热电偶定标教案

大学物理实验课程教案课次授课方式（请打√）理论课□讨论课□实验课√习题课□其他□课时安排3授课题目（教学章、节或主题）：热电偶的定标教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：1.加深对温差电现象的理解；2.了解热电偶测温的基本原理和方法；3.掌握热电偶定标基本方法。教学重点及难点：重点：用固定点法对热电偶进行定标难点：用逐差法求出定标曲线的温差系数教学基本内容方法及手段1．温差电效应如果用A、B两种不同的金属构成一闭合电路，并使两接点处于不同温度，如图1所示，则电路中将产生温差电动势，并且有温差电流流过，这种现象称为温差电效应。2．热电偶测量温度的原理和方法两种不同金属串接在一起，其两端可以和仪器相连进行测温的元件称为温差电偶，也叫热电偶。温差电偶的温差电动势与二接头温度之间的关系比较复杂，但是在较小温差范围内可以近似认为温差电动势Et与温度差（T-T0）成正比，即0()tETT3.利用固定点法对热电偶进行定标这是利用几种合适的纯物质在一定气压下（一般是标准大气压），将这些纯物质的沸点和熔点温度作为已知温度，测出热电偶在这些温度下的对应的电动势，从而得到热电势，从而得到℃热电势-温度关系曲线，这就是所求的校准曲线。1.提问抽查学生预习情况2.讲解实验主要内容及注意事项3.实物讲解介绍仪器设备及注意事项4.通过辅导或提示帮助学生解决实验中遇到的困难和障碍作业、讨论题、思考题：1.保温杯内的冰水混合物的温度是否处处为0℃？2.热电偶温度计有什么特点？3．用逐差法就出定标曲线的温差系数。课后小结：大学物理实验要求培养同学们的动手能力、主动思考问题、解决问题等方面的各种能力，为了充分发挥他们的能力，在预习实验的基础上，讲解基本基础，让学生自主的进行实验，老师适当的指导。学生的动手能力个有不同，应该因材施教，针对不同的学生，适当加深实验的难度。辅导学生实验过程中，应最大限度地发挥学生自己解决问题的能力，根据不同的情况，可以选择“指出错误”、“提示”、“亲手辅导”三种形式。热电偶定标实验热电偶在现实生活中的应用及其优势：在现代工业自动控制系统中，温度控制是经常遇到的工作，对温度的自动控制有许多种方法。在实际应用中，热电偶的重要应用是测量温度，它是把非电学量（温度）转化成电学量（电动势）来测量的一个实际例子。用热电偶测温具有许多优点，如测温范围宽（-200～2000℃）、测量灵敏度和准确度较高、结构简单不易损坏等。此外由于热电偶的热容量小，受热点也可做得很小，因而对温度变化响应快，对测量对象的状态影响小，可以用于温度场的实时测量和监控。热电偶在冶金、化工生产中用于高、低温的测量；在科学研究、自动控制过程中作为温度传感器，具有非常广泛的应用。在大学物理实验中，热电偶温度计的定标是一个传统实验，该实验要求学生找出热电偶的温差电动势与冷热端温差之间的关系，并给出温差电动势与冷热端温差之间的关系曲线，求出经验方程，从而完成其定标工作，使同学们了解热电偶测温度的基本原理。实验原理1.温差电效应温度是表征热力学系统冷热程度的物理量，温度的数值表示法叫温标。常用的温标有摄氏温标、华氏温标和热力学温标等。温度会使物质的某些物理性质发生改变。一般来讲，任一物质的任一物理性质只要它随温度的改变而发生单调的、显著的变化，都可用它来标志温度，也即制作温度计。常用的温度计有水银温度计、酒精温度计和热电偶温度计等。在物理测量中，经常将非电学量如温度、时间、长度等转换为电学量进行测量，这种方法叫做非电量的电测法。其优点是不仅使测量方便、迅速，而且可提高测量精密度。温差电偶是利用温差电效应制作的测温元件，在温度测量与控制中有广泛的应用。本实验是研究一给定温差电偶的温差电动势与温度的关系。如果用A、B两种不同的金属构成一闭合电路，并使两接点处于不同温度，如图1所示，则电路中将产生温差电动势，并且有温差电流流过，这种现象称为温差电效应。1闭合电路2.热电偶两种不同金属串接在一起，其两端可以和仪器相连进行测温（2）的元件称为温差电偶，也叫热电偶。温差电偶的温差电动势与二接头温度之间的关系比较复杂，ABT0T2热电偶测温但是在较小温差范围内可以近似认为温差电动势TE与温度差0()TT成正比，即0()TETT(1)式中T为热端的温度，0T为冷端的温度，称为温差系数（或称温差电偶常量），单位为V℃1，它表示二接点的温度相差1℃时所产生的电动势，其大小取决于组成温差电偶材料的性质，即00(/)ln(/)ABkenn(2)式中k为玻耳兹曼常量，e为电子电量，0An和0Bn为两种金属单位体积内的自由电子数目。如图3所示，温差电偶与测量仪器有两种连接方式：（a）金属B的两端分别和金属A焊接，测量仪器M插入A线中间；（b）A、B的一端焊接，另一端和测量仪器连接。3温差电偶与测量仪器有两种连接方式在使用温差电偶时，总要将温差电偶接入电势差计或数字电压表，这样除了构成温差电偶的两种金属外，必将有第三种金属接入温差电偶电路中，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，这个闭合电路中的温差电动势总是和只由A、B两种金属组成的温差电偶中的温差电动势一样。温差电偶的测温范围可以从4.2K（-268.95℃）的深低温直至2800℃的高温。必须注意，不同的温差电偶所能测量的温度范围各不相同。3．热电偶的定标热电偶定标的方法有两种：1）比较法即用被校热电偶与一标准组成的热偶去测同一温度，测得一组数据，其中被校热电偶测得的热电势即由标准热电偶所测的热电势所测的热电势所校准，在被校热电偶的使用范围内改变不同的温度、进行逐点校准，就可得到被校热电偶的一条校准曲线。2）固定点法这是利用几种合适的纯物质在一定气压下（一般是标准大气压），将这些纯物质的沸点和熔点温度作为已知温度，测出热电偶在这些温度下的对应的电动势，从而得到热电势，从而得到℃热电势-温度关系曲线，这就是所求的校准曲线。本实验采用固定点法对热电偶进行定标。为了能测量热电动势E中直接得出待测温度T值，必须对所用热电偶测定其热电动势E与温度T的关系，这就是热电偶温度的定标。本实验是做“铜—康铜”热电偶温度计的定标。在测定E～T关系时，采用摄氏温度规定的两个固定点，即溶冰点（0℃）和沸水点(100℃)，再在0～100℃之间取若干温度点，给出0～100℃之间的E～T曲线。热电偶具有结构简单、小巧、热容量小、测温范围宽等优点，因此被广泛应用于生产和科学研究的测温和温度的自动控制中。实验仪器“铜—康铜”热电偶，保温杯，WHT-3导热系数测试仪（可直接用数字电压表或UJ—36直流电位差计）。1．图4是实验装置示意图4实验装置示意图“铜—康铜”热电偶的一个接点（冷端）放在盛有冰水混合物的杜瓦瓶中，使该接点维持在恒定的0℃。另一接点（热端）放在A盘小孔中。升温由它的加热器来实现，当手动加热时，将控制方式置“手动”；当自动加热时，将控制方式置“自动”，由PID设定温度自动控制温度。2．PID控温PID智能温度控制器是一种高性能、高可靠性的智能型调节仪表，广泛应用于机械、化工、陶瓷、轻工、冶金、石化、热处理等行业的温度、流量、压力、液位等的自动控制系统。3．“铜—康铜”热电偶温度为100℃时，其温差电动势约为4.0mV，若精度要求不高，可直接用20mV数字电压表代替UJ—36型携带式直流电位差计。实验内容与步骤1．热电偶的冷端固定于0℃，WHT-3型导热系数测试仪采用电子补偿，使冷端始终保持在0℃。2．测定热电偶当热端处于以下温度值时的热电势1）水的冰点，即0℃，将热电偶的热端放在冰水瓶里。2）常温下水的温度，将热电偶的热端放在盛水烧杯里。3）50.0℃左右，将热电偶的热端放在A盘小孔里，然后PID控温设定在50.0℃，将控制方T11T02A盘热紫铜板温度传感器式置“自动”，加热器将会把铜盘自动加热到50.0℃。4）PID控温分别设定在55.0℃、60.0℃、65.0℃、70.0℃、75.0℃、80.0℃、85.0℃，（由于PID显示温度已经过校准可代替标准水银温度计），测出相应的热电势。3．如果精度要求不高，也可以用电位差计测热电势，WHT-3导热系数测试仪设有外接电位差计插孔，位于“特性测量与分析”的位置。将外接线的一端插入外接电位差计插孔中，另一端的两个接线叉对应接到UJ—36电位差计的“未知”正、负接线柱上。当使用外接电位差计进行测量时，热电偶的冷端应放在冰水瓶中，此时，应检查冰水瓶内的水面是否有冰块。按电位差计使用方法测量热电势E。当T=T0时，E应为零。若仪器指示不为零或超过最小分度一格，应对该仪器进行校准；小于一格时，可记下这个读数，作为零点订正值。实验数据处理及分析1．记录热电偶定标数据序号12345678T(℃)5055606570758085E(mV)2.3132.5082.7142.9213.1273.3353.5453.758E(mV)2.3202.5202.7202.9293.1293.3473.5453.758平均（MV）2.3132.5142.7172.9253.1283.3413.5453.7581.逐差法处理数据7050170500.04075EETT7555275550.04135EETT8060380600.0414EETT8565485650.04165EETT1234(41.29/)4V℃2．作图法y=0.0413x+0.242500.511.522.533.54020406080100T℃E(mV)41.3（/V℃）误差分析：1.为保持热电偶与铜管良好的接触，测量时应在铜管底部滴入几滴硅油，热电偶测温端应插入硅油中，不能悬空，一旦悬空，测量误差非常大；2．除结点外，热电偶丝之间及与铜管之间应保持良好的电绝缘，以免短路而造成测试错误；3．由于整个测量过程时间较长，电位差计校准后仍会发生漂移，所以在每次测量前都应重新校准。