热电偶—实验指导书

1热电偶实验指导书食品学院制冷空调工程系二〇〇四年九月2热电偶温度计标定及实验数据线性回归一．实验目的：1）了解热电偶的工作原理、使用和制作。2）掌握热电偶温度计的标定方法及电位差计的使用。3）学会应用最小二乘法原理，对实验数据进行线性回归的方法。二．实验原理：热电偶温度计具有计结构简单、测温布点灵活、体积小巧、测温范围大、性能稳定，准确可靠、经济耐用、维护方便等特点，能够快速测量温度场中确定点的温度，输出的电信号能远传、转换和记录，是工业和实验室中使用最广泛的一种测温方法。如图1-1所示，如果两种不同的导体A，B连成一个闭合回路，且其两节点温度t、t0不同时，在回路中就会产生电势，这种现象称为热电效应。热电势（热电效应产生的电势）是由两种金属所含自由电子密度不同引起的，其大小与两节点间温差大小和热电偶材质有关。通常，我们称t端为工作端（或热端），t0端为参考端（或冷端），当t0恒定时，热电势大小只和t有关，且存在一定的函数关系，利用上述原理即可以制成热电偶温度计，用热电偶的电势输出确定相应的温度。在实际使用中往往把t0置于冰水混合物中（0℃），并在热电偶回路中引入第三种材料C（通常为铜导线）将热电势导出至测量装置，如图1-2所示。只要第三种材料二接点的温度相同，热电偶产生的电势与不引入第三种材料时相同。热电偶接点（t端）通常采用电火花熔接，焊前要消除接合处污物和绝缘漆，焊后结点呈小球状，并把结点置于被测温点。冷结点一般用锡焊把热电偶和铜导线连接，相互绝缘后置于冰水混合物中。三．实验方法1）常用的配对热电偶材料如下：材料代号分度号t0=0℃,t=100℃时电势输出使用温度测温范围允许误差正极负极长期短期铜+康铜-MK4.26mV200℃300℃-200～-40℃±2t%-40～400℃±7.5t%镍铬+考铜-WREAEA-26.95mV600℃800℃t≤400℃±4℃t400℃±t%镍铬+镍硅-WREUEU-24.10mV1000℃1300℃t≤400℃±4℃t400℃±0.75t%铂铑10+铂-WRLBLB-20.643mV1300℃1600℃t≤600℃±2.4℃t600℃±0.4t%图1-1热电偶BAt电位差计CC0t图1-2热电势测量3材料代号分度号t0=0℃,t=100℃时电势输出使用温度测温范围允许误差正极负极长期短期铂铑30+铂铑6-WRLLLL-20.034mV1600℃1800℃t≤600℃±3℃t600℃±0.5t%由于实际使用的热电偶材料的化学成份不一定符合标准而且不一定均匀，因此不能直接套用分度号对应的分度表，或使用IEC（国际电工委员会）提出的各种热电偶温度电势函数关系式，为此必须对实际使用的热电偶输出电势．．．．和对应温度．．．．标定之后才能作为测温元件。2）实验设备如图1-3所示。12534图1-3实验接线图1、二等标准水银温度计（最小刻度：1/10℃）2、φ0.2mm铜-康铜热电偶3、超级恒温水浴（95℃±0.5℃）4、保温瓶（冰水混合物）5、电位差计（UJ33a）3）数据记录从原有冷水温度开始每隔5℃一档，一直到75℃，水浴温度由水浴上的控温温度计整定，观察标准温度计或电位差读数基本稳定后，同时读取标准温度计的温度读数和电位差计输出电势读数并纪录，取2次的算术平均值。4）电势测量。直流电位差计测量电势采用的是一种电位差平衡法。即当测量电势与电位差计输出电势处于平衡状态时，电位差计输出电势大小就是被测电势大小，测量回路内无电流，对测量回路电阻无特殊要求。按热电偶极性正负接到电位差计相应接线柱上，测量热电偶电势。如事先未知热电偶极性且测试系统无其他故障而电位差计无法读数，则把接线交换即可。UJ33a型直流电位差计操作方法如下（见图1-4）：（1）机械调零：断电状态下，调节检流计上旋钮，使检流计指针回零。（2）电位差计调零：将倍率开关k1由断选到所需倍率（我们使用×0.1档），k3旋到测量，旋动调零电位器，使检流计指针指零。（3）标准零位：将电键k1扳向标准，旋动工作电流调节粗细旋钮，使检流计指针指零。（4）测量零位：将被测电路接到未知接线柱，将电键k1扳向未知，调节读数盘，使检流计指零，则各读数盘读数之和乘以所选倍率（k1），即为所测电势。（5）注意：当热电偶电路出现断路时，检流计指针将始终指在零位。4+-断×0.1×1×5未知标准测量输出工作电流调节UJ33a直流电位差计调零K3倍率(K1)K2未知粗细×10×1×0.1检流计图1-4直流电位差计面板如果需标定的热电偶工作温度较高或精度要求较高时，则水浴可改用油浴或加热炉，二等标准水银温度计改用标准铂电阻温度计及相应的配套检流计、标准电池和稳压电源等。四．数据处理根据误差理论处理实验数据的原理和方法另有专著及课程。本实验仅从传热学常用和实用角度出发，介绍应用最小二乘法原理对数据进行线性回归的方法。1）实验数据可以采用列表法，图线法及公式法。目前计算机应用很广泛普及，而程序中必须使用函数表达，因此必须把实验数据回归成计算公式。2）最小二乘法原则是使所得到回归方程的计算值和实验值的误差平方和为极小。如图1-5。3）对于线性回归即求下列正规方程的逆，对于这种特殊情况，可以用行列式求解。iiiiiiiiebbttetbbeeen10102ˆetttii^t=b+bei01iΣ(t-t)ii=1n2min式中：ietiti认为是精确值实验值计算值^ei^i^图1-5最小二乘法原理5实验报告格式热电偶温度计标定及实验数据线性回归一．实验时间：二．同组人员：三．热电偶材料及规格：铜丝（+），康铜丝（-），φ=0.2mm。四．原始数据：序号n电势ei（mV）ei平均温度ti（℃）ti平均ei2eitiitˆ2)ˆ(iitt121212345.....nn=//Σei=（Σei）2=//Σti=Σei2=Σeiti=/2ii)ˆ(tt五．计算公式：2220iiiiiiieneteteeb，221iiiiiienetenteb，回归方程：iiebbt10ˆ====〉误差：2)ˆ(2nttii====〉报告人：日期：指导老师：日期：