实验温度的电测法

实验温度的电测法3.16.1热电偶定标和测温【实验目的】1．了解非电量的电测法原理．2．学习热电偶定标、测温方法．3．进一步掌握电位差计的使用．【实验原理】1．热电偶热电现象及测温原理当两种不同金属互相接触时，在接触面上产生一个接触电位差(铂尔贴电动势)．同一种金属两端处于不同温度时，金属的两端就产生一个电位差(汤姆逊电动势)．而由两种不同的金属或两种不同成分的合金的两端彼此焊接(或熔接)在一起组成闭合回路时，如图3．19-1，若两端点温度分别保持为t和t0，则回路中就有温差电动势，它是铂尔贴电动势和汤姆逊电动势之和．产生温差电动势的装置称为热电偶。温差电动势的大小与组成热电偶的材料有关，也与温度t和t0有关。当材料一定时，温差电动势Ex唯一地决定于两端点的温度差t-t0，其大小近似为：图3.16-1t0tAB接电位差计+-t0tAB图3.16-2（3.16-1）式中C为温度系数，由组成热电偶的材料决定.用热电偶测量温度时，通常把一端置于被测温场中，称为测量端(热端)；另一端恒定于某一温度，称为参考端(冷端)，如图3．19-2所示。一般将冷端置于冰水混合物(t0=0℃)中。当t0恒定时，热电偶所产生的温差电动势仅随测量端温度变化．只要把已测得的温差电动势与测量端温度的对应关系整理成热电偶定标曲线，测量时便可根据测得的温差电动势来求得被测温度．2．热电偶的定标热电偶的定标就是用实验方法，找出热电偶热端温度与温差电动势的对应关系曲线．根据温度给定方法和测定方法不同，热电偶的定标方法分为纯物质定点定标法和比较定标法等．这里仅介绍比较定标法．将热电偶冷端置于冰水混合物中，热端置于热水中，让其自然冷却，用水银温度计测量其温度，同时用电位差计测出对应温度时的热电偶温差电动势，以一定温度间隔进行多点测量后画出Ex(t)-t定标曲线。【仪器和用具】UJ31型电位差计，TE-1温差电偶装置（铜-康铜热电偶或镍铬-镍铝热电偶），水银温度计，检流计，电热杯（或玻璃烧杯），双层保温杯，直流稳压电源，标准电池等．【实验内容】1.定标（1）按图3.16-3接入标准电池Es、检流计G、工作电源E（5.7～6.4V），热电偶引线接入“未知1”（或“未知2”），旋K0至“×1”，K2至“断”，Rs指示1．0186V(标准电池电动势)，Rn，1、Rn，2、Rn，3指示中间部位，读数盘I、Ⅱ、Ⅲ调至零位，并对检流计G进行零点调节．（2）校正工作电流．旋K2至“标准”，先置按钮K1于“粗”位置（按下），然后依次调节Rn，1(粗)、Rn，2(中)、Rn，3(细)，使检流计指针指“零”；再置按钮K1于“细”位置（按下），仍调节Rn，1(粗)、Rn，2(中)、Rn，3(细)，再使检流计指针指“零”，此时电位差计达到)(0ttCEx图3.16-3(第一版图3.19-6)补偿状态．（3）将冰块放入冷端部分的保温杯(约杯)中，加少量自来水形成冰水混合物；将自来水倒入热端部分的电热杯或烧杯(约杯)中．（4）测量未知电动势(ⅰ)按下K1的“粗”按钮，旋K2至“未知1”(或“未知2”)，依次调节测量转盘I、Ⅱ、Ⅲ，使检流计指针接近指“零”；再按下K1的“细”按钮，仔细调节测量转盘，使检流计指针指“零”，立刻读出水银温度计的温度，以及测量转盘读数，即得到热端在该温度时的温差电动势．(ⅱ)给热端水加热，水温每上升3～5℃测出相应的温差电动势，共测8个温度点.(ⅲ)让热端水冷却，水温每下降3～5℃时测出与升温时温度对应的各温差电动势.（5）以温度t为横坐标，温差电动势（）为纵坐标，绘出定标曲线，并用图解法求出中的C值．2.测温将热电偶热端悬空置于实验室内空气中，测量温差电动势，从热电偶的定标曲线上查出实验室温度，并与水银温度计测得的结果进行比较。【注意事项】电源极性不可接错．电热杯里无水时不能通电加热。【思考题】1．若在校准工作电流过程中检流计的指针总是偏向一边，试分析有哪些可能的原因?2．实验中怎样判定热电偶两根引线的正、负极性?3．如果在实验中热电偶“冷端”不放在冰水混合物中，而直接处于室温中，对实验结果会有些什么影响?热敏电阻温度计【实验目的】1．了解热敏电阻的温度特性．2．学习非平衡电桥的原理．3．掌握热敏电阻温度计的基本原理及使用方法．【实验原理】1．热敏电阻的温度特性热敏电阻是由金属氧化物半导体材料制成的器件，具有阻值对温度反应灵敏、热响应速度快，体积小且无毒等优点，被广泛应用于测温、控温等领域。热敏电阻与金属材料制成的电阻具有明显不同的温度特性，它们多数具有负的温度特性．在一定温度范围内，热敏电阻的阻值和温度有如下关系：3232'xExExE2'xxxEEEtEx)(0ttCEx图3.16-4热敏电阻温度计原理图(第一版图3.19-1)R3RTR1R2K1EK2RNRM（3.16-2）式中，T为热力学温度(K)，为温度为T时热敏电阻的阻值，a和b是与热敏电阻材料物理性质有关的常量，可从测量得到的RT～T特性曲线求出．为了比较准确地求出a、b的值，可将(3.16-2)式线性化后进行直线拟合，即对(3.16-2)式两侧取对数，得（3.16-3）从～的直线拟合中，得到a和b．2．非平衡电桥电桥是一种用比较法进行测量的仪器，由电源、桥臂、桥路三部分组成。非平衡电桥是指在测量过程中电桥不平衡，桥路上的电流不为零，桥路上电流的大小与电源电压、桥臂电阻有关.利用非平衡电桥进行测量时，应具体选定除待测电阻外其它电阻的阻值以及电源电压，这样待测电阻Rx与桥路上电流Ig就有一一对应的关系.确定Rx～Ig关系的过程，即为非平衡电桥的定标.用已标定好的非平衡电桥在不改变其工作状态的情况下，就可以进行有关测量.3．热敏电阻温度计由(3.16-2)式可知，热敏电阻的阻值随温度升高而按指数规律下降．实用的热敏电阻温度计是把电阻随温度的变化转换成电流随温度的变化，并把电流表的刻度转换成温度示值直接读出温度．图3.16-4是用热敏电阻和非平衡电桥组成的温度计的原理图．图中E为直流电源，RT为热敏电阻，G为微安表，K1为电源电键，K2为工作选择电键．热敏电阻RT是电桥的一个桥臂，这里用非平衡电桥，从电流计指针的偏转与RT值的一一对应关系来测定温度．它们一一对应的关系可由定标获得。热敏电阻温度计每次使用前都要校正．若此温度计测温范围为t1～t2(单位为℃)，则图3.16-4中电阻RN和RM的阻值分别等于热敏电阻在t1和t2时的阻值.RN、RM用于校正温度计：校正下限温度t1时，将电键K2拨向RN，调节桥臂电阻R3，使电流计指零;校正上限温度t2时，将电键K2拨向RM，调节电源分压器R，使电流表指针在满刻度处．校正完毕，再把K2拨向RT，RT接入桥路便可用来测温度．在本实验中，t1和t2分别取水的冰点(0℃)和沸点(100℃)．【仪器和用具】直流稳压电源，微安表，电阻箱，水银温度计，滑线变阻器，热敏电阻①，数字式多用电表，杜瓦瓶，烧杯，电炉，电键．【实验内容】)exp(TbaRTTRTbaRT1lnlnTRlnT1图3.16-5(第一版图3.19-2)R3R21.图3．16-5为一简单的热敏电阻温度计装置．将热敏电阻制成的探头和水银温度计的水银泡紧扎在一起放在直径约lcm的试管中，并将试管插入烧瓶，瓶中水温可由加热器调节.按图3.16-5接线．2．热敏电阻温度计校正将RT置于盛有冰水混合物的杜瓦瓶中，调R3，使微安表指示为零，并用数字多用表测量在该温度下的热敏电阻的阻值；保持R3不变，再将RT置于盛沸水的烧杯中，调R使微安表指示为满刻度，同时用数字多用表测出水沸腾时热敏电阻的阻值．3.热敏电阻温度计定标（1）保持R3和R位置不变，使烧杯中水自然冷却．每隔5℃左右测一组数据，即分别记录微安表和温度计的读数，同时用数字多用电表测量在该条件下热敏电阻的阻值．（2）将微安表相应刻度处标出对应的温度值就制成了一只热敏电阻温度计．若在微安表上标注温度不方便，实验中可根据所测数据作出t-I曲线（如图3.16-6所示），即为此温度计的定标曲线，供测温时查用．4．用自己制作并定标的热敏电阻温度计测温（1）用温度计测出室温：将RT和水银温度计同置于实验室空气中，根据微安计读数得到温度值，并与水银温度计测出的结果比较。（2）测手心皮肤温度：将RT和温度计水银泡同握在手心中，根据微安计读数得到温度值，并与水银温度计测出的结果比较。5．热敏电阻温度特性的研究参照(3.16-3)式，令，，则式（3.16-3）可写为（3.16-4）式中A=lna，B=b，x和y可由测量值RT～T求出，利用上述几组测量值，用图解法或最小二乘法求出参数a、b，给出经验公式．注意计算时，取T(K)=t(℃)+273．【注意事项】进行实验时，必须使热敏电阻与水银温度计的水银泡保持紧密接触，并一起置入水中．【思考题】1.怎样测定热敏电阻的温度特性曲线?2.怎样用实验的方法确定中的a和b？3.说明热敏电阻温度计的工作原理．4.制作一只热敏电阻温度计的主要步骤和校正方法是什么?5.若不用数字多用电表测任一温度下热敏电阻的阻值RT，给出电阻箱和双刀双掷电键，试用替代法测RT，画出测量线路．非平衡电桥温度计的设计Tx1TRylnBxAy)exp(TbaRT)exp(TbaRT图3.16-6热敏电阻温度计定标曲线(第一版图3.19-3)tI温度微安表示值①也可用AD590集成温度传感器．温度是一热学量，它的电测法主要是利用电磁参量随温度变化的定量关系进行的.本实验通过非平衡电桥组成电阻温度计，是电桥原理在生产实际中的一个应用实例.它和电阻配合可以电学量转化为电学量，这样在实践应用中便于自控和遥测，为工业自动化创造了有利条件.【预习要求】1．复习实验七：电桥法测电阻.2．从理论上推导非平衡电桥的输出电压大小与温度的关系.【实验目的】1．掌握电阻温度计测量温度的基本原理和方法.2．学习采用非平衡电桥测非电量的标定方法.【实验仪器】铜电阻，铂电阻，标准电阻箱，稳压电源，非平衡电桥装置(在这个装置中除了Rt和电源E以外已经把所有元件都已接好)，温度计，电热杯【实验要求】1.根据非平衡电桥原理和铜电阻（或铂电阻）的电阻特性，估算非平衡电桥装置中电阻大小和微安表的内阻及量程，再和实际测出的参数对比.2.用铜电阻（或铂电阻）和非平衡电桥组装成温度计，并对其进行校准，画出校准曲线.【实验提示】已知在0～100℃范围内铜电阻体的阻值随温度变化的关系为：式中R0、Rt分别为0℃和t℃时的电阻值，A、B为温度系数（出厂时厂家会给定）.利用金属的这种性质来测量介质温度的仪器称为电阻温度计，它一般是由铜电阻体和不平衡电桥组合而成.由于铜电阻的电阻值是温度的函数，测出电阻就可以确定对应的温度，所以这种方法的实质就是测电阻.但是如果每测一次电阻从表上查一次对应的温度，仍然不十分方便，为使温度测量能连续进行，即从电表表面刻度读数连续地反应出温度的变化，一般采用非平衡电桥来实现，其电路如图32-1所示.其原理是：当电桥的四个桥臂上电阻配合适当(一般R2＝R3)电桥可以达到平衡，此时电流表上无电流通过.一旦当其中铜电阻Rl随温度改变而阻值随之发生变化时，从而使电桥偏离平衡，电流表中将有电流流过.如果电源电压保持不变，那么一定温度t对应一定的Rt，而Rt又对应一定的It即为相应的电表偏转量.所以表中通过的电流强度就直接与温度变化有关.这样由于测试变化引起的桥臂Rt电阻值的变化可以直接由电表指针偏转大小来决定.只要事先对电表进行标定，就可以根据电流表的读数来表示测量温度的大小.【思考题】1.为什么可以用铜电阻做成温度计？2．电阻温度计是怎样定标的?3．在实验中，由于条件限制不能得到0～100℃温度范围，你会如何制作？任务利用非平衡电桥测量原理设计一个电阻温度计，测量范围0～100℃。要求：（1）测出铜电阻的伏安特性曲线，选定电桥工作电流。（2）选定电桥比率臂电阻R1=R2，比较臂电阻R3=R0，电桥工作电压E。（3）标定Rt～I，将其转化为t～I。器材：铜电阻体，可调