熱電偶仿真實驗報告

1、熱電偶特性及其應(yīng)用研究一 實驗原理:1. 電位差計的補償原理要測量一電源的電動勢，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，只有當時，電源兩端的電壓才等于電動勢。為了能精確測得電動勢的大小，可采用圖2.10.2所示的線路。其中是電動勢可調(diào)節(jié)的電源。調(diào)節(jié)，使檢流計指針指零，這就表示回路中兩電源的電動勢、方向相反，大小相等。故數(shù)值上有(2.10.1)這時我們稱電路得到補償。在補償條件下，如果的數(shù)值已知，則即可求出。據(jù)此原理構(gòu)成的測量電動勢和電位差的儀器稱為電位差計。圖2.10.1 測量電源電動

2、勢的原理圖圖2.10.2 測量電動勢的補償電路2. 實際電位差計的工作原理圖 2.10.3 電位差計工作原理實際的電位差計工作原理如圖2.10.3所示，電源e、開關(guān)k0、可變電阻、標準電阻r1、r等構(gòu)成工作電流調(diào)節(jié)回路；標準電池es、檢流計g、開關(guān)k1和k2(s)構(gòu)成工作電流校準回路；待測電動勢ex、檢流計g0和開關(guān)k1、k2(x)構(gòu)成待測回路。使用時，首先使工作電流標準化，即根據(jù)標準電池的電動勢調(diào)節(jié)工作電流i。將開關(guān)k2合在s位置，調(diào)節(jié)可變電阻，使得檢流計指針指零。這時工作電流i在段的電壓降等于標準電池的電動勢，即(2.10.2)再將開關(guān)k2合向x位置，調(diào)節(jié)電阻rx，再次使檢流計指針指零，此

3、時有(2.10.3)這里的電流i就是前面經(jīng)過標準化的工作電流。也就是說，在電流標準化的基礎(chǔ)上，在電阻為rx的位置上可以直接標出與對應(yīng)的電動勢(電壓)值，這樣就可以直接進行電動勢(電壓)的讀數(shù)測量。3. 溫差電偶的測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 溫差電偶若兩接點保持在不同的溫度t和t0，則回路中產(chǎn)生溫差電動勢。溫差電動勢的大小除了和組成熱電偶的材料有關(guān)外，唯一決定于兩接點的溫度函數(shù)的差。一般地講，電動勢和溫差的關(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時的溫差電動勢，

4、其大小決定于組成電偶的材料。溫差電偶可以用來測量溫度。測量時，使電偶的冷端溫度t0保持恒定(通常保持在冰點)。另一端與待測物體相接觸，再用電位差計測出熱電偶回路中的溫差電動勢，如圖2.10.5所示。只要該電偶的電動勢與溫差間的關(guān)系事先標定好，就可以求出待測溫度，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溫差電偶測溫原理(a) (b)圖 2.10.6 用uj31型電位差計測定溫差電動勢的裝置圖二 實驗儀器及使用方法：本實驗用到的實驗儀器有：電位差計、標準電池、光點檢流計、穩(wěn)壓電源、溫差電偶、冰筒、水銀溫度計、燒杯等。1. uj31型電位差計：uj31型電位差計是一種測量低電勢的電

5、位差計。它的測量范圍是：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，標準電池和檢流計均為外接。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應(yīng)關(guān)系為：rn被分成rnl(粗調(diào))、rn2(中調(diào))、rn3(細調(diào))三個電阻轉(zhuǎn)盤，以保證迅速準確地調(diào)節(jié)工作電流；rs是為了適應(yīng)溫度不同時標準電池電動勢的變化而設(shè)置的，當溫度不同引起標準電池電動勢變化時，通過調(diào)節(jié)r，進而調(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)三個電阻轉(zhuǎn)盤，并在轉(zhuǎn)盤上標示出電壓，電位差計處于補償狀態(tài)時可以從三個轉(zhuǎn)盤讀出未知電動

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

7、1(細)按鈕，用rn3精確調(diào)節(jié)至檢流計指針指零。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、，使檢流計指針指零，再按k1(細)按鈕，細調(diào)讀數(shù)轉(zhuǎn)盤iii使檢流計指針精確指零。此時被測電動勢(或電壓)ex等于讀數(shù)轉(zhuǎn)盤、上的示值乘以相應(yīng)的倍率之和。（2）電位差計在實驗中操作測量范圍是：1v至17mv(k0旋至1檔)或10v至170mv(k0旋至10檔)。實驗中使用外接工作電源，標準電池和檢流計均為外接。1) 標準電池電動勢設(shè)置旋鈕rs。鼠標左擊增大，鼠標右擊減小。2) “x10、x1”檔位開關(guān)k0。x10檔時，測量電動勢=表盤讀數(shù)10；x1檔時，測量電動勢=表盤讀

8、數(shù)1；鼠標點擊時，對x10和x1兩個檔位進行切換。3) rn1的“粗、中、細”旋鈕。電位差計校準時，通過調(diào)節(jié)三個旋鈕控制工作電流，使檢流計指針指零，此時電位差計被校準。鼠標左擊增大，鼠標右擊減小。4) 標準電池、未知電動勢轉(zhuǎn)換開關(guān)k2。轉(zhuǎn)動開關(guān)可分別測量“未知1”、“未知2”、標準電池接線柱對應(yīng)的電動勢。k2置于“斷”時，電位差計被斷開，不能進行測量。點擊鼠標左鍵，逆時針轉(zhuǎn)動開關(guān)，點擊右鍵順時針轉(zhuǎn)動。5) 粗調(diào)、細調(diào)、短路按鈕。按下“粗”按鈕，有保護電阻和檢流計串聯(lián)，電位差計進入粗調(diào)狀態(tài)。按下“細”按鈕，保護電阻被短路，電位差計進入細調(diào)狀態(tài)。短路按鈕按下時，電位差計連接的檢流計被短路。按鈕操作

9、方法如下：點擊鼠標按下按鈕，再次點擊松開按鈕。6) 1、0.1、0.001電阻轉(zhuǎn)盤。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤使檢流計指針精確指零。此時被測電動勢等于三個讀數(shù)轉(zhuǎn)盤示值乘以相應(yīng)的倍率之和。轉(zhuǎn)動0.001轉(zhuǎn)盤時，避免使用轉(zhuǎn)盤的空檔位置。按鈕操作方法如下：鼠標左擊增大，鼠標右擊減小。7) 外接/市電開關(guān)。開關(guān)置于上方時，使用外接方式；開關(guān)置于下方時，使用市電方式。實驗中使用“市電”方式。點擊鼠標切換開關(guān)。2. 標準電池標準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。飽和式電動勢最穩(wěn)定，但隨溫度變化比較大。若已知

10、20時的電動勢為，則溫度為t時的電動勢可由下式近似得到其中應(yīng)根據(jù)所用的標準電池型號來確定。不飽和式標準電池則不必作溫度修正。實驗中使用飽和標準電池的e20=1.0186v。使用標準電池要注意：(1)遠離熱源，避免陽光直射。(2)正負極不能接錯。通過或取自標準電池的電流不應(yīng)大于a，決不允許將電池正負極短路或者用電壓表測量其電動勢。(3)標準電池是裝有化學(xué)物質(zhì)溶液的玻璃容器，要防止振動和碰撞，也不要倒置。3. 檢流計檢流計一種用途是平衡指零。電位差計校準和測量未知電壓時，根據(jù)流過檢流計的電流是否為零來判斷電路是否平衡。檔位旋鈕置于“關(guān)機”時，儀器電源關(guān)閉。置于“調(diào)零”位時，調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕可對儀器進行

11、調(diào)零。置于“1a、3a、10a、30a、100a、300a、1ma”時，檔位值為滿量程的讀數(shù)值。4. 控溫實驗儀調(diào)節(jié)輸出的加熱電流，接受傳感器反饋的實際溫度，實驗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”按鈕開始設(shè)置溫度。此時輕按“位移”按鈕，改變調(diào)節(jié)焦點位置；輕按“下調(diào)”按鈕，減小焦點處數(shù)字；輕按上調(diào)按鈕時，增大焦點處數(shù)字。再次輕按“set”按鈕，確認溫度設(shè)置完成。溫度設(shè)置范圍為室溫99.9，分辨率：0.1。讀數(shù)溫度為實際測量信號的溫度，當實際溫度高于設(shè)置溫度時，系統(tǒng)降溫；當實際溫度低于設(shè)置溫度時，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，加熱電流大時升

12、溫速度快。風(fēng)扇電流開關(guān)：置于左側(cè)“開”時，風(fēng)扇打開，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，風(fēng)扇關(guān)閉，加熱裝置散熱減慢。 (1)溫度設(shè)置：鼠標點擊“set”按鈕設(shè)置溫度。此時鼠標點擊“位移”按鈕，改變調(diào)節(jié)焦點位置；點擊“下調(diào)”按鈕，減小焦點處數(shù)字；點擊上調(diào)按鈕時，增大焦點處數(shù)字。再次點擊“set”按鈕，確認溫度設(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：鼠標左擊，加熱電流增大；鼠標右擊，加熱電流減小。調(diào)節(jié)范圍為0.000a1.000a。(3)風(fēng)扇電流開關(guān)：鼠標點擊切換開關(guān)位置。置于左側(cè)“開”時，風(fēng)扇電流開關(guān)打開，加熱裝置散熱加快；置于右側(cè)“關(guān)”

13、時，風(fēng)扇電流開關(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樣品，并可以根據(jù)加熱電流的大小給樣品進行加熱；同時底部裝有風(fēng)扇，當風(fēng)扇打開時，可以進行散熱。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，通過信號輸入插口與控溫儀的信號輸入連接，將樣品室溫度反饋給控溫實驗儀。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。保溫杯在實驗中操作熱電偶的冷端通過保溫杯插口插入冰水混合物中。四實驗內(nèi)容：測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)室溫求出標準電池電動勢的數(shù)值，按電位差計的使用方法(參見儀器簡介)調(diào)節(jié)好電位差計。

14、(2).加熱杯中的液體，至一定溫度后停止加熱，在讀出水銀溫度計的讀數(shù)的同時用電位差計測出溫差電動勢的大小。在液體冷卻過程中，高溫端溫度每降低5，測量一次溫差電動勢，測8組以上數(shù)據(jù)。(3).參照數(shù)據(jù)表格，記錄測量的數(shù)據(jù)。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，作出溫差電動勢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。或用逐差法、最小二乘法求溫差系數(shù)?！咀⒁馐马棥?.電位差計的調(diào)節(jié)必須按規(guī)定步驟，線路中極性不可接反。2.實驗操作要謹慎，注意標準電池的接入，正接正，負接負，嚴防兩極短路。五數(shù)據(jù)記錄及處理：標準電池溫度tb() 23.6在該溫度下，校準電池的電動勢為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勢。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溫差電動勢ex(mv)3.65933.45593.25273.04902.84572.64242.43912.2358計算溫差系數(shù)：利用逐差法：序號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. 熱電偶插入被測介質(zhì)后，由于本身具有熱惰性，因此不能立即指示出被測氣流的溫度，只有當測量端吸、放熱達到動態(tài)平衡后才達到穩(wěn)定的示值。造成系統(tǒng)誤差。2.控溫