熱電偶仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、熱電偶特性及其應(yīng)用研究一 實(shí)驗(yàn)原理:1. 電位差計(jì)的補(bǔ)償原理要測(cè)量一電源的電動(dòng)勢(shì)，若將電壓表并聯(lián)于電源兩端，如圖2.10.1所示，就有電流i通過(guò)電源內(nèi)部，由于電源有內(nèi)阻r，則在電源內(nèi)部有電壓降,因而表的示值只是電源的端電壓。顯然，只有當(dāng)時(shí)，電源兩端的電壓才等于電動(dòng)勢(shì)。為了能精確測(cè)得電動(dòng)勢(shì)的大小，可采用圖2.10.2所示的線路。其中是電動(dòng)勢(shì)可調(diào)節(jié)的電源。調(diào)節(jié)，使檢流計(jì)指針指零，這就表示回路中兩電源的電動(dòng)勢(shì)、方向相反，大小相等。故數(shù)值上有(2.10.1)這時(shí)我們稱電路得到補(bǔ)償。在補(bǔ)償條件下，如果的數(shù)值已知，則即可求出。據(jù)此原理構(gòu)成的測(cè)量電動(dòng)勢(shì)和電位差的儀器稱為電位差計(jì)。圖2.10.1 測(cè)量電源電動(dòng)

2、勢(shì)的原理圖圖2.10.2 測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償電路2. 實(shí)際電位差計(jì)的工作原理圖 2.10.3 電位差計(jì)工作原理實(shí)際的電位差計(jì)工作原理如圖2.10.3所示，電源e、開(kāi)關(guān)k0、可變電阻、標(biāo)準(zhǔn)電阻r1、r等構(gòu)成工作電流調(diào)節(jié)回路；標(biāo)準(zhǔn)電池es、檢流計(jì)g、開(kāi)關(guān)k1和k2(s)構(gòu)成工作電流校準(zhǔn)回路；待測(cè)電動(dòng)勢(shì)ex、檢流計(jì)g0和開(kāi)關(guān)k1、k2(x)構(gòu)成待測(cè)回路。使用時(shí)，首先使工作電流標(biāo)準(zhǔn)化，即根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)調(diào)節(jié)工作電流i。將開(kāi)關(guān)k2合在s位置，調(diào)節(jié)可變電阻，使得檢流計(jì)指針指零。這時(shí)工作電流i在段的電壓降等于標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)，即(2.10.2)再將開(kāi)關(guān)k2合向x位置，調(diào)節(jié)電阻rx，再次使檢流計(jì)指針指零，此

3、時(shí)有(2.10.3)這里的電流i就是前面經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的工作電流。也就是說(shuō)，在電流標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，在電阻為rx的位置上可以直接標(biāo)出與對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)(電壓)值，這樣就可以直接進(jìn)行電動(dòng)勢(shì)(電壓)的讀數(shù)測(cè)量。3. 溫差電偶的測(cè)溫原理把兩種不同的金屬或不同成分的合金兩端彼此焊接成一閉合回路，如圖2.10.4所示。圖2.10.4 溫差電偶若兩接點(diǎn)保持在不同的溫度t和t0，則回路中產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。溫差電動(dòng)勢(shì)的大小除了和組成熱電偶的材料有關(guān)外，唯一決定于兩接點(diǎn)的溫度函數(shù)的差。一般地講，電動(dòng)勢(shì)和溫差的關(guān)系可以近似地表示成(2.10.4)這里t是熱端溫度，t0是冷端溫度，c稱為溫差系數(shù)，表示溫差相差1時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)，

4、其大小決定于組成電偶的材料。溫差電偶可以用來(lái)測(cè)量溫度。測(cè)量時(shí)，使電偶的冷端溫度t0保持恒定(通常保持在冰點(diǎn))。另一端與待測(cè)物體相接觸，再用電位差計(jì)測(cè)出熱電偶回路中的溫差電動(dòng)勢(shì)，如圖2.10.5所示。只要該電偶的電動(dòng)勢(shì)與溫差間的關(guān)系事先標(biāo)定好，就可以求出待測(cè)溫度，或者根據(jù)有關(guān)的溫差電偶分度表查出相應(yīng)的溫度。圖2.10.5溫差電偶測(cè)溫原理(a) (b)圖 2.10.6 用uj31型電位差計(jì)測(cè)定溫差電動(dòng)勢(shì)的裝置圖二 實(shí)驗(yàn)儀器及使用方法：本實(shí)驗(yàn)用到的實(shí)驗(yàn)儀器有：電位差計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電池、光點(diǎn)檢流計(jì)、穩(wěn)壓電源、溫差電偶、冰筒、水銀溫度計(jì)、燒杯等。1. uj31型電位差計(jì)：uj31型電位差計(jì)是一種測(cè)量低電勢(shì)的電

5、位差計(jì)。它的測(cè)量范圍是：1v至17mv(k0旋至1檔)或10v至170mv(k0旋至10檔)。使用5.76.4v外接工作電源，標(biāo)準(zhǔn)電池和檢流計(jì)均為外接。其面板如圖上圖所示。原理圖2.10.3中各元件與面板上各旋鈕的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：rn被分成rnl(粗調(diào))、rn2(中調(diào))、rn3(細(xì)調(diào))三個(gè)電阻轉(zhuǎn)盤(pán)，以保證迅速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)工作電流；rs是為了適應(yīng)溫度不同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)的變化而設(shè)置的，當(dāng)溫度不同引起標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)r，進(jìn)而調(diào)節(jié)rs兩端的電壓，使工作電流保持不變。rx被分成(1)、(0.1)、(0.001)三個(gè)電阻轉(zhuǎn)盤(pán)，并在轉(zhuǎn)盤(pán)上標(biāo)示出電壓，電位差計(jì)處于補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)可以從三個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)讀出未知電動(dòng)

6、勢(shì)(或電壓)；k1為兩個(gè)按鈕，分別標(biāo)記為“粗”和“細(xì)”，按下“粗”按鈕，有保護(hù)電阻和檢流計(jì)串聯(lián)，按下“細(xì)”按鈕，保護(hù)電阻被短路；k2為標(biāo)準(zhǔn)電池和未知電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換開(kāi)頭。標(biāo)準(zhǔn)電池es、檢流計(jì)g、工作電源e和未知電動(dòng)勢(shì)ex由相應(yīng)的接線柱外接。（1）uj31型電位差計(jì)的使用方法為：1)將k2置于“斷”，k0置于“1”檔(或“10”檔，視被測(cè)量值而定)，分別接上標(biāo)準(zhǔn)電池、檢流計(jì)、工作電源。被測(cè)電動(dòng)勢(shì)(或電壓)接于“未知1”或“未知2”。2)根據(jù)溫度修正公式計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)es的值，調(diào)節(jié)rs的示值與其相等。將k2旋至“標(biāo)準(zhǔn)”檔，按下k1(粗)按鈕，調(diào)節(jié)rn1、rn2、rn3，使檢流計(jì)指針指零，再按下k

7、1(細(xì))按鈕，用rn3精確調(diào)節(jié)至檢流計(jì)指針指零。3)將k2旋至“未知1”(或“未知2”)位置，按下k1(粗)按鈕，調(diào)節(jié)讀數(shù)轉(zhuǎn)盤(pán)、，使檢流計(jì)指針指零，再按k1(細(xì))按鈕，細(xì)調(diào)讀數(shù)轉(zhuǎn)盤(pán)iii使檢流計(jì)指針精確指零。此時(shí)被測(cè)電動(dòng)勢(shì)(或電壓)ex等于讀數(shù)轉(zhuǎn)盤(pán)、上的示值乘以相應(yīng)的倍率之和。（2）電位差計(jì)在實(shí)驗(yàn)中操作測(cè)量范圍是：1v至17mv(k0旋至1檔)或10v至170mv(k0旋至10檔)。實(shí)驗(yàn)中使用外接工作電源，標(biāo)準(zhǔn)電池和檢流計(jì)均為外接。1) 標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)設(shè)置旋鈕rs。鼠標(biāo)左擊增大，鼠標(biāo)右擊減小。2) “x10、x1”檔位開(kāi)關(guān)k0。x10檔時(shí)，測(cè)量電動(dòng)勢(shì)=表盤(pán)讀數(shù)10；x1檔時(shí)，測(cè)量電動(dòng)勢(shì)=表盤(pán)讀

8、數(shù)1；鼠標(biāo)點(diǎn)擊時(shí)，對(duì)x10和x1兩個(gè)檔位進(jìn)行切換。3) rn1的“粗、中、細(xì)”旋鈕。電位差計(jì)校準(zhǔn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)三個(gè)旋鈕控制工作電流，使檢流計(jì)指針指零，此時(shí)電位差計(jì)被校準(zhǔn)。鼠標(biāo)左擊增大，鼠標(biāo)右擊減小。4) 標(biāo)準(zhǔn)電池、未知電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)k2。轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)可分別測(cè)量“未知1”、“未知2”、標(biāo)準(zhǔn)電池接線柱對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。k2置于“斷”時(shí)，電位差計(jì)被斷開(kāi)，不能進(jìn)行測(cè)量。點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，點(diǎn)擊右鍵順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。5) 粗調(diào)、細(xì)調(diào)、短路按鈕。按下“粗”按鈕，有保護(hù)電阻和檢流計(jì)串聯(lián)，電位差計(jì)進(jìn)入粗調(diào)狀態(tài)。按下“細(xì)”按鈕，保護(hù)電阻被短路，電位差計(jì)進(jìn)入細(xì)調(diào)狀態(tài)。短路按鈕按下時(shí)，電位差計(jì)連接的檢流計(jì)被短路。按鈕操作

9、方法如下：點(diǎn)擊鼠標(biāo)按下按鈕，再次點(diǎn)擊松開(kāi)按鈕。6) 1、0.1、0.001電阻轉(zhuǎn)盤(pán)。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)使檢流計(jì)指針精確指零。此時(shí)被測(cè)電動(dòng)勢(shì)等于三個(gè)讀數(shù)轉(zhuǎn)盤(pán)示值乘以相應(yīng)的倍率之和。轉(zhuǎn)動(dòng)0.001轉(zhuǎn)盤(pán)時(shí)，避免使用轉(zhuǎn)盤(pán)的空檔位置。按鈕操作方法如下：鼠標(biāo)左擊增大，鼠標(biāo)右擊減小。7) 外接/市電開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)置于上方時(shí)，使用外接方式；開(kāi)關(guān)置于下方時(shí)，使用市電方式。實(shí)驗(yàn)中使用“市電”方式。點(diǎn)擊鼠標(biāo)切換開(kāi)關(guān)。2. 標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)準(zhǔn)電池是一種汞鎘電池。常用的有h形封閉玻璃管式和單管式兩種。前者只能直立放置，切忌翻蕩。電池的電解液為硫酸鎘溶液，按電解液濃度又分為飽和式和不飽和式兩種。飽和式電動(dòng)勢(shì)最穩(wěn)定，但隨溫度變化比較大。若已知

10、20時(shí)的電動(dòng)勢(shì)為，則溫度為t時(shí)的電動(dòng)勢(shì)可由下式近似得到其中應(yīng)根據(jù)所用的標(biāo)準(zhǔn)電池型號(hào)來(lái)確定。不飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池則不必作溫度修正。實(shí)驗(yàn)中使用飽和標(biāo)準(zhǔn)電池的e20=1.0186v。使用標(biāo)準(zhǔn)電池要注意：(1)遠(yuǎn)離熱源，避免陽(yáng)光直射。(2)正負(fù)極不能接錯(cuò)。通過(guò)或取自標(biāo)準(zhǔn)電池的電流不應(yīng)大于a，決不允許將電池正負(fù)極短路或者用電壓表測(cè)量其電動(dòng)勢(shì)。(3)標(biāo)準(zhǔn)電池是裝有化學(xué)物質(zhì)溶液的玻璃容器，要防止振動(dòng)和碰撞，也不要倒置。3. 檢流計(jì)檢流計(jì)一種用途是平衡指零。電位差計(jì)校準(zhǔn)和測(cè)量未知電壓時(shí)，根據(jù)流過(guò)檢流計(jì)的電流是否為零來(lái)判斷電路是否平衡。檔位旋鈕置于“關(guān)機(jī)”時(shí)，儀器電源關(guān)閉。置于“調(diào)零”位時(shí)，調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕可對(duì)儀器進(jìn)行

11、調(diào)零。置于“1a、3a、10a、30a、100a、300a、1ma”時(shí)，檔位值為滿量程的讀數(shù)值。4. 控溫實(shí)驗(yàn)儀調(diào)節(jié)輸出的加熱電流，接受傳感器反饋的實(shí)際溫度，實(shí)驗(yàn)中與樣品室加熱裝置配套使用。溫度設(shè)置方法如下：輕按“set”按鈕開(kāi)始設(shè)置溫度。此時(shí)輕按“位移”按鈕，改變調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置；輕按“下調(diào)”按鈕，減小焦點(diǎn)處數(shù)字；輕按上調(diào)按鈕時(shí)，增大焦點(diǎn)處數(shù)字。再次輕按“set”按鈕，確認(rèn)溫度設(shè)置完成。溫度設(shè)置范圍為室溫99.9，分辨率：0.1。讀數(shù)溫度為實(shí)際測(cè)量信號(hào)的溫度，當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)置溫度時(shí)，系統(tǒng)降溫；當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)置溫度時(shí)，系統(tǒng)升溫。加熱電流調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)范圍為0.000a1.000a，加熱電流大時(shí)升

12、溫速度快。風(fēng)扇電流開(kāi)關(guān)：置于左側(cè)“開(kāi)”時(shí)，風(fēng)扇打開(kāi)，加熱裝置散熱加快，使得樣品室快速降溫；置于右側(cè)“關(guān)”時(shí)，風(fēng)扇關(guān)閉，加熱裝置散熱減慢。 (1)溫度設(shè)置：鼠標(biāo)點(diǎn)擊“set”按鈕設(shè)置溫度。此時(shí)鼠標(biāo)點(diǎn)擊“位移”按鈕，改變調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置；點(diǎn)擊“下調(diào)”按鈕，減小焦點(diǎn)處數(shù)字；點(diǎn)擊上調(diào)按鈕時(shí)，增大焦點(diǎn)處數(shù)字。再次點(diǎn)擊“set”按鈕，確認(rèn)溫度設(shè)置完成。溫度設(shè)置范圍為室溫99.9，分辨率：0.1。(2)加熱電流調(diào)節(jié)旋鈕：鼠標(biāo)左擊，加熱電流增大；鼠標(biāo)右擊，加熱電流減小。調(diào)節(jié)范圍為0.000a1.000a。(3)風(fēng)扇電流開(kāi)關(guān)：鼠標(biāo)點(diǎn)擊切換開(kāi)關(guān)位置。置于左側(cè)“開(kāi)”時(shí)，風(fēng)扇電流開(kāi)關(guān)打開(kāi)，加熱裝置散熱加快；置于右側(cè)“關(guān)”

13、時(shí)，風(fēng)扇電流開(kāi)關(guān)關(guān)閉，加熱裝置散熱減慢。5. 樣品室以及加熱裝置放置待測(cè)樣品，并可以根據(jù)加熱電流的大小給樣品進(jìn)行加熱；同時(shí)底部裝有風(fēng)扇，當(dāng)風(fēng)扇打開(kāi)時(shí)，可以進(jìn)行散熱。溫差電耦的熱端插入樣品室中，冷端插入杯中。樣品室的加熱電源插口與由控溫儀恒流輸出連接，通過(guò)信號(hào)輸入插口與控溫儀的信號(hào)輸入連接，將樣品室溫度反饋給控溫實(shí)驗(yàn)儀。6. 保溫杯內(nèi)置冰水混合物，熱電偶的其中一端插入冰水混合物中。保溫杯在實(shí)驗(yàn)中操作熱電偶的冷端通過(guò)保溫杯插口插入冰水混合物中。四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：測(cè)銅康銅熱電偶的溫差系數(shù)(1).按圖2.10.6接好電路.根據(jù)室溫求出標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值，按電位差計(jì)的使用方法(參見(jiàn)儀器簡(jiǎn)介)調(diào)節(jié)好電位差計(jì)。

14、(2).加熱杯中的液體，至一定溫度后停止加熱，在讀出水銀溫度計(jì)的讀數(shù)的同時(shí)用電位差計(jì)測(cè)出溫差電動(dòng)勢(shì)的大小。在液體冷卻過(guò)程中，高溫端溫度每降低5，測(cè)量一次溫差電動(dòng)勢(shì)，測(cè)8組以上數(shù)據(jù)。(3).參照數(shù)據(jù)表格，記錄測(cè)量的數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，作出溫差電動(dòng)勢(shì)ex和溫度差的關(guān)系圖線，該熱電偶在此溫度范圍內(nèi)圖線應(yīng)為一直線。圖解法求出直線的斜率，即溫差系數(shù)c?；蛴弥鸩罘?、最小二乘法求溫差系數(shù)?！咀⒁馐马?xiàng)】1.電位差計(jì)的調(diào)節(jié)必須按規(guī)定步驟，線路中極性不可接反。2.實(shí)驗(yàn)操作要謹(jǐn)慎，注意標(biāo)準(zhǔn)電池的接入，正接正，負(fù)接負(fù)，嚴(yán)防兩極短路。五數(shù)據(jù)記錄及處理：標(biāo)準(zhǔn)電池溫度tb() 23.6在該溫度下，校準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)為es(v

15、)=1.0184熱電偶低溫端溫度t0() 0最高溫度端在55.0-90.0之間的熱電偶溫差電動(dòng)勢(shì)。高溫t()90.085.080.075.070.065.060.055.0溫差（t-t0）()90.085.080.075.070.065.060.055.0溫差電動(dòng)勢(shì)ex(mv)3.65933.45593.25273.04902.84572.64242.43912.2358計(jì)算溫差系數(shù)：利用逐差法：序號(hào)1234ex(i)-ex(i+4)/5*4(單位：mv/)0.042480.040670.040680.04066銅康銅絲電偶的溫差系數(shù)c(mv/)=0.04067。六結(jié)論，誤差分析，建議：結(jié)論：銅康銅絲電偶的溫差系數(shù)c(mv/)=0.04067。誤差分析：1. 熱電偶插入被測(cè)介質(zhì)后，由于本身具有熱惰性，因此不能立即指示出被測(cè)氣流的溫度，只有當(dāng)測(cè)量端吸、放熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后才達(dá)到穩(wěn)定的示值。造成系統(tǒng)誤差。2.控溫