热电偶定标教案

大学物理实验课程教案

热电偶定标实验

热电偶在现实生活中的应用及其优势：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（-200～2000℃）、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。

1闭合电路

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（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，

2热电偶测温

但是在较小温差范围内可以近似认为温差电动势T E 与温度差0()T T -成正比，即

0()T E T T α=- (1)

式中T 为热端的温度，0T 为冷端的温度，α称为温差系数（或称温差电偶常量），单位为

μV ⨯℃1-，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

00(/)ln(/)A B k e n n α= (2)

式中k 为玻耳兹曼常量，e 为电子电量，0A n 和0B n 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； （b ）A 、B 的一端焊接，另一端和测量仪器连接。

3温差电偶与测量仪器有两种连接方式

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℃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—康铜”热电偶温度计的定标。在测定E～T关系时，采用摄氏温度规定的两个固定点，即溶冰点（0℃）和沸水点(100℃)，再在0～100℃之间取若干温度点，给出0～100℃之间的E～T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。

实验仪器

“铜—康铜”热电偶，保温杯，WHT-3导热系数测试仪（可直接用数字电压表或UJ—36直流电位差计）。

1．图4是实验装置示意图

4实验装置示意图

“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0℃。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—康铜”热电偶温度为100℃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UJ—36型携带式直流电位差计。

实验内容与步骤

1．热电偶的冷端固定于0℃，WHT-3型导热系数测试仪采用电子补偿，使冷端始终保持在0℃。

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0℃，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）50.0℃左右，将热电偶的热端放在A盘小孔里，然后PID控温设定在50.0℃，将控制方式置“自动”，加热器将会把铜盘自动加热到50.0℃。