熱電偶溫度計(jì)定標(biāo)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)二 熱電偶溫度計(jì)定標(biāo)
【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?br>1．掌握對(duì)熱電偶溫度計(jì)定標(biāo)的方法；
2．掌握非電量電測方法的基本原理。
【實(shí)驗(yàn)儀器】
保溫杯，燒杯，電熱杯，溫度計(jì)，鎳-銅鎳熱電偶，PZ114A 型直流數(shù)字電壓表，79HW-1
恒溫磁力攪拌器（半導(dǎo)體溫度計(jì)），見圖1。
【實(shí)驗(yàn)原理】
非電量電測方法是利用傳感器把溫度、壓力、光強(qiáng)等非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過測
量電壓、電流等電信號(hào)來獲得這些非電學(xué)量的方法。本實(shí)驗(yàn)中的熱電偶溫度計(jì)就是把溫度
轉(zhuǎn)換成電壓來測量。
當(dāng)一個(gè)金屬棒的兩端分別為不同的溫度t1和t2 時(shí)，由于金屬中電子的熱運(yùn)動(dòng)，在棒的
兩端有一電動(dòng)勢存在，稱為湯姆遜電動(dòng)勢。

圖3                                                             圖4

σ ( t ) 將稱為金屬的湯姆遜系數(shù)，和金屬材料的溫度有關(guān)，所以湯姆遜電動(dòng)勢的大小只與
金屬材料和兩端的溫度有關(guān)。顯然只用一種金屬、只依靠湯姆遜電動(dòng)勢，不能在閉合回路
中建立電流。
將兩種不同的金屬A 和B 焊接成閉合電路，如圖2 所示。且當(dāng)A 和B 兩接點(diǎn)處在不
同溫度狀態(tài)時(shí)，電路中將產(chǎn)生電流，相應(yīng)地有電動(dòng)勢存在。這種電流稱為溫差電流，電動(dòng)
勢包含了兩種金屬的湯姆遜電動(dòng)勢和兩個(gè)兩種金屬接觸點(diǎn)的接觸電動(dòng)勢，其作用的總體效
果稱為溫差電動(dòng)勢。產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢的裝置稱為熱電偶。電動(dòng)勢和電流的方向由組成的熱
電偶的導(dǎo)體材料和冷熱端溫度決定，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)。
如果在金屬A和B之間插入任何一種金屬C，只要維持它和A、B連接點(diǎn)在同一溫度t1或
t2，這個(gè)回路中的溫差電動(dòng)勢就和只有A、B兩種金屬組成的回路中的溫差電動(dòng)勢一樣，不
會(huì)發(fā)生變化。這種性質(zhì)給我們測量溫差電動(dòng)勢提供了條件。如圖3 所示，用金屬C做為導(dǎo)
線連接到電位差計(jì)上，就可以測得A、B兩種金屬組成的熱電偶的溫差電動(dòng)勢。
溫差電動(dòng)勢的大小將隨兩端溫度而變。若用測量儀表測得溫差電動(dòng)勢的數(shù)值，便可測
得相應(yīng)的溫度，所以熱電偶可以做溫度計(jì)使用，叫做熱電偶溫度計(jì)。表1 列出幾種標(biāo)準(zhǔn)化
熱電偶材料的部分特性。
本實(shí)驗(yàn)中的熱電偶一端以t0 = 0 ℃為參考點(diǎn)，當(dāng)另一端的溫度t與t0相差不大時(shí)，溫差電
動(dòng)勢與熱電偶兩端的溫度差近似成線性關(guān)系，為其中比例常數(shù)α稱為溫差電動(dòng)勢率。通過實(shí)驗(yàn)定出α值，即可知道溫度和溫差電動(dòng)勢的對(duì)應(yīng)
關(guān)系。
表1 熱電偶材料的特性

在理論上，溫差電動(dòng)勢等于兩個(gè)端點(diǎn)溫度函數(shù)的差，而溫度函數(shù)的形式比較復(fù)雜，
和兩種金屬的湯姆遜系數(shù)σ (t) 、兩種金屬的接觸電動(dòng)勢有關(guān)。一般情況下，在使用前，需
要對(duì)熱電偶溫度計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)定標(biāo)，即確定兩個(gè)端點(diǎn)溫度和溫差電動(dòng)勢之間一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
如圖4 所示，本實(shí)驗(yàn)對(duì)鎳鉻和銅鎳組成的熱電偶進(jìn)行定標(biāo)，作為熱電偶溫度計(jì)應(yīng)用，用定
標(biāo)后的溫度計(jì)測量液體的溫度，室溫等。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】
1．熱電偶溫度計(jì)定標(biāo)
按圖3 接線，就是要確定溫度變化時(shí)在熱電偶回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢的變化，即兩者之間
的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)以溫度t0 = 0 ℃的冰水混合物為參考點(diǎn)，對(duì)由A、B兩種導(dǎo)體組成的熱
電偶進(jìn)行定標(biāo)。溫差電動(dòng)勢由直流數(shù)字電壓表測量。接點(diǎn)“2”放在盛有冰水混合物的保溫
杯中，使溫度穩(wěn)定在t0 = 0 ℃。接點(diǎn)“1”放在熱杯中加溫直到沸騰（即100 ℃），在附表
1 中記錄該點(diǎn)的溫差電動(dòng)勢。
2．應(yīng)用一
按圖4 接線，將熱電偶熱端放入燒杯中，并置于磁力攪拌器的平臺(tái)上，啟動(dòng)恒溫磁力
攪拌器加溫、攪拌以及配合半導(dǎo)體溫度計(jì)測溫控溫），用水銀溫度計(jì)監(jiān)察。使t 逐漸升高（亦
可采用使t 從高溫逐漸降低的方法），注意在燒杯中適當(dāng)攪拌使溫度均勻，每隔一適當(dāng)?shù)臏?br>度間隔（本實(shí)驗(yàn)約為10 ℃），測量并在附表中記錄溫差電動(dòng)勢數(shù)值，求出此時(shí)的α值。
3．應(yīng)用二
將熱電偶熱端放置室溫狀態(tài)，測定此時(shí)的溫差電動(dòng)勢，記錄在附表2 中，求出此時(shí)的
室溫。
【數(shù)據(jù)處理】
用作圖法處理數(shù)據(jù)，以溫度為橫坐標(biāo)，溫差電動(dòng)勢為縱坐標(biāo)，繪制E ~ t 校正曲線。
【思考題】
1．保溫杯內(nèi)的冰水混合物的溫度是否處處為0 ℃；
2．熱電偶溫度計(jì)有什么特點(diǎn)？
【參考資料】
[1] 趙凱華，陳熙謀，《電磁學(xué)》下冊(cè)，人民教育出版社1980 年
[2] 程守珠，江之永，《普通物理學(xué)》第五版，高等教育出版社1998 年
[3] 謝行怒，康士秀，《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》第二冊(cè)，高等教育出版社2001 年