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？

第二篇：热电偶的标定