温差电效应与应用

1、背景资料背景资料实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理1热电偶与温差电效应热电偶与温差电效应 若将若将a、b两根不同的金属或合金丝的端点互相连接两根不同的金属或合金丝的端点互相连接(接点焊接或熔接接点焊接或熔接)成为一闭合回路，并使两接点处于不成为一闭合回路，并使两接点处于不同温度如图同温度如图1所示，则由于温差电效应，回路中将产生所示，则由于温差电效应，回路中将产生电动势，称为温差电动势。这种闭合回路称为热电偶。电动势，称为温差电动势。这种闭合回路称为热电偶。1t1t图1 接触电势差原理图+ab2t热电偶回路中产生的温差电动势是由佩尔捷电动势和汤姆逊电动势联合组成的热电偶回路中产生

2、的温差电动势是由佩尔捷电动势和汤姆逊电动势联合组成的baabnnttekeln)(12佩尔捷电动势：佩尔捷电动势：在两种金属的结点处，由于电子扩散的结果而产生接触电势差，在两种金属的结点处，由于电子扩散的结果而产生接触电势差，其热端和冷端的总接触电势差为：其热端和冷端的总接触电势差为：21ttbaabdte汤姆逊电动势汤姆逊电动势 ：同一导体的两端温度不同而产生电势差，在热电偶回路中，两种金同一导体的两端温度不同而产生电势差，在热电偶回路中，两种金属总的汤姆逊电动势电势为：属总的汤姆逊电动势电势为： 12121221ln,tftfdtnnttekeettettbabaababab热电偶产生的热

3、电势是由两种导体的总接触电势和总汤姆逊电势所组成，即：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，即： 背景资料背景资料实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理 因此，热电偶回路中温差电动势的大小除了和组成电偶的材料有关，因此，热电偶回路中温差电动势的大小除了和组成电偶的材料有关，还决定于两接触点的温度差，当制作电偶的材料确定后，温差电动势的还决定于两接触点的温度差，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，可表为如下形式常复杂

4、，若取二级近似，可表为如下形式21212ttdttceab2t式中，式中， 为热端温度；为热端温度； 是冷端温度；而是冷端温度；而 、 是电偶常数，它们的是电偶常数，它们的大小仅决定于组成电偶的材料。粗略测量时，可取一级近似大小仅决定于组成电偶的材料。粗略测量时，可取一级近似1tcd12ttceab 称为温差电系数（或电偶常数），它只与两种金属的性质有关，称为温差电系数（或电偶常数），它只与两种金属的性质有关，在数值上等于两接触点温度差为在数值上等于两接触点温度差为1时所产生的温差电动势，单位为时所产生的温差电动势，单位为毫伏毫伏/度。度。 c背景资料背景资料实验仪器实验仪器实验内容实验内容数

5、据处理数据处理2热电偶测温原理和定标热电偶测温原理和定标温差电偶与测量仪器有两种连接方式如图温差电偶与测量仪器有两种连接方式如图2所示。所示。 mab工作端自由端1t2t（a）图2maabb工作端自由端（b）1t2t 参考温度可以是水的三相点（参考温度可以是水的三相点（273.16 k），液氮（），液氮（ln）的沸点）的沸点（77.35 k），或液氦（），或液氦（lhe）的沸点（）的沸点（4.2 k）等。如果热电偶工作端与）等。如果热电偶工作端与参考端的温度不等，则有温差电动势产生。温差电势的大小只与工作端与参考端的温度不等，则有温差电动势产生。温差电势的大小只与工作端与参考端的温差及电极材料

6、有关，与电极的长度，直径无关。用电位差计测参考端的温差及电极材料有关，与电极的长度，直径无关。用电位差计测出电偶回路的电动势，如果该电偶的电动势与温差之间的关系事先已标定出电偶回路的电动势，如果该电偶的电动势与温差之间的关系事先已标定好，根据已知的曲线，就可以得出待测温度。好，根据已知的曲线，就可以得出待测温度。背景资料背景资料实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理为了测定温差电动势，需在闭合回路中接入测量仪表，如图为了测定温差电动势，需在闭合回路中接入测量仪表，如图3所示，这相当于把第三种金属（如电位差计的电阻丝）串入回所示，这相当于把第三种金属（如电位差计的电阻丝）串入回路。理论

7、上可以证明，在路。理论上可以证明，在a、b两种金属之间插入任何一种金两种金属之间插入任何一种金属属c，只要维持它和，只要维持它和a、b的联接点在同一个温度，这个闭合电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由路中的温差电动势总是和由a、b两种金属组成的温差热电偶两种金属组成的温差热电偶中的温差电动势一样。这一性质在实际应用中是很重要的，图中的温差电动势一样。这一性质在实际应用中是很重要的，图3所示为常用的测温线路，即用铜丝所示为常用的测温线路，即用铜丝c将温差电动势接送电位差将温差电动势接送电位差计是常见的用法。计是常见的用法。 注：注：abcc电位差计图31t1t2t背景资料背

8、景资料实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理温差电偶测量温度的优点：温差电偶测量温度的优点： 测量范围广：可以从测量范围广：可以从4.2k(268.950c)的深低温直至的深低温直至28000c的的高温。如液态空气的低温或炼钢炉温高温。如液态空气的低温或炼钢炉温(2000)。 测量精度高：因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量精度高：因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。灵敏度和准确度高灵敏度和准确度高(可达可达103度度)，特别是铂姥，特别是铂姥铂热电偶。铂热电偶。 受热面积和热容量可做得很小，如研究金相变化、小生物体温变化，受热面积和热容量可做得很小，如研

9、究金相变化、小生物体温变化，水银温度计则难于可比。水银温度计则难于可比。 构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。 由于热电偶测温是将温度测量转换为电学量的测量，因而非常适用由于热电偶测温是将温度测量转换为电学量的测量，因而非常适用于自动调温和控温系统。于自动调温和控温系统。背景资料背景资料实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理 定标：定标： 所谓定标就是设法确定温差电势的大小与温度差的对应关所谓定标就

10、是设法确定温差电势的大小与温度差的对应关系。定标方法有二种：一种是固定点法，即利用纯物质在一系。定标方法有二种：一种是固定点法，即利用纯物质在一定的气压下，把它们的熔点或沸点作为已知温度定的气压下，把它们的熔点或沸点作为已知温度(例如，水的例如，水的沸点，标准大气压下为沸点，标准大气压下为100 ；锡的熔点为；锡的熔点为2318；锌；锌的熔点为的熔点为4198)，测出温差电偶在这些温度下对应的电，测出温差电偶在这些温度下对应的电动势，从而得出动势，从而得出 关系曲线。固定点法的优点是标准的关系曲线。固定点法的优点是标准的温度准确、稳定，但合适的纯物质为数不多，可校准的温度温度准确、稳定，但合适

11、的纯物质为数不多，可校准的温度点数较少。点数较少。 另一种是比较法，即利用另一种是比较法，即利用标准电偶与未知电偶测量同一标准电偶与未知电偶测量同一温度，标准电偶的数据既然已知，未知电偶即被校准。此法温度，标准电偶的数据既然已知，未知电偶即被校准。此法简单、迅速，但准确度受标准温差热电偶或温度计准确度的简单、迅速，但准确度受标准温差热电偶或温度计准确度的限制。限制。 te背景资料背景资料实验原理实验原理实验内容实验内容数据处理数据处理 背景资料背景资料实验原理实验原理实验仪器实验仪器数据处理数据处理一、利用实验室给定的仪器设备，采用比较法对由铜康铜组成的一、利用实验室给定的仪器设备，采用比较法

12、对由铜康铜组成的“热热电偶温度计电偶温度计”定标；定标； 二、用定好标的二、用定好标的“热电偶温度计热电偶温度计”测量水沸腾时的温度。测量水沸腾时的温度。 注意事项：注意事项：1、热电偶对温度有很强的敏感性，对于康铜热电偶，温度每改变、热电偶对温度有很强的敏感性，对于康铜热电偶，温度每改变10 ，温差电动势约变化，温差电动势约变化40v，在实际测量时，应使电位差计与，在实际测量时，应使电位差计与待测物体隔开一定距离，以保持与两铜引线相接的仪器的两黄铜接待测物体隔开一定距离，以保持与两铜引线相接的仪器的两黄铜接线柱处的温度相同，可避免两接点因温度有差异而产生附加的温差线柱处的温度相同，可避免两接

13、点因温度有差异而产生附加的温差电动势。电动势。2、在升温过程中，应尽可能慢些，以保证温度计与温差电偶所测的、在升温过程中，应尽可能慢些，以保证温度计与温差电偶所测的温度是相同的。若用电位差计测热电动势、电位差计应跟踪电动势温度是相同的。若用电位差计测热电动势、电位差计应跟踪电动势变化，始终使电位差计指针在平衡点附近，以求电动势读数尽可能变化，始终使电位差计指针在平衡点附近，以求电动势读数尽可能与温度计读数处于相同时刻。与温度计读数处于相同时刻。背景资料背景资料实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容1作图法作图法根据所测量数据，以温差根据所测量数据，以温差 为横坐标，温差电动势为横坐标，温差电动势 为纵坐为纵坐标，在坐标纸上画出定标曲线（即标，在坐标纸上画出定标曲线（即 曲线），并由此求电曲线），并由此求电偶常数偶常数c和水的沸点温度和水的沸点温度t。 tete2最小二乘法最小二乘法根据所测量数据，用最小二乘法求其线性回归方程，由此计根据所测量数据，用最小二乘法求其线性回归方程，由此计算出电偶常数算出电偶常数c及标准差。及标准差。 在热电偶