写出最后结果。
【注意事项】
1．所有的接线必须接好不能出现虚接，标准电池和电势差计的工作电源以及温差电动势的正负极不能接反。
2．量程开关K0在“×1”“×0.2”两档中间有一空白档，此时电势差计处于断开状态。
3．箱式电势差计必须先粗校（测），再细校（测），保护检流计。
4．电势差计的工作电源电动势必须在要求范围内，如果电压表指示不准可将限流电阻Rp调到中值后调节电压使光斑出现在零刻度线附近。
5．电势差计校准好之后，限流电阻Rp不可再调动。
6．Rx3在100到0之间有一小段没有刻度，当游标的零刻度对准此段时，电势差计断开检流计指零，但并不表示电势差计达到补偿状态，这时不能读取结果。
7．读数时先记热端温度T1，再记下Rx1、Ra2示值之和即为热电偶在该瞬时温差下的温差电动势ET。
8．每测一组数据后，都应再次校准电势差计，实验时应注意提醒和检查。
9．实验完成后，检查仪器是否完好，仪器是否整理好归位，桌面是否收拾干净。
【思考题】
1．使用标准电势和检流计有哪些注意事项？
2．调电位差计平衡时，若检流计指针总是偏向一边，可能有哪些原因？