热电偶定标实验

一、实验目的

1．了解热电偶的工作原理；

2．学会对热电偶定标；

3．应用热电偶测温。

二、实验仪器

灵敏数字电压表，保温杯，电加热罐，温度计等

三、实验原理

早在19世纪初，人们就发现两种不同的金属组成的回路中(如图7-1所示)，如果在两个接头端存在温度差，则回路中就会产生电流。这种现象就称为温差电现象，这两种不同金属组成的电路称为热电偶。产生电流的电动势称为温差电动势。温差电动势的产生机制，限于篇幅，在此不再多讲。但从实用的角度出发，热电偶的一些特点和性质我们却是应该掌握的：

1．一般来说，任意两种不同的金属组成的回路都可以构成一对热电偶。只要两个接头端有温度差，回路中就有温差电动势，进而会产生温差电流。(利用这一特点，我们就可以把非电量的温度转化为可以用仪表检测的电学量。)

2．各种不同的热电偶都有其特定的温差电动势的变化曲线。换言之，只要确定了组成热电偶的金属材料，则其温差电动势的变化规律就是一定的，与热电偶的体积、导线长短等因素无关。(由于有这一特点，实际应用时热电偶的测温探头就可以做得很小，因而探头的热容量也就很小,测温就非常灵敏。)

3．由于各种不同热电偶的温度特性不同，故不同的热电偶有其不同的适用温度范围。根据不同的测温环境，使用者可以查找有关资料，选择合适的热电偶进行测温。

4．一对热电偶所产生的温差电动势一般都很小，只有零点几至数十毫伏。须用很灵敏的检流装置才能检验出来。但若把大量的热电偶串联起来，组成温差电堆，其产生的温差电动势和温差电流就有明显的实用价值。特别是用某些半导体材料组成的热电偶，有些地方已把它用来制成热转换效率较高的温差电堆发电装置。

四、实验内容

本实验将要研究的是一种最容易做成的热电偶——铜铁热电偶的性质。见图7-2，这种热电偶当其一端置于0℃的温度中，而另一端的温度在0℃～100℃范围内变化时，其温差电动势与温度差的关系近似成直线关系。(温差在100℃以上时，变化关系将逐步弯曲，不再是直线)。

实验中，一面用一支普通的温度计测量热电偶测温探头处的温度，一面用一台灵敏的数字电压表测相应的温差电动势。最后根据测得的温差和温差电动势绘制铜一铁热电偶在0℃～100℃范围内的温差电动势曲线图。

操作步骤

1．按图7-2将实验仪器连接好。电加热罐里装有煤油。检查电加热器的电热丝和温度计、热电偶的高温探头等是否都浸在煤油里。温度计不能紧靠电热丝，而热电偶的探头要和温度计的头部靠拢，以使两者温度尽可能一致。

2．将热电偶中间的断开处与灵敏数字电压表两端连接，选择数字电压表的灵敏度为最高档。

3．将热电偶的低温探头浸在保温杯的0℃冰水混合物内，使低温端维持恒温。

4．记下电加热罐中的初始温度t₀，将热电偶回路接通，为便于数据处理，记下此时回路的温差电动势。

5．打开稳压电源的开关，给电加热罐升温。调整稳压电源的输出电流为2～3A。

6．监视电加热罐中温度计的变化，并不断上下搅动加热罐中的搅拌器，以使温度上升均匀。温度计每升高5度，记下回路的温差电动势。

7、当温度计读数到达90℃左右时，关掉稳压电源的开关，停止加热。最后记下此时回路的温差电动势。

五、数据处理

对数据进行处理并绘制铜铁热电偶的温差电动势曲线图。以温度为横坐标，温差电动势为纵坐标。(在图中温度低于t₀时的曲线为低端外延曲线，应用虚线表示。)用图解法算出该热电偶的温差电系数：V/度。

测量数据表格

根据所绘制的铜铁热电偶的温差电动势曲线，分别求出37℃、50℃和70℃的温差电动势。

2、根据自己的实验结果，判断图7-2中回路的电流方向（顺时针或逆时针）。图中上半部分金属为铜，下半部分为铁，且T₁＜T₂≤100℃。

注意事项

1．加热罐通电升温时，为使整个装置升温均匀，应不断上下搅拌加热罐中的搅拌器。

2．为减小测量误差，数字电压表应尽可能调到灵敏度最高的档位。

3．为便于作图，每次温差的测量点宜取在5°或10°的整数倍位置。

六、问题讨论

1．当热电偶回路中串进了其它的金属（比如测量仪器等），是否会引入附加的温差电动势，从而影响热电偶原来的温差电特性?如果不影响的话，你是否能从理论上给予推导证明?

2．试简要说明温差电动势的产生机理。

 

第二篇：热电偶测温实验

                  K热电偶测温性能实验

一、实验目的

    了解热电偶测温原理及方法和应用。

二、基本原理

    热电偶测量温度的基本原理是热电效应。将A和B二种不同的导体首尾相连组成闭合回路，如果二连接点温度(T，T₀)不同，则在回路中就会产生热电动势，形成热电流，这就是热电效应。热电偶就是将A和B二种不同的金属材料一端焊接而成。A和B称为热电极，焊接的一端是接触热场的T端称为工作端或测量端，也称热端；未焊接的一端(接引线)处在温度T₀称为自由端或参考端，也称冷端。T与T₀的温差愈大，热电偶的输出电动势愈大；温差为０时，热电偶的输出电动势为０；因此，可以用测热电动势大小衡量温度的大小。国际上，将热电偶的A、B热电极材料不同分成若干分度号，如常用的Ｋ(镍铬-镍硅或镍铝)、Ｅ(镍铬-康铜)、Ｔ(铜-康铜)等等，并且有相应的分度(见附录)表即参考端温度为０℃时的测量端温度与热电动势的对应关系表；可以通过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得到相应的温度值。

三、需用器件与单元

    主机箱、温度源、P_t100热电阻(温度源温度控制传感器)、Ｋ热电偶(温度特性实验传感器)、温度传感器实验模板、应变传感器实验模板(代mV发生器)。

四、实验步骤

热电偶使用说明：热电偶由Ａ、Ｂ热电极材料及直径(偶丝直径)决定其测温范围，如Ｋ(镍铬-镍硅或镍铝)热电偶，偶丝直径3.2mm时测温范围０～1200℃，本实验用的Ｋ热电偶偶丝直径为0.5mm，测温范围０～800℃；Ｅ(镍铬-康铜)， 偶丝直径3.2mm时测温范围-200～+750℃，实验用的Ｅ热电偶偶丝直径为0.5mm，测温范围-200～+350℃。由于温度源温度＜200℃，所以，所有热电偶实际测温范围＜200℃。

从热电偶的测温原理可知，热电偶测量的是测量端与参考端之间的温度差，必须保证参考端温度为０℃时才能正确测量测量端的温度，否则存在着参考端所处环境温度值误差。

热电偶的分度表(见附录)是定义在热电偶的参考端(冷端)为０℃时热电偶输出的热电动势与热电偶测量端(热端)温度值的对应关系。热电偶测温时要对参考端(冷端)进行修正(补偿)，计算公式：E(t,t₀)=E(t,t₀＇)+E(t₀＇, t₀)

式中：E(t,t₀)—热电偶测量端温度为ｔ，参考端温度为t₀=０℃时的热电势值；

      E(t,t₀＇)—热电偶测量温度ｔ，参考端温度为t₀＇不等于０℃时的热电势值；

      E(t₀＇,t₀)—热电偶测量端温度为t₀＇，参考端温度为t₀=０℃时的热电势值。

   例：用一支分度号为Ｋ(镍铬-镍硅)热电偶测量温度源的温度，工作时的参考端温度(室温)t₀＇=20℃，而测得热电偶输出的热电势(经过放大器放大的信号，假设放大器的增益ｋ=10)32.7mv，则E(t,t₀＇)=32.7mV/10=3.27mV，那么热电偶测得温度源的温度是多少呢?

   解：由附录Ｋ热电偶分度表查得：

           E(t₀＇,t₀)=E(20,0)=0.798mV

已测得     E(t,t₀＇)=32.7mV/10=3.27mV

故         E(t,t₀)=E(t,t₀＇)+E(t₀＇, t₀)= 3.27mV+0.798mV=4.068mV

热电偶测量温度源的温度可以从分度表中查出，与4.068mV所对应的温度是100℃。

1、在主机箱总电源、调节仪电源、温度源电源关闭的状态下，按图1示意图接线。

图1  K热电偶温度特性实验接线示意

2、调节温度传感器实验模板放大器的增益Ｋ=30倍：在图1中温度传感器实验模板上的放大器的二输入端引线暂时不要接入。拿出应变传感器实验模板(实验一的模板)，将应变传感器实验模板上的放大器输入端相连(短接)，应变传感器实验模板上的±15Ｖ电源插孔与主机箱的±15Ｖ电源相应连接，合上主机箱电源开关(调节仪电源和温度源电源关闭)后调节应变传感器实验模板上的电位器R _W4(调零电位器)使放大器输出一个较大的ｍV信号，如20mV(可用电压表2V档测量)，再将这个20mV信号(Vi)输给图30A中温度传感器实验模板的放大器输入端（单端输入：上端接mV，下端接⊥）；用电压表(2V档)监测温度传感器实验模板中的Vo1，调节温度传感器实验模板中的R_W2增益电位器，使放大器输出Vo1=60OmV，则放大器的增益Ｋ= Vo1／Vi=600/20=30倍。注意：增益Ｋ调节好后，千万不要触碰R_W2增益电位器。

3、关闭主机箱电源，拆去应变传感器实验模板，恢复图30A接线。

4、测量热电偶冷端温度并进行冷端温度补偿：在温度源电源开关关闭(Ｏ为关，-为开)状态下，合上主机箱和调节仪电源开关并将调节仪控制方式(控制对象)开关按到内(温度)位置，记录调节仪PV窗的显示值(实验时的室温)即为热电偶冷端温度t₀＇(工作时的参考端温度)；根据热电偶冷端温度t₀＇查附录K热电偶分度表得到E(t₀＇,t₀)，再根据E(t₀＇,t₀) 进行冷端温度补偿-----调节温度传感器实验模板中的R_W3(电平移动)使Vo2= E(t₀＇,t₀)*Ｋ= E(t₀＇,t₀)*30(用电压表2V档监测温度传感器实验模板中的Vo2)。

5、将主机箱上的转速调节旋钮(2—24V)顺时针转到底(24Ｖ)，合上温度源电源开关，在室温基础上，可按Δt=5℃增加温度并且小于160℃范围内设定温度源温度值(设定方法参阅实验二十七，重复6、7、8、9步骤)，待温度源温度动态平衡时读取主机箱电压表的显示值并填入表1。

表1  Ｋ热电偶热电势(经过放大器放大后的热电势)与温度数据

6、根据表30A数据画出实验曲线并计算非线性误差。实验结束，关闭所有电源。

注：实验数据V(mv)/k(增益)= E(t,t₀)。