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
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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 EMBED Equation.3 与温度差 EMBED Equation.3 成正比，即
EMBED Equation.3 (1)
式中t为热端的温度，t EMBED Equation.3 为冷端的温度，c称为温差系数（或称温差电偶常量）单位为
EMBED Equation.3 ℃ EMBED Equation.3 ，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 EMBED Equation.3 /n EMBED Equation.3 ） (2)
式中k为玻耳兹曼常量，e为电子电量，n EMBED Equation.3 和n EMBED Equation.3 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 EMBED Equation.3 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 EMBED Equation.3 =0℃），将热端插入待测物中，测出此时的温差电动势，再由 EMBED Equation.3 -T图线，查出待测温度。

SHAPE \* MERGEFORMAT 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 EMBED Equation.3 -T定标曲线。
3、利用热电偶测温验证 EMBED Equation.3 -T定标曲线
使恒温腔的温度达到某一值（如75 EMBED Equation.3 ），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 EMBED Equation.3 -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。

EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 作出热电偶的 EMBED Equation.3 -T定标曲线

验证 EMBED Equation.3 -T定标曲线
恒温腔的实际温度/ EMBED Equation.3 测出的温差电动势/mv 由曲线查出的对应温度/ EMBED Equation.3 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？
0

5

t/℃ EMBED Equation.3

10

t/ EMBED Equation.3 EMBED Equation.3

ε/mV

ε/mV

图2

A金属：铜

B金属：康铜

0

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

受热管

黑

红

隔热板

内有加热引线和温度传感器引线

接“上盘”

恒温腔

冷端

黑

红

热端

黑

红

数字万用表

插入加热盘
的恒温腔中

浸入冰水共存
的保温杯中

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