2014910174811993_2014年秋学期大学物理实验讲义++温差电偶的定标和测温

温差电偶的定标和测温(讲义)由两种不同金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电动势，这就是热电效应。这一效应于1821年被德国物理学家塞贝克ThomasJohannSeebeck（1780～1831）发现，因此又称“塞贝克效应（Seebeckeffect）”。1830年，人们就为它找到了应用场所。利用热电效应，可制成温差电偶（thermocouple，即热电偶）来测量温度。只要选用适当的金属作热电偶材料，它就可轻易测量到从－180℃到＋2000℃的温度，如此宽泛的测量范围，令酒精或水银温度计望尘莫及。现在，通过采用铂和铂合金制作的热电偶温度计，甚至可以测量高达＋2800℃的温度。此外，利用这一效应制作的温差电偶温度计还有很多优点，结构简单、制作方便，灵敏度准确度高（可达10-3℃以下），热容量小，响应快，可用于微区测温，广泛用于实时测温和监控系统。本实验的热电偶由铜和康铜构成。【实验目的】（１）理解温差电偶测温原理和定标方法。（２）学会用温差电偶测量未知温度。【实验仪器】数字电压表、保温瓶和铜—康铜温差电偶、HW-1恒温控制加热仪。【实验原理】温差电偶概念若将A、B两根不同的金属或合金丝的端点互相连接(接点焊接或熔接)成为一闭合回路，并使两接点处于不同温度，如图1所示，则由于温差电效应，回路中将产生电动势，称为温差电动势。这种闭合回路称为温差电偶或热电偶。使用温差电偶测温时，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。1图1温差电偶对于温差电动势，其产生的机理有两种，一种称为帕尔贴（J.C.A.Peltier，1785-1845）电动势，另一种称为汤姆逊(WilliamThomson,1stBaronKelvin，1824-1907)电动势。前者是由于不同金属(与塞贝克效应不同，帕尔贴效应不仅可以产生在两种不同金属的交界面，或者一种多相材料的不同相界间，也可以产生在非匀质导体的不同浓度梯度范围内)接触引起，由接触面两侧金属内不同浓度自由电子的扩散形成，当扩散平衡时，在两种金属间形成稳定电位差；后者是由于同一种金属两端所处温度不同导致，高温端的自由电子好像气体一样向低温端扩散，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，使金属两端形成一稳定的电势差。如果要在金属构成的闭合回路中形成电动势，必须满足两个条件：一是回路由两种金属构成，二是两个接点处温度不同。讨论如下：当闭合回路由两种金属构成，但接点处温度相同，即满足第一个条件而不满足第二个条件时，两接触面间将建立相等而相反的电动势，因而形不成恒定电流。只有两接点温度不同，两个珀耳帖电动势不等，回路中才会形成电动势。温差越大，形成的电动势也越大。当闭合回路的两个接点处温度不同，而由一种金属构成，即满足第二个条件而不满足第一个条件时，两段导线形成的闭合回路内将建立起相等而相反的两个电势，互相抵消，因而不能形成电动势，这就要求把两种不同材料的金属连接成闭合回路，两个汤姆逊电势不相等，才不会抵消，回路中就会有电动势存在。温差越大，形成的电动势也越大。总之，热电偶回路中产生的温差电动势是由帕尔贴电动势和汤姆逊电动势联合组成的，统称为温差电动势。对于帕尔贴电动势，其热端和冷端的总接触电势差为：BAABttekEln)(122式中k为波尔兹曼常数，e为单位电荷电量，A和B分别为金属A、B的电子密度，t为温度。对于汤姆逊电动势，两种金属总的汤姆逊电动势电势为：热电偶产生的热电势是由两种导体的总接触电势和总汤姆逊电势所组成，为：当制作电偶的材料确定后，温差电动势的大小就只决定于两个接触点的温度差，一般说，电动势和温差的关系非常复杂，若取二级近似，可表为如下形式式中，2t为热端温度；1t是冷端温度；而C、d是电偶常数，它们的大小仅决定于组成电偶的材料。粗略测量时，可取一级近似（1）由（1）式可知，只要确定电偶常数C和参考温度1t，就可以根据电动势ABE求得待测温度2t。测温仪器的设计根据以上讨论，可以设计测温仪器。待测温度的数值是通过热电偶在回路中产生的温差电动势计算所得，为了测定这温差电动势，需在闭合回路中接入测量仪表，如图2所示。图2测量仪表接入温差电偶这就相当于把第三种金属（如电位差计的电阻丝）串入回路。理论上可以证明，在A、B两种金属之间插入任何一种金属C，只要维持它和A、B的联接点在同一个温度，这个闭合电路中的21ttBAABdtE12121221ln,tftfdtnnttekEEttEttBABAABABAB21212ttdttCEAB12ttCEAB3温差电动势总是和由A、B两种金属组成的温差热电偶中的温差电动势一样，与第三种导体的接入位置和接入长度无关，如图3所示。这叫中间导体定律。图3接入温差电偶的导线这一定律对于降低成本和便利测量具有积极意义。例如热电偶的材料是贵金属时，为了降低贵重金属的使用量，中间就用低成本金属导线代替；而如果测温点到仪表的距离很远，为了节省热电偶材料，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。需要指出，热电偶补偿导线的作用是延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上。基于上述讨论，如果用铜—康铜作为温差电偶材料，其实际的测温装置可以如图4所示。将构成温差电偶的两金属的一端点都放入温度ｔ0为已知的恒温物质（例如冰水）中。用两根铜线的一端引入数字电压表的补偿回路中，就可以测其温差电动势。图4温差电偶测电动势示意图4图5恒温控制仪【实验内容及步骤】1.温差电偶定标要用温差电偶测温，首先需要给电偶定标，即通过实验测定温差电动势与测温端温度的关系曲线，也就是确定（1）式的系数。定标方法有两种。一种是定点法。利用已知的几个固定点温度，例如：水的沸点、水的三相点、氮的三相点、某些纯金属的凝固点等，作为已知温度，测出温差电偶在这些已知温度下的电动势，用最小二乘法以多项式拟合实验曲线，求出常数C。另一种是比较法。用标准测温仪与未知温差电偶置于同一恒温加热器中，改变温度进行对比，也可作出Ｅ～ｔ定标曲线，本实验即采用比较法对铜—康铜温差电偶进行定标。用比较法定标铜—康铜温差电偶，具体步骤如下：（1）将热电偶热端插入恒温控制加热仪的样品插入口，热电偶冷端放入保温瓶内冰水混合物中。（2）将热电偶的红接线叉接数字电压表输入端（＋），黑接线叉接数字电压表输入端（-），校准电位差计。（3）打开电源开关，PID智能温控仪上显示的为室温，测出室温与０℃温差的电位差值。用“功能选择键”将温控仪处于设定状态，设定预设温度Ｔ1（预设温度可设置在室温以上一个整５整10位置如25℃，30℃等）。预设温度Ｔ1设定确认后，用“功能选择键”将仪器回到控制状态，仪器即刻进入自动加温控温过程。当达到平衡后，即Ｔ1－Ｔ0（℃）显示为0.0附近时，用电位差计测出电位差，并分别记录电位差和相应温度。进入下一个预设温度后（与前一个预设温度点相比增加5℃），继续分别测电位差和测温。按这样的方法每隔5℃测量一次，一直测到95℃。5（4）利用微机用最小二乘法处理数据。按有效数字规则记录微机所给数据，写出)(tfE表达式。2.测温观察电动势的变化，记录数据，根据上述标定实验所得)(tfE公式表达式，计算测温端的温度1t。具体步骤如下：（1）关闭“样品加热”开关，开启“降温风扇”开关。（2）降温过程中，每隔0.2伏记录电压值和对应的温度值。（3）把记录的电压值带入表达式)(1tfE，计算测试点的温度1t。（4）选取若干所测温度，计算所其相对误差。【注意事项】仪器降到室温后，关闭电源开关。【数据记录】1.温差定标预设温度1t3035404550556065707580859095电势差E样品温度1t2.测温数据电势差1E仪器显示温度1t计算所得温度1t6【思考题】（1）实验时，温度和电动势连续地改变，应如何操作和读数才能使测量数据较准？（2）数字电压表内的导线和元件可能由其他金属材料制成。试论证：只要接到数字电压表的两根导线材料相同，并且数字电压表中各接点维持同一温度，则整个回路的电动势仅由金属Ａ、Ｂ和ｔ、ｔ0决定。【附录】常用温差电偶材料和性能（写在前边的材料为正极）