实验六 温差电偶的定标和测量

实验六温差电偶的定标和测量实验目的1．加深对温差电现象的理解。2．了解校准热电偶温度计的基本方法。实验仪器铜－康铜热电偶，校准用的纯金属（铅、锌、锡）或标准热电偶，待测熔点的金属，杜瓦瓶，电位差计或数字电压表，电炉等。实验原理1．热电偶的测温原理ABTT0图6－1把两种不同的导体或半导体连接成一闭合回路，如图6－1所示。如两接点分别处于不同的温度T和TABTT0图6－1在图6－1所示的热电偶回路中，产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。温差电势是在同一导体的两端因温度的不同而产生的一种热电势，由于材料中高温端的电子能量比低温端的电子能量大，因而从高温端扩散到低温端的电子数比从低温端扩散到高温端的电子数多，结果使高温端失去电子而带正电荷，低温端得到电子而带负电荷，产生一附加的静电场。此静电场阻碍电子从高温端向低温端的扩散，在达到动态平衡时，导体的高温和低温端间有一个电位差VT－VT0，此即温差电势。在热电偶回路中，导体A和B分别有自己的温差电势eA（T，T0）和eB（T，T0）。接触电势的产生原因是两种导体材料的电子密度和逸出功不同。这样，当两种导体接触时，电子在其间扩散的速率就不同，使一种导体因失去电子而带正电荷，另一种导体因得到电子而带负电荷，在其接触面上形成一个静电场，即产生了电位差，这就是接触电势，其数值取决于两种不同导体材料的性质和接点的温度。在热电偶回路中两个接点分别有不同的接触电势eAB（T）,eAB（T0）。由于温差电势和接触电势的影响，在热电偶回路中产生的总热电势可表达为（6－1）它是材料和温度的函数，对确定的热电偶材料，热电势EAB(T,T0)是温度T和T0的函数差（6－2）如果使某接点温度固定（常取水的三相点温度作为T0），则总电势成为温度T的单值函数（4－10－3）这一关系式可通过实验获得。得到后，我们测出热电偶接点处于某未知温度时的EAB值（另一接点温度T0），就可得到此温度值。2．有关热电偶回路的几点结论（1）若组成热电偶回路的两种导体相同，则无论两接点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。（2）如热电偶两接点温度相同，则无论导体由何种材料制成，热电偶回路内的总热电势亦为零。（3）热电偶的热电势只与接点的温度有关，与导体的中间温度分布无关。（4）热电偶在接点温度为T、Ts时的热电势，等于热电偶在接点温度为T、T2和T2、Ts时的热电势的代数和。（5）在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种材料的两端温度相同，第三种导线的引入就不会影响热电偶的热电势，这一性质称中间导体定律。（6）当两接点温度分别是T1和T2时，由导体A、B组成的热电偶的热电势等于AC热电偶和CB热电偶的热电势之和。即（6－4）导体C称标准电极，一般用铂制成，这一性质称标准电极定律。正是由于上述这些性质，才使我们对热电偶的热电势的测量成为可能，在实际使用中我们往往需要在热电偶回路里接入各种仪表（如电位差计、灵敏电流计）、连接导线等。但只要与这些器件相接的各接点的温度保持相同，就不必担心对热电势产生影响，而且也允许用任意的焊接方法来焊制热电偶。需要注意，只有当组成热电偶材料的化学成分和物理状态是均匀的时，才有上述结论成立，如材料的理化性质不均匀（如组分有变化、结构不均匀等），就会引入难以确定的附加电动势而使结果产生较大的误差。3．热电偶的校准在实际测温前，必须知道热电偶的热电势－温度关系曲线，称作校准曲线，以后就可以根据热电偶与未知温度接触时产生的电动势，由曲线查出对应的温度。常用的几种具有标准组分的热电偶（如由含铂90%、铑10%的铂铑丝和纯铂丝组成的铂铑－铂热电偶；由含镍89%、铬9.8%、铁1%、锰0.2%的镍铬丝和含镍94%、铝2%、铁0.5%、硅1%、锰2.5%的镍铝丝组成的镍铬－镍铝热电偶等），它们的校准曲线（或校准数据表）在有关手册中可以查到，不必自己校准，如果实验室自制的热电偶组分并不标准，则校准工作就是不可缺少的了。校准热电偶的方法有两种。（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的气压下（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的对应的电动势，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校准。为此将热电偶的冷端保持在冰水混合物内，其温度在标准大气压下是0℃为了使测量结果较为准确，对于金属的熔点不是在加热的过程中进行测量，而是待金属熔解后，撤去热源使其冷却的过程中确定其凝固点（对金属来说凝固点与熔点完全相同），由于金属在凝结和熔解过程中其温度是不变的，我们可以利用这一特性测定金属的凝固点，为此我们用电位差计（或数字电压表）测定热电势随时间的变化曲线，如图6－2所示。如果在一定的时间（至少几分钟）内，热电动势值基本不变，则该值对应的温度就是所测金属的凝固点。本实验所用的热电偶校准电路如图6－3所示，在热电偶与电位差计的测试端相连时，应注意其正负极性不要接错。tt(min)E(mV)E0BCA0图6－2电位差计铜线杜瓦瓶参考端冰水混合物测温端A图6－3铜线B按图6－3接线，而后对电位差计进行校准，校准完毕再进行测量。标准电池本实验采用饱和标准电池（电解液为饱和硫酸隔溶液）作为标准电动势源。标准电池20℃时的电动势ES（20）=1.0186V，标准电池的电动势随温度相应变化，温度在0℃≤t≤40ES（t）=E20－[39.94（t－20）+0.955（t－20）2+0.0090（t－20）3]×10-6V（4-70）使用标准电池时应注意以下几点：1）根据使用时的室温算出或由表查出当时的电动势值。2）存放地点的温度波动要求，远离热源并避免强光射到标准电池上。3）正负极不能接错、严禁短路。流经电池的电流小于10μA。4）轻拿轻放，不得振荡或倒置。2．将热电偶测温端放入在盛有冰水混合物的杜瓦瓶中，测量0℃3．用电炉加热水，待沸腾后将热电偶放入水中测其热电势。4．用电炉加热专用容器中的纯锡，待锡全部熔化后切断电炉电源，由其自然冷却，将电偶测温端放入熔化的金属中，测定其热电热势—时间关系曲线（一分钟测一个点）。作图确定与锡的凝固点相对应的热电势的值。5．作被校热电偶的校准曲线，以温度为横轴，热电势为纵轴，以所测的四个固定点作热电偶的校准曲线（相邻点间以直线相连。更准确的办法要用到曲线拟合的方法）。6．同法测未知熔点的焊锡的凝固点的热电势，从热电偶的校准曲线上查出焊锡的熔点温度。注意事项1．为了避免热电偶受熔融的金属玷污，故将热电偶测温端置于一端封闭的铜管中，使其与待测金属隔离。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。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．掌握电炉加热时间，当金属全部熔融后，应及时切断电源。否则，会因加热时间过长，温度过高，一方面使金属氧化，也延长了金属冷却所用的时间。4．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。5．每种金属测完后，必须重新升温使金属熔化，取出铜套管，然后切断电源，否则在金属冷却时会收缩而不易