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通过电源内部，由于电源有内阻r，则在电源内部有电压降,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。

它的测量范围是：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

测量范围是：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，避免阳光直射。

(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。温度设置范围为室温~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范围为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。温度设置范围为室温~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。调节范围为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。

5.样品室以及加热装置

放置待测样品，并可以根据加热电流的大小给样品进行加热；同时底部装有风扇，当风扇打开时，可以进行散热。温差电耦的热端插入样品室中，冷端插入杯中。

样品室的加热电源插口与由控温仪恒流输出连接，通过信号输入插口与控温仪的信号输入连接，将样品室温度反馈给控温实验仪。

6.保温杯

内置冰水混合物，热电偶的其中一端插入冰水混合物中。

保温杯在实验中操作

热电偶的冷端通过保温杯插口插入冰水混合物中。

四．实验内容：

测铜—康铜热电偶的温差系数

(1).按图2.10.6接好电路.根据室温求出标准电池电动势的数值，按电位差计的使用方法(参见仪器简介)调节好电位差计。

(2).加热杯中的液体，至一定温度后停止加热，在读出水银温度计的读数的同时用电位差计测出温差电动势的大小。在液体冷却过程中，高温端温度每降低5℃，测量一次温差电动势，测8组以上数据。

(3).参照数据表格，记录测量的数据。根据测量数据，作出温差电动势Ex 和温度差的关系图线，该热电偶在此温度范围内图线应为一直线。图解法求出直线的斜率，即温差系数C。或用逐差法、最小二乘法求温差系数。

【注意事项】

1.电位差计的调节必须按规定步骤，线路中极性不可接反。

2.实验操作要谨慎，注意标准电池的接入，正接正，负接负，严防两极短路。五．数据记录及处理：

标准电池温度Tb(℃) 23.6

在该温度下，校准电池的电动势为Es(V)=1.0184

热电偶低温端温度t0(℃) 0

)=0.04067。

六．结论，误差分析，建议：

结论：铜—康铜丝电偶的温差系数C(mV/℃)=0.04067。

误差分析：

1. 热电偶插入被测介质后，由于本身具有热惰性，因此不能立即指示出被测气流的温度，只有当测量端吸、放热达到动态平衡后才达到稳定的示值。造成系统误差。

2.控温试验仪温度已达到设定温度，但电偶高温段还未被加热到指定温度，导致误差；

3.看指针是否指向中线时的视觉误差导致Ex测量不准

4.测量仪器(电位差计、检流器)的误差。

建议：

1.利用三线对齐法观察检流计是否指零。

2.对检流计机械调零

3.热电偶在插入被测物质前，设法减小两者温差。

七.思考题：

怎样用电位差计测量电阻?请画出实验线路。

（其中a、b与c、d分别接入电位差计的未知1和未知2）

测量公式：

Rx=R0×(U1/U2);(其中，R0为已知电阻，U1、U2为电位差计未知1、未知2的示数)