《热电偶定标实验》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热电偶定标实验（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实验 48 热电偶定标实验在现代工业自动控制系统中，温度控制是经常遇到的工作，对温度的自动控制有许多种 方法。在实际应用中，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。用热电偶测温具有许多优点，如测温范围宽（200 2000C）、测量灵敏度和准确度较高、结构简单不易损坏等。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。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。在大学物理实验中，热电偶温度计的定标
2、是一个传统实验，该实验要求学生找出热电偶的温差电动势与冷热端温差之间的关系，并给 出温差电动势与冷热端温差之间的关系曲线，求出经验方程，从而完成其定标工作，使同学 们了解热电偶测温度的基本原理。【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。【实验原理】1. 温差电效应温度是表征热力学系统冷热程度的物理量，温度的数值表示法叫温标。常用的温标有摄 氏温标、华氏温标和热力学温标等。温度会使物质的某些物理性质发生改变。一般来讲，任一物质的任一物理性质只要它随 温度的改变而发生单调的、显著的变化，都可用它来标志温度，也即制作温度计。常用的温
3、 度计有水银温度计、酒精温度计和热电偶温度计等。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 给定温差电偶得温差电动势与温度的关系。X liA*；T1B1丿图 4-8-1 闭合电路如果用 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4-8-1 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。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
4、温（图 4-8-2）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（T - T ）成正比，即T0(4-8-1)E =u (T -T )T0式中T为热端的温度，T为冷端的温度，a称为温差系数（或称温差电偶常量），单位为0卩Vx C -1，它表示二接点的温度相差1C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(4-8-2)a = (k / e)ln( n / n )0 A0B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。0 A 0B如图4-8-3所示，温差电偶与测
5、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；（b） A、B的一端焊接，另一端和测量仪器连接。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。图 4-8-3 温差电偶与测量仪器有两种连接方式温差电偶的测温范围可以从4.2K （-268.95C）的深低温直至2800C的高温。必须注意，不同的温差电
6、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成的热偶去测同一温度，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和 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，从而 得到C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定标。为了能测量热电动势E中直接得出待测温度
7、T 值，必须对所用热电偶测定其热电动势E与温度T的关系，这就是热电偶温度的定标。本实 验是做“铜一康铜”热电偶温度计的定标。在测定ET关系时，采用摄氏温度规定的两个固 定点，即溶冰点（0C）和沸水点（100C）,再在0100C之间取若干温度点，给出0100C 之间的ET曲线。热电偶具有结构简单、小巧、热容量小、测温范围宽等优点，因此被广泛应用于生产和 科学研究的测温和温度的自动控制中。实用温标定义的固定点见表4-8-1，常用热电偶特性见表4-8-2。表4-8-1国际实用温标（TPTS-68）定义的固定点平衡状态国际实用温标指定值T8 (K)T （上）6868平衡氢二相点13.81-259.34
8、氧三相点54.361-218.789氧冷凝点90.188-188.962水三相点273.160.01水沸点373.15100锡凝固点505.1181213.9681锌凝固点692.73419.58银凝固点1235.08961.93金凝固点1337.581064.43表 4-8-2 常用热电偶特性热电偶常用温度范围（0C）温差电动势近似值（mv/1000C）铜-康铜-200+3004.3铁-康铜-200+8005.3铬-铝-200+11004.1铂-10%铑-180+16000.95铂,40%铑-铂,20%铑+200+18000.4【实验仪器】“铜一康铜”热电偶，保温杯，WHT-3导热系数测试仪
9、（可直接用数字电压表或UJ36直 流电位差计）。“铜康铜”热电偶的一个接点（冷端）放在盛有冰水混合物的杜瓦瓶中，使该接点维持 在恒定的0C。另一接点（热端）放在A盘小孔中。升温由它的加热器来实现，当手动加热 时，将控制方式置“手动”；当自动加热时，将控制方式置自动”，由PID设定温度自动控制 温度。2 PID 控温PID 智能温度控制器是一种高性能、高可靠性的智能型调节仪表，广泛应用于机械、化 工、陶瓷、轻工、冶金、石化、热处理等行业的温度、流量、压力、液位等的自动控制系统。3. “铜一康铜”热电偶温度为100C时，其温差电动势约为4.0mV,若精度要求不高， 可直接用20mV数字电压表代替U
10、J36型携带式直流电位差计。4. UJ36型携带式直流电位差计电位差计的工作原理是用滑线电阻上产生的已知压降来补偿热电偶产生的电动势，测量 精度较高，仪器使用方法如下：1）被测电压（或电动势）接到“未知”接线柱上。2）倍率开关旋到“M.2”的位置上，这时仪器内部电源已接通，稍待片刻即可调节“调零 旋钮，使检流计指针指零。3）将开关“K”扳向标准，调节多圈变阻器（R ），使检流计指零。P4） 将开关“K”扳向“未知”，调节滑线读数盘（010mV）和步进读数盘，使检流计指 零。未知电动势按下式计算：E=（步进盘读数+滑线盘读数）x0.2（4-8-3）5）每次测量前要核对工作电流，即重复 2）和 3
11、）中的指零调节。为保护检流计，扳 动开关“K”时，只要看出指针偏转方向，就立刻使“K”返回中间位置。进行指零调节时，不可 将“ K”扳住不放。【实验内容与步骤】1. 热电偶的冷端固定于0C，WHT-3型导热系数测试仪采用电子补偿，使冷端始终保 持在 0C。2. 测定热电偶当热端处于以下温度值时的热电势1）水的冰点，即0C,将热电偶的热端放在冰水瓶里。2）常温下水的温度，将热电偶的热端放在盛水烧杯里。3）50.0C左右，将热电偶的热端放在A盘小孔里，然后PID控温设定在50.0C,将 控制方式置“自动”，加热器将会把铜盘自动加热到50.0C。4）PID 控温分别设定在 55.0C、60.0C、6
12、5.0C、70.0C、75.0C、80.0C、85.0C， （由于PID显示温度已经过校准可代替标准水银温度计）测出相应的热电势。3. 如果精度要求不高，也可以用电位差计测热电势，WHT-3导热系数测试仪设有外接 电位差计插孔，位于“特性测量与分析”的位置。将外接线的一端插入外接电位差计插孔中， 另一端的两个接线叉对应接到 UJ36 电位差计的“未知”正、负接线柱上。当使用外接电位 差计进行测量时，热电偶的冷端应放在冰水瓶中，此时，应检查冰水瓶内的水面是否有冰块。 按电位差计使用方法测量热电势E。当T=T0时，E应为零。若仪器指示不为零或超过最小分度一格，应对该仪器进行校准；小于一格时，可记下
13、这个读数，作为零点订正值。【实验数据处理及分析】1记录热电偶定标数据序号12345678910T(C)E(mV)序号11121314151617181920T(C)E(mV)2作出热电偶的标定曲线3.求出“铜一康铜”热电偶的温差电系数a在本实验温度范围内，ET关系近似为线性，所以，在定标曲线上可以给出线性化后的平均直线，从而求得a。在直线上取两点a(E ,T )和b(E ,T )(不要取原来测量的数据点,a ab b并且两点间尽可能相距远一些)，求斜率b aba(4-8-4)即为所求的a。【思考与创新】1. 保温杯内的冰水混合物的温度是否处处为oc?2. 热电偶温度计有什么特点？3. 对该实验提出改进意见，或设计一套新的实验方案。【参考文献】1 程守珠，江之永.普通物理学第二册M.北京：高等教育出版社，1982. 108-1102 袁玉辉，曹家刚，董庶民.大学物理实验M.成都：西南交通大学出版社，1992.148-151
