溫差電偶的定標(biāo)和測(cè)量

4.8溫差電偶的定標(biāo)和測(cè)量熱電偶的重要應(yīng)用是測(cè)量溫度。它是把非電學(xué)量（溫度）轉(zhuǎn)化成電學(xué)量（電動(dòng)勢(shì)）來測(cè)量的一個(gè)實(shí)際例子。熱電偶在冶金、化工生產(chǎn)中用于高、低溫的測(cè)量，在科學(xué)研究、自動(dòng)控制過程中作為溫度傳感器，具有非常廣泛的應(yīng)用。用熱電偶測(cè)溫度具有許多優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)溫范圍寬、測(cè)量靈敏度和準(zhǔn)確度較高、結(jié)構(gòu)簡單不易損壞度等。此外由于熱電偶的熱容量小，受熱點(diǎn)也可做得很小，因而對(duì)溫度變化響應(yīng)快，對(duì)測(cè)量對(duì)象的狀態(tài)影響小，可以用于溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.觀察并了解溫差電現(xiàn)象；2.掌握電位差計(jì)的工作原理，學(xué)會(huì)使用箱式電位差計(jì)；3.通過測(cè)量熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)，作出熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)與溫度差之間的關(guān)系曲線，能夠運(yùn)用圖解法求出熱電偶溫差系數(shù)；4.掌握標(biāo)定熱電偶的方法；5.了解校準(zhǔn)熱電偶溫度計(jì)的基本方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】UJ36型箱式電位差計(jì)、熱電偶、光點(diǎn)式或數(shù)字式檢流計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電池、直流穩(wěn)壓電源、溫度計(jì)、電熱杯、保溫杯?！绢A(yù)習(xí)要求】1.電位差計(jì)是利用什么原理進(jìn)行測(cè)量的?2.使用電位差計(jì)測(cè)量位置電壓前要進(jìn)行那些操作?【實(shí)驗(yàn)儀器介紹】1.標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)準(zhǔn)電池是一種作電動(dòng)勢(shì)標(biāo)準(zhǔn)的原電池，分為飽和式（電解液始終是飽和的）和不飽和式兩類。不飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)Et隨溫度變化很小，一般不必作溫度修正，但在恒溫下Et仍有變化，不及飽和式的穩(wěn)定，而且當(dāng)電流通過不飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池后，電解液增濃，長期使用后會(huì)失效。飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)較穩(wěn)定，但隨溫度變化比較顯著。本實(shí)驗(yàn)所用的為飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池，該電池在20℃時(shí)的電動(dòng)勢(shì)為E20=1.01860V，在偏離20℃時(shí)的電動(dòng)勢(shì)可以下式估算：Es（t）=E20-[39.94(t-20)+0.929(t-20)2×10-5-0.0090(t-20)3]×10電池的溫度可由其上所附的溫度計(jì)讀出。使用標(biāo)準(zhǔn)電池時(shí)需注意正負(fù)極不能接錯(cuò)，不能短路，不準(zhǔn)用萬用表測(cè)其端電壓，不可搖晃、振蕩、倒置，不準(zhǔn)超過容許電流。2.直流復(fù)射式光點(diǎn)檢流計(jì)（AC15型）直流復(fù)射式光點(diǎn)檢流計(jì)是一種測(cè)量微弱電流（10－8~10－11A）的磁電式檢流計(jì)，它無指針，靠光標(biāo)讀數(shù)，無固定的零點(diǎn)，一般常用來檢測(cè)有無電流或作為零位測(cè)量法的“指零”儀表。直流復(fù)射式光點(diǎn)檢流計(jì)的使用方法如下：（1）待檢測(cè)電流由左下角標(biāo)示的“＋”、“－”兩個(gè)接線端接入，一般可不考慮正負(fù)。（2）電流的大小由投射到刻度尺上的光標(biāo)來指示。產(chǎn)生光標(biāo)的電源插口在儀器背面。由于光標(biāo)電源有AC220V和AC6.3V、DC6.3V兩種，所以要注意光標(biāo)電源的選擇開關(guān)應(yīng)和實(shí)際相符。（3）測(cè)量時(shí)，應(yīng)先接通光標(biāo)電源，見到光標(biāo)后，將分流器開關(guān)由“短路”轉(zhuǎn)到“×0.01”檔，觀察光標(biāo)是否指“0”，如果光標(biāo)不在“0”點(diǎn)，應(yīng)使用零點(diǎn)調(diào)節(jié)器和標(biāo)盤微調(diào)器，把光標(biāo)調(diào)在“0”點(diǎn)。如果找不到光標(biāo)，可以將檢流計(jì)的分流器開關(guān)置于“直接”處，檢查儀器內(nèi)的小燈泡是否發(fā)光。（4）儀器的偏轉(zhuǎn)線圈并聯(lián)不同的分流電阻，可以得到不同的靈敏度。使用時(shí)，應(yīng)從檢流計(jì)的最低靈敏度×0.01檔開始測(cè)量，如果偏轉(zhuǎn)不大，再逐步提高靈敏度．本實(shí)驗(yàn)中要求靈敏度達(dá)到“×1”或“×0.1”。（5）測(cè)量中當(dāng)光標(biāo)搖動(dòng)不停時(shí)，要轉(zhuǎn)向短路檔，使線圈作阻尼振動(dòng)，較快靜止下來。檢流計(jì)懸絲所能承受的最大拉力只有零點(diǎn)幾克，所以使用時(shí)注意不能振動(dòng)、傾斜。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，必須將分流器置于短路檔，以防止線圈和懸絲受到機(jī)械振動(dòng)而損壞。3.數(shù)字式靈敏檢流計(jì)JRLQJI-2A型數(shù)字式檢流計(jì)靈敏度較高，達(dá)0.2nA/uV。接通電源后，同樣先用面板右下方的調(diào)零旋鈕調(diào)零。使用時(shí)，若有電流通過，便會(huì)在顯示器上顯示出所通過電流的極性“＋”或“－”及電流的大小，電流大小由顯示器上的示數(shù)和面板右上方“×1”、“×10”兩指示燈共同決定。如“×100”燈亮，則電流大小為示數(shù)值×100，表示此時(shí)通過的電流較大，偏離平衡位置較遠(yuǎn)?！緦?shí)驗(yàn)原理】1.溫差電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生原因及規(guī)律兩種不同金屬（如銅和康銅）組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接觸點(diǎn)處于不同溫度時(shí)，在湯姆孫效應(yīng)和珀耳帖效應(yīng)的共同作用下,接觸點(diǎn)間將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為塞貝克電動(dòng)勢(shì)，也稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。這種由兩種不同金屬焊接并將接觸點(diǎn)放在不同溫度下的回路稱為溫差電偶(熱電偶)。溫差電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)大小由熱端和冷端的溫差決定，其極性熱端為正極，冷端為負(fù)極，其關(guān)系為：（4-8-1）式中Et為溫差電動(dòng)勢(shì)，t1為熱端溫度，t0為冷端溫度，α和β是由構(gòu)成熱電偶的金屬材料決定的常數(shù)。當(dāng)冷熱端溫差不大時(shí)，α>>β，上式可簡化為：（4-8-2）故溫差電動(dòng)勢(shì)Et與冷熱端溫差t1-t0成線性關(guān)系。將熱電偶，電勢(shì)差計(jì)等其他相關(guān)儀器組合在一起便構(gòu)成了熱電偶溫度計(jì)。當(dāng)已知冷端溫度，并測(cè)出其溫差電動(dòng)勢(shì)后，便可求出熱端溫度：（4-8-3）2.UJ36型箱式電勢(shì)差計(jì)的原理及使用箱式電勢(shì)差計(jì)與線式電勢(shì)差計(jì)都是利用補(bǔ)償法原理，但箱式電勢(shì)差計(jì)不僅測(cè)量方便而且提高了測(cè)量精度，適用于科研和生產(chǎn)。圖圖4-8-1簡化原理圖RnEIRSRXGESEXK2K1+_UJ36型箱式電勢(shì)差計(jì)屬于“定流變阻式”電勢(shì)差計(jì)，其簡化原理圖如圖4-8-1。圖中E為工作電源；Rn為工作回路的限流電阻；Es為標(biāo)準(zhǔn)電池；Ex為待測(cè)電動(dòng)勢(shì)；Rs稱為工作電流調(diào)定電阻，提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓與標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)相互補(bǔ)償，以確定工作電流；Rx稱為測(cè)量電阻，提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓與未知電動(dòng)勢(shì)相互補(bǔ)償，從而測(cè)出待測(cè)電動(dòng)勢(shì)。其具體過程如下：eq\o\ac(○,1)電勢(shì)差計(jì)的校準(zhǔn)：取，I0表示額定工作電流。根據(jù)補(bǔ)償原理，當(dāng)Rs上的實(shí)際電流為額定工作電流I0時(shí)，Rs上的實(shí)際電壓應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)電池Es相等，導(dǎo)致流過檢流計(jì)的電流為零。因此我們通過判斷流過檢流計(jì)的電流是否為零來判斷限流電阻Rn是否應(yīng)該調(diào)動(dòng)。eq\o\ac(○,2)溫差電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量：將待測(cè)電動(dòng)勢(shì)接到未知1或未知2，調(diào)節(jié)Rx使檢流計(jì)光斑對(duì)準(zhǔn)零刻度線，流過檢流計(jì)的電流為零。此時(shí)Rx上的電壓Ux=Rx×I0與待測(cè)電壓Ex相等，讀出Rx上的電壓即可。UJ36型箱式電勢(shì)差計(jì)是一種低電勢(shì)，雙量程的電勢(shì)差計(jì)，當(dāng)量程開關(guān)K0指向“×10”檔時(shí)最大量程為171mv,當(dāng)量程開關(guān)指向“×1”檔時(shí)最大量程為17.1mv。（1）熱電偶兩種不同金屬組成一閉合回路時(shí)，若兩個(gè)接點(diǎn)A、B處于不同溫度t0和t，則在兩接點(diǎn)A、B間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為溫差現(xiàn)象。這樣由兩種不同金屬構(gòu)成的組合，稱為溫差電偶，或熱電偶。熱電偶是一種常用的熱電傳感器，利用它可以測(cè)量微小的溫度變化。溫差電動(dòng)勢(shì)ε的大小除和熱電偶材料的性質(zhì)有關(guān)外，另一決定的因素就是兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度差(t－t0)。電動(dòng)勢(shì)與溫差的關(guān)系比較復(fù)雜，當(dāng)溫差不大時(shí)，取其一級(jí)近似可表示為：（4-8-4）式中C為熱電偶常數(shù)（或稱溫差系數(shù)），等于溫差1℃時(shí)的電動(dòng)勢(shì)，其大小決定于組成熱電偶的材料。例如，常用的銅-康銅電偶的C值為4.26×10-2mV/K，而鉑銠-鉑電偶的C值為6.43×10-3mV/K。熱電偶可制成溫度計(jì)。為此，先將t0固定（例如放在冰水混合物中），用實(shí)驗(yàn)方法確定熱電偶的ε-t關(guān)系，稱為定標(biāo)。定標(biāo)后的熱電偶與電位差計(jì)配合可用于測(cè)量溫度。與水銀溫度計(jì)相比，溫差電偶溫度計(jì)具有測(cè)量溫度范圍大（－200℃~2000℃），靈敏度和準(zhǔn)確度高，便于實(shí)驗(yàn)遙測(cè)和A／D變換等一系列優(yōu)點(diǎn)。GEN圖4-GEN圖4-8-2補(bǔ)償法原理圖由于數(shù)字式電壓表的精度和準(zhǔn)確度都很好，溫差電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量也可以采用數(shù)字電壓表。測(cè)量前，需要把數(shù)字電壓表的兩個(gè)接線端連接起來，對(duì)數(shù)字電壓表進(jìn)行調(diào)零。把數(shù)字電壓表的兩個(gè)接線端接在溫差電偶的兩個(gè)信號(hào)輸出端，選擇合適的電壓量程，就可以開始測(cè)量。（3）電位差計(jì)圖4-8-3電位差計(jì)原理圖CBDRABVCDERpAI0GEx電位差計(jì)是準(zhǔn)確測(cè)量電勢(shì)差的儀器，其精度很高。用伏特表測(cè)量電動(dòng)勢(shì)Ex時(shí)，伏特表讀數(shù)為U＝圖4-8-3電位差計(jì)原理圖CBDRABVCDERpAI0GEx如圖4-8-2，如果兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)相等，則電路中沒有電流通過，I＝0，EN＝EX。如果EN是標(biāo)準(zhǔn)電池，則利用這種互相抵消的方法（補(bǔ)償法）就能準(zhǔn)確地測(cè)量被測(cè)的電動(dòng)勢(shì)EX，這種方法稱為補(bǔ)償法，電位差計(jì)就是基于這種補(bǔ)償原理而設(shè)計(jì)的。在實(shí)際的電位差計(jì)中，EN必須大小可調(diào)，且電壓很穩(wěn)定。電位差計(jì)的工作原理如圖4-8-3所示，其中，外接電源E、制流電阻Rp和精密電阻RAB串聯(lián)成一閉合回路，稱為輔助回路。當(dāng)有一恒定的標(biāo)準(zhǔn)電流I0流過電阻RAB時(shí)，改變RAB上兩滑動(dòng)頭C、D的位置就能改變C、D間的電位差VCD的大小。由于測(cè)量時(shí)應(yīng)保證I0恒定不變，所以在實(shí)際的電位差計(jì)中都根據(jù)I0的大小把電阻的數(shù)值轉(zhuǎn)換成電壓值，并標(biāo)在儀器上。VCD相當(dāng)于上面的“EN”，測(cè)量時(shí)把滑動(dòng)頭C、D兩端的電壓VCD引出與未知電動(dòng)勢(shì)Ex進(jìn)行比較。eq\o\ac(○,1)校準(zhǔn)為了使RAB中流過的電流是標(biāo)準(zhǔn)電流I0，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)EN的大小，選定C、D間的電阻為RN，使EN＝I0·RN，調(diào)節(jié)RP改變輔助回路中的電流，當(dāng)檢流計(jì)指零時(shí)，RAB上的電壓恰與補(bǔ)償回路中標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)EN相等。由于EN和RN都準(zhǔn)確地已知，這時(shí)輔助回路中的電流就被精確地校準(zhǔn)到所需要的I0值。eq\o\ac(○,2)測(cè)量把開關(guān)倒向Ex一邊，只要Ex≤I0RN，總可以滑動(dòng)C、D到C’、D’使檢流計(jì)再度指零。這時(shí)，C’、D’間的電壓恰和待測(cè)的電動(dòng)勢(shì)Ex相等。設(shè)C’、D’之間的電阻為Rx，可得Ex＝I0·Rx。因I0已被校準(zhǔn)，Ex也就知道了。由于電位差計(jì)的實(shí)質(zhì)是通過電阻的比較把待測(cè)電壓與標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)作比較,此時(shí)有因而只要精密電阻RAB做得很均勻準(zhǔn)確、標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)EN準(zhǔn)確穩(wěn)定、檢流計(jì)足夠靈敏、電源很穩(wěn)定，其測(cè)量準(zhǔn)確度就很高，且測(cè)量范圍可做得很廣。但是，在電位差計(jì)的測(cè)量過程中，工作條件常易發(fā)生變化（如輔助回路電源E不穩(wěn)定，制流電阻RP不穩(wěn)定等。），為保證工作電流標(biāo)準(zhǔn)化，每次測(cè)量都必須經(jīng)過校準(zhǔn)和測(cè)量兩個(gè)基本步驟，且每次要達(dá)到補(bǔ)償都要進(jìn)行細(xì)致的調(diào)節(jié)，所以操作較為麻煩、費(fèi)時(shí)?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】（1）對(duì)照講義，弄清楚UJ36型電位差計(jì)上每一開關(guān)和旋轉(zhuǎn)鈕的作用。（2）將冰杯裝滿冰及冰水，將熱電偶的一端插入冰水中。另一端插入水浴鍋內(nèi)的水中，再把熱、電偶的二個(gè)接頭接在UJ36型電位差計(jì)的“+”、“-”接線柱上（注意：熱端接正極，冷端接負(fù)極，極性不要搞錯(cuò)）。（3）轉(zhuǎn)動(dòng)倍率開關(guān)，使它旋在“×0.2”的位置上，此時(shí)就接通了電位差計(jì)的工作電源，儀器預(yù)熱3min后，調(diào)節(jié)檢流計(jì)電氣調(diào)零旋鈕使檢流計(jì)指零。（4）將電鍵開關(guān)扳向“標(biāo)準(zhǔn)”一邊，調(diào)節(jié)面板右上方的工作電流調(diào)節(jié)電阻（即圖4-6-3中的Rp），使檢流計(jì)指針為零，此時(shí)電位差計(jì)的工作電流已校正好，就可以來測(cè)量待測(cè)電動(dòng)勢(shì)。（5）將電鍵開關(guān)扳向“未知”，并讀下此時(shí)水溫t，調(diào)節(jié)步進(jìn)讀數(shù)盤（此時(shí)應(yīng)放置在“0”）和滑線盤使檢流計(jì)指零，則（步進(jìn)盤讀數(shù)+滑線盤讀數(shù)）×0.2即為此溫度下的電動(dòng)勢(shì)（單位為mV）。（6）打開水浴鍋的開關(guān)，旋動(dòng)加熱按鈕，使兩個(gè)指示燈全亮，此時(shí)鍋內(nèi)水開始加熱。以后每隔5攝氏度讀下電偶熱端的溫度和相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，并記入表格內(nèi)（表格自列），至少取10個(gè)數(shù)據(jù)。在測(cè)試過程中，需要經(jīng)過觀察工作電流，如發(fā)現(xiàn)雙刀雙向開關(guān)K扳到“標(biāo)準(zhǔn)”一邊時(shí)，原已校好的檢流計(jì)有偏轉(zhuǎn)，應(yīng)及時(shí)加以校正。由于溫度的讀取和溫差電動(dòng)勢(shì)的讀取同時(shí)進(jìn)行，故小組中二人分工進(jìn)行。【數(shù)據(jù)記錄及處理】（1）以電動(dòng)勢(shì)為縱軸，溫差作為橫軸，繪出溫差電動(dòng)勢(shì)~溫度差的關(guān)系圖線，應(yīng)是一條直線。求出直線的斜率就是溫差電動(dòng)勢(shì)率α。（2）在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上寫出最后結(jié)果?！咀⒁馐马?xiàng)】1．所有的接線必須接好不能出現(xiàn)虛接，標(biāo)準(zhǔn)電池和電勢(shì)差計(jì)的工作電源以及溫差電動(dòng)勢(shì)的正負(fù)極不能接反。2．量程開關(guān)K0在“×1”“×0.2”兩檔中間有一空白檔，此時(shí)電勢(shì)差計(jì)處于斷開狀態(tài)。3．箱式電勢(shì)差計(jì)必須先粗校（測(cè)），再細(xì)校（測(cè)），保護(hù)檢流計(jì)。4．電勢(shì)差計(jì)的工作電源電動(dòng)勢(shì)必須在要求范圍內(nèi)，如果電壓表指示不準(zhǔn)可將限流電阻Rp調(diào)到中值后調(diào)節(jié)電壓使光斑出現(xiàn)在零刻度線附近。5．電勢(shì)