热电偶的制作与

标定试验

指导老师：徐之平

学    生：代国岭

   学    号：102270028

    专    业：工程热物理

热电偶的制作与标定试验

一、 实验目的

1．  了解热电偶温度计的测温原理

2．  学会热电偶温度计的制作与矫正方法

3．  掌握电位差计的原理和使用方法

二、 实验仪器

P21588型数字毫伏表、SY821型转换开关、RTS-00B制冷恒温槽、HTS-300B标准油槽、实验热电偶 

三 、实验原理

热电偶工作原理如图：

              热端（测量点）  冷端（参考点）

热电偶测温原理示意图

  

两种不同成份的导体A、B（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当A、B两个接合点的温度T、T0不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）； 冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：

（1）热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；

（2）热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；

（3）当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。

四、实验记录及处理

1．热电偶的制作

按实验要求，截取两根适当长度的电偶丝，消除两端的氧化膜，套上绝缘套管，用钢丝钳将两根偶丝的端部胶合在一起。微微加热，立即蘸取少许硼砂，再在热源上加热，使硼砂均匀地覆盖住胶合头，防止偶丝高温焊接时氧化。

交流弧焊法：将隔离变压器输出电压调至30V左右，以碳棒为一极，胶合头为一极，用绝缘良好的夹子夹住，使两极相碰，电弧产生的瞬间高温使胶合头熔焊在一起，形成光滑的焊珠。

刚焊接的热电偶存在内应力，金相结构不符合要求，使用过程中会导致温差电势不稳定，结果重显性差。精密测量用的热电偶必须进行严格的热处理，消除内应力。

2．热电偶的校正

将热电偶的两端分别插入盛有少许硅油的玻管中，然后将一支玻管（冷端）插入盛有冰水的保温瓶中，另一支玻管（热端）插入恒温水浴中。调节恒温水浴的温度，在室温至80⁰C之间均匀地取六个不同温度的点，用电位差计分别测出各温度点的电动势。

实验数据记录

拟合曲线如下

经查P21588型数字毫伏表的不确定度u1 =0.1%u+0.02mV，SY821型转换开关的不确定度u₂=0.58， HTS-300B标准的不确定度油槽为u₃=0.20%

所以此次试验设备的总不确定度为：

    U=0.0021

  五、实验总结

在做实验的过程中我觉得以下地方还存在需改进或特别需要注意的的地方：

1、  标准油槽中热电偶的热端分放在不同的位置，可能会由于传热的不均匀，五根热电偶的的温度不同，

意见：把五根热电偶连同温度计一起放在一个位置误差可能会小些

2、  组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固

3、  两个热电极彼此之间应很好的绝缘，以防短路。

4、  补偿导线与热电偶的自由端的连接要方便可靠。

5、  保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

6、  每次测量时，一定要等温度稳定后再读数

7、  做完实验后，将电位差计面板上“倍率”开关旋到“断”。

 

第二篇：如何标定热电偶

实验一  热电偶和测温系统的标定

一、  实验目的

1、  学习热电偶的焊接方法；

2、  了解热电偶冷端补偿的重要性；

3、  熟悉热电偶的特性和标定方法；

4、  了解测温系统的组成和温度校准过程。

二、基本原理

  图1－1为温度测试的实验装置，各部分的作用为：

图1-1 测温系统方框图

热源功率为300w，能产生高达500℃的温度；

热电偶：FU－2作标准热电偶；

EA－2作被校准电偶；

冰点槽：用作热电偶的冷端处理；

数字电压仪：为热电势标准测量仪；

动圈式仪表：指示热源的温度；

            定温调节

定温调节过程：

图1－2为动圈仪表的面板。当旋动“定温控制”旋钮时，红色定温指针将指示预定的温度，黑色指示指针随热源温度的上升向右移动，逐渐靠近红色指针，此时绿灯亮，表明加热电源接通。当红色指示灯亮时，表明电源切断。由于热惯性，黑色指示将继续上升，并超过红色指针指示的温度，以后温度慢慢下降，至红色指针附近，继而绿灯又亮，电源接通，……如此反复多次，当红灯和绿灯的指示时间相等且两灯指示之间和为（40±10）秒时，黑色指针基本对准红色指针，可认为热源温度已基本控制在定温点。

图1-2 动圈仪表面板

利用上述装置，可对热电偶和测温系统进行标定。

1、  热电偶的标定

热电偶使用时，是按照电偶标准分度值来确定温度的，“标定”就是对所使用的热电偶进行校验，确定误差大小。本实验用EU－2作为标准热电偶，EA-2作为被校热电偶，数字电压表作电势的标准测量仪器，动圈式仪表作定温控制作用，使两支热电偶在相同温度时，由数字电压表分别读出相应的电势值，并由分度表查得相应的温度值，然后以EU-2热电偶的温度标准，来判断热电偶EA-2的误差。

2、  以热源、热电偶EU-2和数字电压表组成标准测温系统，用以测定热源的温度.热电偶EA-2与热电偶EU-2处于同一热点，它与动圈式仪表组成被校测温系统，以EU-2输出的数字电压表读数为基准，分析被校测温系统的误差。

三、实验设备

1、位数字电压表                          一个

2、XCT-131动圈式温度指示调节仪               一个

3、热源300w                                 一台

4、热电偶

   EA-2  镍铬－铐铜                          一支       

   EU-2  镍铬－镍铝                          一支

5、冰点槽                                    一个

6、接线板                                    一个

7、自耦变压器                                一台

四、测量线路和实验步骤

（一）   热电偶的焊接

将一段镍铬－铐铜热电偶的线端用砂纸砂净，拧成螺状1-2圈，按图1-3连线，用碳棒尖去接触热电偶端点产生电弧，使二导体焊在一起，焊后应检查结点是否符合球状，光洁对称，否则应重焊。

图1-3 热电偶焊接装置

（二）、冷端补偿效应的测定

1、  调整动圈式仪表的机械零位

2、  按图1-4接线，并将开关置于“上”

图1-4 热电偶标定接线图

3、  置于同一金属管中的两只热电偶放入热源深处并旋紧固定。

4、  将两只热电偶的冷端置于冰点槽中。

5、  接线完毕后，稳定5分钟，此时动圈仪表的黑色指针指示――C，数字电压表显示――mv

6、  将热电偶的冷端拉出冰点槽，并置于室温下5分钟，观察此时动圈仪表合格数字电压表斯文读数与步骤5的数据相比较，得出自由端有无补偿的差别。

7、  将热电偶冷端重新放入冰点槽中，为下面的实验做好准备

 （三）、热电偶的标定

1、  上述接线保持不变

2、    将开关置于“上”

3、    开启热源的电源，使热源升温

4、  将动圈仪表的红色定温指针调至100℃，黑色指示指针将随热源温度升高向右移动，当温度上升到给定值附近时，由于仪表的控制作用，使温度稳定在给定区间，观察红――绿灯指示时间相等且其和为（40±10）秒时，可认为温度已基本控制稳定，利用开关k，在数字电压表上分别读出同一温度时热电偶EA-2和EU-2的毫伏值。记入表1。

表1

a)         5、  再将定温点调至200℃、300℃、400℃、500℃四个校准点，重复步骤4，将读数记入表1。

b)        6、  以EU-2的温度值为基准，计算EA-2的误差

  （四）测温系统的标定

   图1-4中由动圈仪表，热电偶EA-2和热电源组成了一个最简单的测温系统。将图1-4中的开关k打向上，就可以利用EU-2为标准对此测温系统标定。

1、  将图1-4中的k投向上。

2、  将红色定温指针指向100℃。当热源温度稳定在100℃时，同时读出动圈仪表和数字电压表的标示值，记入表2。

表2

3、  重复步骤2，将红色定温针指向200℃、300℃、400℃、500℃分别在同一时刻读取相应的动圈仪表和数字电压表的指示值，记入表2。

4、  由数值电压表读出的毫伏数，在EU-2分度表上查得的温度作为基准，与动圈仪表的读数相比较，得出整个测温系统的误差大小。

五、思考题

1、  热电偶及测温系统采用上述实验标定的准确性如何？如何改进？

1、    如果冰点槽内放的是10℃水，能否进行标定？

3、  热电偶的焊接还有些什么方法，其焊接的质量如何？

六、实验报告要求

（一）   写明实验的目的，内容及方法，并简述所用仪器设备，名称，型号等。

（二） 作书面报告

1、  根据实验数据记录，作简要的结论。

2、  画出被标定热电偶EA-2的定标曲线。

3、  分析热电偶标示实验存在的问题，提出改进意见。

4、  实验测量系统标定存在有何问题。

附表 温度与绝对毫伏数据对照表

实验14 热电偶的制作与标定

一、实验目的
  1. 了解热电偶温度计的基本工作原理。

  2. 掌握热电偶的制作及标定方法。

二、基本原理

  根据电化学理论可知，当两种不同的物质(如金属)相互接触时，在接触界面上就会发生电子交换。由于两种物质中电子的逸出功不同，电子逸出功较小的那种金属M1的电子更易跑到电子逸出功较大的那种金属M2上，即在单位时间内越过界面由M1进入M2的电子数多于由M2进入M1的电子数。净结果是M2得到了多余的电子带负电；相应地，M1则得到了与M2上过剩电子数相当的空穴而带同样数目的正电荷，从而在界面上形成了一个界面电场。界面电场的方向是从过剩电子的M2一方指向缺乏电子的M1。界面电场随过剩电荷数的增加而增加。另一方面由于界面电场从M2指向M1，会阻碍电子自M1进入M2，而加速电子从M2进入M1，以致在一定的条件下，电子从M1进人M2的速率与从M2进入M1的速率相等，达到动态平衡，此时M2上的过剩电子数以及M1上的空穴数将不再增加，界面电场也就达到稳定值。这种由两种不同的物质相互接触而在界面上产生的电势就称为界面电势或界面接触电势。

  界面接触电势的大小与金属的电子逸出功密切相关。两种金属的电子递出功相差越大，其界面接触电势就越大，反之亦然。

  另一方面，由于金属电子逸出功的大小与温度有关，所以温度不同，界面接触电势也就不同。金属热电偶温度计就是基于这一原理设计而成的。将两种不同的金属有机地焊接在一起就形成了一个测温热电偶温度计，图14.1a是一种典型的单端热电偶温度计，其中1为镍铬丝，2为考铜丝，3是焊接点，4是铜导线，5为毫伏表。测量时，将焊接点3置于待测系统中，从毫伏表读数可推知系统的温度值。

  仔细分析一下图14.1a的测量回路，不难发现：在单端热电偶测量回路中，热电偶与导线通过两个接点相连，在该接点处亦会产生界面电势，故毫伏表实际读数应为各界面电势的代数和。这就给实验带来了一定的误差，而且随着接点处温度的变化。这种误差亦会发生变化。所以单端热电偶只在测量精度要求不太高的情况下使用，实验室常用的马福炉就选用单端热电偶作温度测量与控制元件。

图14.1 热电偶温度计

a-单端热电偶 b-双端热电偶

1-镍铬丝 2-考铜丝 3-焊接点 4-铜导线 5-毫伏计、

  在精确测量中必须选用如图14.lb所示的双端热电偶温度计。在双端热电偶温度计中，导线与同种金属相连，若两个连接点的温度相同(这一条件一般情况下是可以满足的，因为通常情况下，是将两个连接点置于同一环境中)，则在测量回路中两个与导线相连的连接点所产生的界面电势大小相等，方向相反，以致在回路中相互抵消。因此，测量回路中的界面电势仅仅是两个焊接点的界面电势的代数和。实际使用时，总是将其中一端（称冷端）置于冰水浴中，另一端(称热端)置于待测系统中，并使热端与高阻毫伏表的正接线柱相连，冷端与负接线柱相连。则当毫伏表读数为正时，说明系统温度高于0℃。反之若毫伏表读数为负，说明系统温度低于0℃。由于在两个焊接点中有一端(冷端)温度已经固定，则热电偶的实际热电势仅仅是热端温度的函数，这就为精确测量温度提供了保证。

  附录三中列出了一些常用热电偶温度计的热电势与温度的函数关系。实际使用的热电偶，由于诸多方面的原因，其热电势与温度的关系可能与这些标准值有一定的差别。因此在精确测量中，通常需要对热电偶进行标定。标定的方法是用热电偶去测量一些纯物质的相变点，以相变点的温度对热电势作图即可得该热电偶的工作曲线（或校正曲线）。通过工作曲线，可查得在不同热电势时所对应的实际温度值。

三、仪器及试剂

  仪器：调压器，加热保温电炉，双振开关，杜瓦瓶，记录仪，水银温度计，酒精灯，防护眼睛，钢丝钳，硬质试管。

  试剂：镍铬丝，考铜丝，碳电极，硼砂，苯甲酸(AR)，锡粒(AR)，铅粒(AR)，硅油。

四、操作步骤

1. 热电偶的焊接。分别取一根长约1 m的镍铬丝与考铜丝，将其一端绞合在一起，用钢丝钳剪去较长的一端，使两根金属丝端面平齐，便于焊接；在考铜丝上穿上小瓷珠，再将另一端同法也绞合在一起。在绞合头上蘸似硼砂，并在酒精灯焰上熔融，以硼砂裹住绞合头，以免在电弧焊接时造成金属的氧化。

如图14.2所示连接焊接线路，用绝缘夹夹住热电偶一端，调压器调至20~30V，插上调压器电源，调节热电偶绞合端与石墨电极尖端间的间隙至刚好产生电弧为止(不要与石墨电极接触)，利用电弧使绞合端熔融成球状即可。同法，焊接另一端。焊接完毕后，去掉硼砂。

2. 退火。新焊接的热电偶由于存在内应力，金相结构不符合要求等，因而会使热电偶在使用过程中产生不稳定的温差电势，复现性变差。精密测温用的热电偶均需进行严格的热处理。一般新焊接的热电偶，应进行退火处理，即先将热电偶升高温度，再使其慢慢冷却，直至常温。

        图14.2 热电偶焊接线路

1-调压器； 2-考铜丝；3-镍铬丝；4-小瓷珠；5-石墨棒

2. 退火。新焊接的热电偶由于存在内应力，金相结构不符合要求等，因而会使热电偶在使用过程中产生不稳定的温差电势，复现性变差。精密测温用的热电偶均需进行严格的热处理。一般新焊接的热电偶，应进行退火处理，即先将热电偶升高温度，再使其慢慢冷却，直至常温。

3. 热电偶温度计的校证。在三根硬质玻璃试管中，分别加入约40 g纯Sn粒、40 g纯Pb粒及5 g苯甲酸，再在Sn与Pb上装少量硅油，以免高温时金属被氧化。在另两支硬质小玻管中亦放入少量硅油再置于Sn及Pb粒试管中，以便插测温热电偶之用。另取一支硬质小玻管，加入少量硅油后置于苯甲酸试管中。

图14.3 热电偶定点校正装置图

1-双振开关；2-调压器；3-内加热丝；4-加热保温电炉；5-外加热丝；6-镍铬丝；

7-考铜丝；8-冰水浴；9-记录仪

将盛装苯甲酸的试管置于加热保温电炉中，热电偶温度计的热端插入其中的小玻管中(注意插到底部)。冷端插入冰水浴冲的小玻管中，按如图14.3所示连接好线路，双振开关置a，接通加热炉电源，适当调节加热功率，使温度缓慢上升，直至苯甲酸完全熔化，停止加热。开启记录仪记录热电势与时间的关系曲线（数字记录仪使用方法见第一分册）。如果在测量中发现热电势保持不变，说明样品已开始凝固，更应小心地测准热电势，直至热电势开始明显下降为止。为防止产生过冷现象，测量时应不断搅拌待测物，直至有固体析出，应注意使小玻管始终置于样品中部。

同理可测定Pb、Sn系统降温时热电势与时间的函数关系（步冷曲线）。如果发现冷却速度过快，可将双振开放置b，接通加热电源，适当调节保温电压（50V～左右），以减慢冷却速度。

将热电偶热端插入一盛有少量硅油的小玻管中，置于盛水的烧杯中，将烧杯放在电炉上加热至水沸腾。另将一支50~100 ℃的标准水银温度计与热电偶小玻管并列插在一起，从温度计记下水沸腾时的温度值，同时用记录仪记录热电势，其平均值即为该沸腾温度下热电偶的热电势。

4. 实验结束后，保留制备的热电偶，以便后续实验使用。

五、结果与讨论

1．将所测数据以热电势对时间作图，分别求作苯甲酸、Sn、Pb冷却时的步冷曲线。将该热电势值与平台出现时所测物质的相变温度作图，得热电偶工作曲线。

2．从步冷曲线平台读取相变时对应的热电势数值，列于表14.1中。

表14.1 不同物质相变温度与热电势对照表

注*：相变温度以温度计读数为准。

3. 将热电势与对应温度作图得一平滑曲线，该曲线即为热电偶的校正曲线，亦称工作曲线。

4. 将校正曲线所对应的热电势～温度值与附录所列标准值进行比较。

5. 讨论影响热电势测量精度的因素有那些？

六、注意事项

1. 在标定和使用热电偶时，其热端所在的位置对热电势影响很大，应尽量使热端处在能反映系统温度的哪一点上。这一点与其他类型的温度计的使用要求是一致的。

 2. 本实验中待测物质冷却时应注意搅拌，以防出现过冷现象。搅拌时注意幅度要小，尽量不要使大小玻璃管相互碰撞。同时要注意使热电偶始终处于小玻管底部。

3. 由于液态金属的密度比较大，金属融化时容易使小玻管弹出而浮于表面，影响温度的准确测量，严重时会使实验失败。实验时应注意使小玻管处在液体的中部。

 4. 冷却时利用小玻管轻轻搅拌，直至平台出现为止。平台出现后，可中止搅拌，但仍应防止小玻管上浮。

 5. 为了提高热电偶的温度系数，增加温度的测量精度，可以将几根热电偶串联起来使用，这就是热电堆。新型的氧弹量热计已经用热电堆取代了贝克曼温度计，其优点是显而易见的。

  6. 更低温度下的热电偶校正参见文献[2]。

七、思考题

l. 新焊接的热电偶为什么要进行退火处理 

2. 为什么要进行热电偶校正 常用的校正方法有哪些 简述其原理。能否用文献中所列数据作热电偶的工作曲线，为什么 

3. 简述热电势产生的机理及其用于温度测量的基本原理。

4. 举例说明热电偶的应用。