热电偶仿真实验报告

热电偶特性及其应用研究

一．实验原理:

1.电位差计的补偿原理

要测量一电源的电动势，若将电压表并联于电源两端，如图2.10.1所示，就有电流I通过电源部，由于电源有阻r，则在电源部有电压降,因而表的示值只是电源的端电压。显然，只有当时，电源两端的电压才等于电动势。

为了能精确测得电动势的大小，可采用图2.10.2所示的线路。其中是电动势可调节的电源。调节，使检流计指针指零，这就表示回路中两电源的电动势、方向相反，大小相等。故数值上有

(2.10.1)

这时我们称电路得到补偿。在补偿条件下，如果的数值已知，则即可求出。据此原理构成的测量电动势和电位差的仪器称为电位差计。

图2.10.1 测量电源电动势的原理图图2.10.2 测量电动势的补偿电路

2.实际电位差计的工作原理

图2.10.3 电位差计工作原理

实际的电位差计工作原理如图2.10.3所示，电源E、开关K0、可变电阻、

标准电阻R1、R等构成工作电流调节回路；标准电池Es、检流计G、开关K1和K2(S)构成工作电流校准回路；待测电动势Ex、检流计G0和开关K1、K2(X)构成待测回路。使用时，首先使工作电流标准化，即根据标准电池的电动势调节工作电流I。将开关K2合在S位置，调节可变电阻，使得检流计指针指零。这时工作电流I在段的电压降等于标准电池的电动势，即

(2.10.2)

再将开关K2合向X位置，调节电阻Rx，再次使检流计指针指零，此时有

(2.10.3)

这里的电流I就是前面经过标准化的工作电流。也就是说，在电流标准化的基础上，在电阻为Rx的位置上可以直接标出与对应的电动势(电压)值，这样就可以直接进行电动势(电压)的读数测量。

3. 温差电偶的测温原理

把两种不同的金属或不同成分的合金两端彼此焊接成一闭合回路，如图2.10.4所示。

图2.10.4 温差电偶

若两接点保持在不同的温度t和t0，则回路中产生温差电动势。温差电动势的大小除了和组成热电偶的材料有关外，唯一决定于两接点的温度函数的差。一般地讲，电动势和温差的关系可以近似地表示成

(2.10.4)

这里t是热端温度，t0是冷端温度，c称为温差系数，表示温差相差1℃时的温差电动势，其大小决定于组成电偶的材料。

温差电偶可以用来测量温度。测量时，使电偶的冷端温度t0保持恒定(通常保持在冰点)。另一端与待测物体相接触，再用电位差计测出热电偶回路中的温差电动势，如图2.10.5所示。只要该电偶的电动势与温差间的关系事先标定好，就可以求出待测温度，或者根据有关的温差电偶分度表查出相应的温度。

图2.10.5温差电偶测温原理

(a) (b)

图2.10.6 用UJ31型电位差计测定温差电动势的装置图

二．实验仪器及使用方法：

本实验用到的实验仪器有：电位差计、标准电池、光点检流计、稳压电源、温差电偶、冰筒、水银温度计、烧杯等。

1.UJ31型电位差计：

UJ31型电位差计是一种测量低电势的电位差计。

它的测量围是：1μV至17mV(K0旋至×1档)或10μV至170mV(K0旋至×10档)。使用5.7—6.4V外接工作电源，标准电池和检流计均为外接。

其面板如图上图所示。原理图2.10.3中各元件与面板上各旋钮的对应关系为：Rn被分成Rnl(粗调)、Rn2(中调)、Rn3(细调)三个电阻转盘，以保证迅速准确地调节工作电流；

Rs是为了适应温度不同时标准电池电动势的变化而设置的，当温度不同引起标准电池电动势变化时，通过调节R，进而调节Rs两端的电压，使工作电流保持不变。

Rx被分成Ⅰ(×1)、Ⅱ(×0.1)、Ⅲ(×0.001)三个电阻转盘，并在转盘上标示出电压，电位差计处于补偿状态时可以从三个转盘读出未知电动势(或电压)；

K1为两个按钮，分别标记为“粗”和“细”，按下“粗”按钮，有保护电阻和检流计串联，按下“细”按钮，保护电阻被短路；

K2为标准电池和未知电动势转换开头。

标准电池Es、检流计G、工作电源E和未知电动势Ex由相应的接线柱外接。（1）UJ31型电位差计的使用方法为：

1)将K2置于“断”，K0置于“×1”档(或“×10”档，视被测量值而定)，分别接上标准电池、检流计、工作电源。被测电动势(或电压)接于“未知1”或“未知2”。

2)根据温度修正公式计算出标准电池的电动势Es的值，调节Rs的示值与其相等。将K2旋至“标准”档，按下K1(粗)按钮，调节Rn1、Rn2、Rn3，使检流计指针指零，再按下K1(细)按钮，用Rn3精确调节至检流计指针指零。

3)将K2旋至“未知1”(或“未知2”)位置，按下K1(粗)按钮，调节读数转盘Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，使检流计指针指零，再按K1(细)按钮，细调读数转盘III使检流计指针精确指零。此时被测电动势(或电压)Ex等于读数转盘Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上的示值乘以相应的倍率之和。

（2）电位差计在实验中操作

测量围是：1μV至17mV(K0旋至×1档)或10μV至170mV(K0旋至×10档)。实验中使用外接工作电源，标准电池和检流计均为外接。

1)标准电池电动势设置旋钮Rs。鼠标左击增大，鼠标右击减小。

2)“X10、X1”档位开关K0。X10档时，测量电动势=表盘读数×10；X1

档时，测量电动势=表盘读数×1；鼠标点击时，对X10和X1两个档位

进行切换。

3)Rn1的“粗、中、细”旋钮。电位差计校准时，通过调节三个旋钮控制

工作电流，使检流计指针指零，此时电位差计被校准。鼠标左击增大，

鼠标右击减小。

4)标准电池、未知电动势转换开关K2。转动开关可分别测量“未知1”、“未

知2”、标准电池接线柱对应的电动势。K2置于“断”时，电位差计被

断开，不能进行测量。点击鼠标左键，逆时针转动开关，点击右键顺时

针转动。

5)粗调、细调、短路按钮。按下“粗”按钮，有保护电阻和检流计串联，

电位差计进入粗调状态。按下“细”按钮，保护电阻被短路，电位差计

进入细调状态。短路按钮按下时，电位差计连接的检流计被短路。

按钮操作方法如下：点击鼠标按下按钮，再次点击松开按钮。

6)×1、×0.1、×0.001电阻转盘。转动转盘使检流计指针精确指零。此时

被测电动势等于三个读数转盘示值乘以相应的倍率之和。转动×0.001

转盘时，避免使用转盘的空档位置。按钮操作方法如下：鼠标左击增大，鼠标右击减小。

7)外接/市电开关。开关置于上方时，使用外接方式；开关置于下方时，使

用市电方式。实验中使用“市电”方式。点击鼠标切换开关。

2.标准电池

标准电池是一种汞镉电池。常用的有H形封闭玻璃管式和单管式两种。前者只能直立放置，切忌翻荡。电池的电解液为硫酸镉溶液，按电解液浓度又分为

饱和式和不饱和式两种。饱和式电动势最稳定，但随温度变化比较大。若已知20℃时的电动势为，则温度为t℃时的电动势可由下式近似得到其中应根据所用的标准电池型号来确定。不饱和式标准电池则不必作温度修正。实验中使用饱和标准电池的E20=1.0186V。

使用标准电池要注意：

(1)远离热源，避免直射。

(2)正负极不能接错。通过或取自标准电池的电流不应大于A，决不允许将电池正负极短路或者用电压表测量其电动势。

(3)标准电池是装有化学物质溶液的玻璃容器，要防止振动和碰撞，也不要倒置。

3.检流计

检流计一种用途是平衡指零。电位差计校准和测量未知电压时，根据流过检流计的电流是否为零来判断电路是否平衡。

档位旋钮置于“关机”时，仪器电源关闭。置于“调零”位时，调节调零旋钮可对仪器进行调零。置于“1μA、3μA、10μA、30μA、100μA、300μA、1mA”时，档位值为满量程的读数值。

4.控温实验仪

调节输出的加热电流，接受传感器反馈的实际温度，实验中与样品室加热装置配套使用。

温度设置方法如下：

轻按“SET”按钮开始设置温度。此时轻按“位移”按钮，改变调节焦点位置；轻按“下调”按钮，减小焦点处数字；轻按上调按钮时，增大焦点处数字。再次轻按“SET”按钮，确认温度设置完成。温度设置围为室温~99.9℃，分辨率：0.1℃。

读数温度为实际测量信号的温度，当实际温度高于设置温度时，系统降温；当实际温度低于设置温度时，系统升温。

加热电流调节旋钮调节围为0.000A~1.000A，加热电流大时升温速度快。

风扇电流开关：置于左侧“开”时，风扇打开，加热装置散热加快，使得样品室快速降温；置于右侧“关”时，风扇关闭，加热装置散热减慢。

(1) 温度设置：

鼠标点击“SET”按钮设置温度。此时鼠标点击“位移”按钮，改变调节焦点位置；点击“下调”按钮，减小焦点处数字；点击上调按钮时，增大焦点处数字。再次点击“SET”按钮，确认温度设置完成。温度设置围为室温~99.9℃，分辨率：0.1℃。

(2)加热电流调节旋钮：鼠标左击，加热电流增大；鼠标右击，加热电流减小。调节围为0.000A~1.000A。

(3) 风扇电流开关：鼠标点击切换开关位置。置于左侧“开”时，风扇电流开关打开，加热装置散热加快；置于右侧“关”时，风扇电流开关关闭，加热装置散热减慢。