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| 热电偶的定标 |
| | 一,实验目的
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,了解热电偶定标基本方法.
二,实验仪器
铜――康铜热电偶,YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪,保温杯,数字万用表等.
三,实验原理
1,温差电效应
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.
图1
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(图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,但是在较小温差范围内可以近似认为温差电动势E与温度差成正比,即
(1)
式中t为热端的温度,t为冷端的温度,c称为温差系数(或称温差电偶常量)单位为
℃,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
c =(k/e)ln(n/n) (2)
式中k为玻耳兹曼常量,e为电子电量,n和n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(或者插入B线之间);
(b)A,B的一端焊接,另一端和测量仪器连接.
图3
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分的热电偶去测同一温度,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或熔点温度作为已知温度,测出热电偶在这些温度下对应的电动势,从而得到电动势――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,且连接方法参照图3中的(a)对热电偶进行定标.
实验中的铜――康铜热电偶分为了"热电偶热端"和"热点偶冷端"两部分,它们都是由受热管和两股材料分别为铜和康铜的导线组成,如图4所示,其中,铜导线外部是红色绝缘层,康铜导线外部是黑色绝缘层,且两股导线在受热管中焊接在一起,但和外部的受热管绝缘,受热管的作用只是让其内部的两导线焊接端良好受热.
图4
连接热电偶时,将"热电偶热端"和"热电偶冷端"的"红"接"红","黑"接"黑",以保证形成热电偶,为了测出电压,可将数字万用表接在它们的"红"与"红"之间,或"黑"与"黑"之间,把冷端浸入冰水共存的保温杯中,热端插入加热盘的恒温腔中,如下图5,是其中一种连接方法.
图5
定标时,加热盘可恒温在50――120℃之间.用数字万用表测定出对应点的温差电动势.以电动势为纵轴,以热端温度t为横轴,标出以上各点,连成直线.如图6所示,即为热电偶的定标曲线.有了定标曲线,就可以利用该热电偶测温度了.这时,仍将冷端保持在原来的温度(t=0℃),将热端插入待测物中,测出此时的温差电动势,再由-T图线,查出待测温度.
图6
四,实验内容与步骤
1,测温差电动势
连接好实验装置,将"热电偶热端"置于恒温腔中,将"热电偶冷端"置于保温杯的冰水混合物中,将"温度选择"开关置于"设定温度",调节"设定温度初选"和"设定温度细选",选择加热盘所需的温度(如50℃),按下"加热开关"开始加热,待加热盘温度稳定时,温度可能达不到设定值,可适当调节"设定温度细选"使其温度达到所需的温度(如50.0℃),这时给其设定的温度要高于所需的温度,读出数字万用表中此时的温差电动势.
2,热电偶定标
如步骤1,调节加热盘的温度,使其每次递增10℃(如依次达到60℃,70℃,80℃,90℃,100℃),热电偶冷端不变,测量不同温度下的温差电动势,作出热电偶的-T定标曲线.
3,利用热电偶测温验证-T定标曲线
使恒温腔的温度达到某一值(如75),将冷端置于保温杯中,热端插入恒温腔中,测出此时的温差电动势,由-T定标曲线查出对应的温度值,与恒温腔的实际温度值进行比较,分析误差.
五,数据记录及处理
1,测量出对应温度的温差电动势.
作出热电偶的-T定标曲线
验证-T定标曲线
恒温腔的实际温度/
测出的温差电动势/mv
由曲线查出的对应温度/
误差分析
六,思考题
1,实验中的误差是如何产生的
2,如果实验过程中,热电偶的冷端不在冰水混合物中,而是暴露在空气中 (即室温下),对实验结果有何影响
3,大气压对实验有什么影响 | | | 来源： 时间：2008-9-21 18:47:16 |  |
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