热电偶标定实验

热电偶标定实验

一、概述：

温差热电偶(简称热电偶)是目前温度测量中应用最广泛的温度传感元件之一，是以热电效应为基础的测温仪表。它用热电偶作为传感器，把被测的温度信号转换成电势信号，经连接导线再配以测量毫伏级电压信号的显示仪表来实现温度的测量。

热电偶测温的优点是结构简单、制作方便、价格低廉、测温范围宽、热惯性小、准确度较高、输出的温差电信号便于远距离传送、实现集中控制和自动测试。流体、固体及其表面温度均可用它来测量，所以在工业生产和科学研究、空调与燃气工程中应用广泛。

二、实验目的

１．学习使用毫伏表测定温差电动势及热电偶工作原理。

２．掌握热电偶定标曲线的绘制规则。

３．学习用热电偶设计温度计

4.学习用直线拟合方法处理实验数据。

三、实验原理

1、温差电现象。导体中存在着与热现象有关的非静电力和电动势，称为温差电动势，依其产生的机理不同而有两种具体形式。

一种称为汤姆孙电动势。金属导线两端如果温度不同，高温端的自由电子好像气体分子一样向低温端扩散，并在低温端堆积起来，从而在导线内形成电场。由电子热扩散不平衡建立的电场反过来又阻碍不平衡热扩散的进行，最终达到动态平衡，使导线两端形成一稳定的电势差。若把两种金属导线两端连接起来，并把接点置于不同温度中，使两种不同材料的金属连接成闭合回路，因两个汤姆孙电势不相等，两段导线中即形成恒定电流。回路中相应的电动势称为汤姆孙电动势。温差越大，汤姆孙电动势也越大。

另一种称为珀耳帖（J.C.A.Peltier，1785——1845）电动势。两种不同金属连接起来，由于接触面两侧金属内自由电子浓度不同，电子将从浓度大的一侧向浓度小的一侧扩散，在接触面间形成电场，从而在两种金属间形成电位差。显然，两种金属连成回路，并把接点置于相同温度中，两接触面间将建立相等而相反的电动势，因而也形不成恒定电流。只有两接点温度不同，两个珀耳帖电动势不等，才会形成电动势。而且温差越大，形成的电动势也越大。

总之，两种电动势尽管产生的机理不同，但最后在闭合回路中形成的电动势，除与材料有关外，惟一地决定于两个接点的温度差，所以统称为温差电动势。上述两种金属A、B 两端彼此焊接并将接点置于不同温度下的回路（见图1），称为温差电偶。使用时常把一个接点置于某一恒定温度，称为参考点；另一接点作为测温点。

温差电偶中形成的温差电动势与温差的关系通常用幂函数表示，在常温范围内，要求

准确度不太高时，可以取一级近似，写为：

图1 温差电偶

式中：常数取决于参考点的温度；称为温差电系数，它表示测温端每变化1℃时温差电动势的变化量。

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。

热电偶的冷端补偿

由热电偶测温原理已经知道，只有当热电偶的冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在实际应用时，往往由于热电偶的热端与冷端离得很近，冷端又暴露于空间，容易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。为此常采用下述冷端温度补偿或处理方法。

(1)冰浴法：在实验室条件下常将热电偶冷端置于冰点恒温槽中，使冷端温度恒定在0℃时进行测温，这种方法称为冰浴法。测量时将热电偶的冷端分别插入冰点恒温槽，如图7所示。温度显示或测量仪表可以看作铜导线，而且铜导线与热电偶的热电极相接的两接点温度均在0℃。根据中间导体定律，可以认为图7（b）与（c）的线路等效。

图7 冰裕法接线图

四、实验内容及操作

1、热电偶标定实验（测量标定热电偶曲线）

将热电偶插入加热井中，另一端放入冰水混合物中。把热电偶输出接入毫伏表输入，，热电偶的标定实验线路图如图9所示。（注：，毫伏表选择20mv档）

分别设置温度为（30，35……110℃）时，测出标定热电偶的热电势并将数据填入表1中，然后查标准热电偶电势表将数据填入表1。根据所测数据及所查数据分别绘出标定热电

偶及标准热电偶曲线如图10所示。

表1 热电偶温度计标定表

序号温度(℃) 标定热电偶热电势（mV）标准热电偶热电势（mV）

1 30

2 35

3 40

4 45

5 50

6 55

7 60

8 65

9 70

10 75

11 80

12 85

13 90

14 95

15 100

16 105

17 110

图10 E-t曲线

2、热电偶温度计设计实验（测量热电偶曲线）

将热电偶插入加热井中，另一端放在环境温度中。把PID控温设置到100度。

用毫伏表测量热电偶两端的电动势。再用毫伏表测量热电偶补偿电动势（调RW1为4.10 mV）再将毫伏表测量放大后的输出(此时将毫伏表选择200 mV挡)调节后RW2放大倍数为100

在将PID温度降40度以下（可以开启风扇快速降温）

分别设置温度为（40……110℃）时，测出热电偶温度计的热电势并将数据填入表2中，根据所测数据绘出热电偶曲线。

表2 热电偶温度计设计实验表

序号标定温度(℃)

热电偶温度计热电势（mV）

1 30

2 40

3 50

4 60

5 70

6 80

7 90

8 100

9 110