用電位差計(jì)對(duì)熱電偶標(biāo)定 講義

1、用電位差計(jì)對(duì)熱電偶定標(biāo)一、實(shí)驗(yàn)背景:電位差計(jì)是一種高精度和高靈敏度的比較式電磁測(cè)量?jī)x器。電位差計(jì)利用了 補(bǔ)償原理，其測(cè)量精度可以達(dá)到0.001%，是精密測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的儀器。它 不但可以精確測(cè)定電壓、電動(dòng)勢(shì)、電流和電阻等，還可以用來(lái)校準(zhǔn)電表和直流電 橋等直讀式儀表，在非電參量（如溫度。壓力、位移和速度等）的電測(cè)法中也占 有重要地位。1988年我國(guó)物理學(xué)名詞審定委員會(huì)把電位差計(jì)審定為電勢(shì)差計(jì)（Potentiometer），由于我國(guó)企業(yè)界長(zhǎng)期使用電位差計(jì)這一名稱，故仍沿用這一 名稱。1821年德國(guó)物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩種不同 金屬導(dǎo)線組成閉合回路時(shí)，若在兩接頭維持一溫 差，回路就有電流和電動(dòng)勢(shì)

2、產(chǎn)生。這種現(xiàn)象稱為溫 差電現(xiàn)象，又稱塞貝克效應(yīng)。這兩種不同導(dǎo)體的組 合就稱為熱電偶。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家向 皿上，向圖1熱電偶外觀圖標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并 有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱 電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主 要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶 和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱 電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。二、實(shí)驗(yàn)儀器UE-XDWC-1學(xué)生式電位差計(jì)

3、、電位差計(jì)附件（標(biāo)準(zhǔn)電池、待測(cè)電動(dòng)勢(shì)）、 信號(hào)放大器、數(shù)字萬(wàn)用表、檢流計(jì)、熱電偶、熱敏電阻、pt100。圖2學(xué)生式電位差計(jì)圖4檢流計(jì)圖3電位差計(jì)附件圖6熱電偶圖5信號(hào)放大器圖 7 pt100熱端T1/T2選擇鍵手動(dòng)自動(dòng) 選擇鍵加熱制冷 選擇鍵溫度設(shè)置加熱器電源開(kāi)關(guān)熱端T1/T2選擇鍵手動(dòng)自動(dòng) 選擇鍵加熱制冷 選擇鍵溫度設(shè)置加熱器電源開(kāi)關(guān)Pt100圖8加熱器前視圖圖9加熱器后視圖三、預(yù)習(xí)要點(diǎn)1、電位差計(jì)的工作原理和結(jié)構(gòu)。2、熱電偶測(cè)量溫度的原理及方法。3、用電位差計(jì)測(cè)量溫差電動(dòng)勢(shì)的方案，畫(huà)出原理結(jié)構(gòu)圖，寫(xiě)出簡(jiǎn)要的實(shí)驗(yàn)步驟。4、最小二乘法直線擬合原理。四、實(shí)驗(yàn)原理補(bǔ)償法原理用電壓表測(cè)量直流電路中電

4、源的電動(dòng)勢(shì)時(shí)，總要消耗被測(cè)電動(dòng)勢(shì)的部分能 量，測(cè)得的不是電動(dòng)勢(shì)，而是端電壓，它小于電動(dòng)勢(shì)。要想準(zhǔn)確地測(cè)量電動(dòng)勢(shì)， 可以用補(bǔ)償?shù)霓k法來(lái)解決。補(bǔ)償法的基本思路是另外產(chǎn)生一個(gè)量，與被測(cè)量相比 較，當(dāng)新產(chǎn)生的量與被測(cè)量相同時(shí)，對(duì)新產(chǎn)生的量進(jìn)行測(cè)量，而不影響被測(cè)量原 來(lái)的狀態(tài)。補(bǔ)償法原理如圖10所示，Ex是待測(cè)電動(dòng)勢(shì)，AD是電阻。調(diào)節(jié)B、C，則七 改變，當(dāng)檢流計(jì)G指示為零(即回路電流為零)時(shí)，則Ex UBC(1)此時(shí)Ex與Ubc大小相等，方向相反，稱為電路處于補(bǔ)償狀態(tài)。在補(bǔ)償狀態(tài)下， 如果測(cè)出。時(shí)的值，就可知道Ex，這種測(cè)量方法就稱為補(bǔ)償法，其實(shí)質(zhì)是一種 比較測(cè)量的方法。EX圖10補(bǔ)償法原理箱式電位差計(jì)

5、工作原理箱式直流電位差計(jì)工作原理如圖11所示，其電路可以分為三個(gè)基本回路：工作電流調(diào)節(jié)回路：由開(kāi)關(guān)S工作電源E、補(bǔ)償電阻R、標(biāo)準(zhǔn)電阻 Rn和可調(diào)電阻Rp構(gòu)成，其作用是提供穩(wěn)定的工作電流。調(diào)節(jié)Rp可以改變工作電 流I的大小。標(biāo)準(zhǔn)工作電流回路：由標(biāo)準(zhǔn)電阻Rn、標(biāo)準(zhǔn)電池EN、開(kāi)關(guān)S2和檢流計(jì) G構(gòu)成，其作用是使工作電流I工作在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(即對(duì)電位差計(jì)校準(zhǔn))。合上S1,將S2撥向1端，調(diào)節(jié)使檢流計(jì)指示為零，此時(shí)rn上的電壓降與en相等， 即有 TOC o 1-5 h z I = EN /Rn（2）（3）測(cè)量回路：由待測(cè)電動(dòng)勢(shì)Ex、開(kāi)關(guān)S2、檢流計(jì)G和R的一部分組成。在 工作電流標(biāo)準(zhǔn)化之后，將S2撥向2

6、端，調(diào)節(jié)滑動(dòng)觸頭B的位置，使檢流計(jì)指示 為零。此時(shí)，Rbc的電壓降與Ex相等，而工作電流I并未改變，故有E = U C = IRC（3）將（2）式代入（3）可得E = % - En（4）N由于en、Rn可視為常量，因此R的分度可以轉(zhuǎn)化為電動(dòng)勢(shì)的值標(biāo)在電阻R的刻 度盤(pán)上，直接讀出Ex的數(shù)值。電位差計(jì)的測(cè)量精度從以上的工作原理分析中，我們可以看出，電位差計(jì)是以比較法為基礎(chǔ)，把 待測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞酵瓿傻臏y(cè)量工作。當(dāng)電路處于補(bǔ)償狀 態(tài)時(shí)（即測(cè)量回路中的電流為零），回路既不向待測(cè)電動(dòng)勢(shì)輸入電流，也不讓待 測(cè)電動(dòng)勢(shì)輸出電流，待測(cè)電動(dòng)勢(shì)不因測(cè)量而發(fā)生變化，因而能準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量， 測(cè)量結(jié)果

7、的準(zhǔn)確度依賴于標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)、標(biāo)準(zhǔn)電阻和讀書(shū)盤(pán)的電阻的準(zhǔn)確 度，此外，還與工作電源的穩(wěn)定度和檢流計(jì)的靈敏度相關(guān)。由于標(biāo)準(zhǔn)電池和標(biāo)準(zhǔn)電阻都有較高的準(zhǔn)確度，工作電源也可以做到高穩(wěn)定 度，配以適當(dāng)靈敏度的檢流計(jì)，可以獲得較高的測(cè)量精度UE-XDWC-1學(xué)生式 電位差計(jì)En=1.0186V，Rn=101.86Q，讀書(shū)盤(pán)R的的分辨率為0.1Q，所以該實(shí)驗(yàn) 室儀器的電壓分辨率為1mV。熱電偶熱電偶是用兩種不同金屬（例如銅和康銅）組成的閉合電路，當(dāng)兩個(gè)接觸點(diǎn) 的溫度不同時(shí)，回路中就產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于確定的兩種金屬而言，溫差電動(dòng) 勢(shì)跟兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。溫差電動(dòng)勢(shì)E與冷熱端溫度差，的關(guān)系一般可寫(xiě)成對(duì)于兩

8、種特定金屬，a、p為常數(shù)，且在大多數(shù)情況下P為負(fù)值。如果以e作縱 軸，作橫軸，公式（5）得到一條拋物線。拋物線的頂點(diǎn)（即溫差電動(dòng)勢(shì)具有極 值）對(duì)應(yīng)的溫度），叫該熱電偶的中性溫度。超過(guò)）時(shí)，隨著溫差的增加，溫差 電動(dòng)勢(shì)反而下降。在溫度變化較小的場(chǎng)合下，由于a p，公式（5）可以寫(xiě)成E = a t（6）a稱為熱電偶常數(shù)或溫差系數(shù)，它只與構(gòu)成回路的材料有關(guān)，a反映了熱電偶對(duì) 溫度的敏感程度，其物理意義是該熱電偶在溫差為1C時(shí)得溫差電動(dòng)勢(shì)。銅-康 銅熱電偶 a = 4.25 x 10 -2 mV/Co公認(rèn)如果保持冷端的溫度不變，熱端與被測(cè)物體接觸，溫度12隨被測(cè)物體變化， 測(cè)出此時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)，則可畫(huà)

9、出溫差電動(dòng)勢(shì)與工作溫度12的關(guān)系曲線（通常稱 為校正曲線）。利用此曲線可由溫差電動(dòng)勢(shì)查出對(duì)應(yīng)的熱電偶工作端溫度。電位差計(jì)測(cè)熱電偶溫度曲線電位差計(jì)測(cè)熱電偶溫度曲線裝置示見(jiàn)圖12。pt100插入加熱器中心孔，輸出 信號(hào)作加熱器溫度反饋。熱電偶熱端插入加熱器側(cè)孔，冷端插入容器中置于常溫。 溫差電動(dòng)勢(shì)被放大100倍后，用電位差計(jì)進(jìn)行測(cè)量。圖12實(shí)驗(yàn)裝置示意圖五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、測(cè)量電位差計(jì)附件中的電動(dòng)勢(shì)Ex，測(cè)6次（記錄表格自擬），計(jì)算平均值。2、測(cè)量熱電偶的溫度-電壓曲線。測(cè)量溫度點(diǎn)分別為40C、50C、60C、70C、 80C、90C、100C時(shí)熱電偶的電位差(表格自擬)，用坐標(biāo)紙或excel畫(huà)出熱電

10、 偶的溫度-電壓曲線。3、采用最小二乘法求解a。六、分析問(wèn)題電位差計(jì)的量程跟哪些參數(shù)有關(guān)？如何提高電位差計(jì)的測(cè)量分辨率？采用數(shù)字電壓表能否準(zhǔn)確測(cè)量溫差電動(dòng)勢(shì)？根據(jù)溫度曲線，如何設(shè)計(jì)溫度計(jì)？七、附錄一最小二乘法原理從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)求經(jīng)驗(yàn)方程，稱為方程回歸問(wèn)題。設(shè)已知函數(shù)形式為y = ax + b(1)問(wèn)題歸結(jié)為用實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)確定(1)式中的系數(shù)a和b。它等效于作圖法中的 求直線的截距和斜率。由于自變量只有x 一個(gè)，故稱為一元回歸，亦稱直線擬合。 為了確定a和b的大小，可以在給定x. (i=1n)的情況下，用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出對(duì)應(yīng) 的y. (i=1n)。由于在測(cè)量y.時(shí)不可避免地存在誤差，因此在一般情況下，

11、n組 數(shù)據(jù)(Xj，y. ) (i=1n)中的如何一組均不能完全適合方程(1)。故把n組數(shù)據(jù) 代入方程(1)后，得到n個(gè)剩余方程 TOC o 1-5 h z v = y - (a + bx )(i=1n)(2)根據(jù)最小二乘法原理，未知數(shù)a和b的最可信賴值，就是那些使各剩余誤差 平方和為極小值，即工V 2 = 2 y -(x, + b )L=E (y. -ax b)2 =極小ii ii ii=1i=1i=1使上式為極小的條件是，它對(duì)于a和b德偏導(dǎo)數(shù)都等于零，即V2 =22y, -(a + bx ) = 0(3)i=1i=1i=1i=1富2 V2 = 22yi -(a + bx )x. = 0(i=1i=1(3)、(4)兩式聯(lián)合解得1頂 b項(xiàng)a = _，y 一一，xn i=1n i=1二y1乙 y b = i i n i 1 ：(七)2(5)(6)-1 - 1 (5)(6)LXX= x)2= (x 一 X)2iLYYLXX= x)2= (x 一 X)2iLYYLXY=y 2 一 1(y )2 = (y -亍)2inii= xy 一 1 x y =(x 一樞ii n i( yi 一 y