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实验内容及步骤 - 兰州交通大学值得拥有的资料是来自平时学习积累总结的有问题的地方肯定有的还请大家批评指正！物 理 实 验 中 心实验指导书热电偶传感器测温热电偶传感器测温将两种不同金属丝的末端彼此分别焊接在一起(称为结)组成一个回路并使该结点处于不同的温度下则回路中就有电动势存在这种现象称为温差电效应这个电动势称为温差电动势该回路则称为温差电偶或热电偶温差电偶的主要用途是测量温度这是把非电学量(温度)转化为电学量(电动势)进行测量的一个实例用温差电偶测量温度具有许多优点第一是测温范围广选用不同的热电偶可以从-200测到2000；第二是它的测量准确度和灵敏度都比较高可以检测出10-3的微小温度；第三是温差电偶测温端的受热面积和热容量都可做得很小因而对测温对象的热状态影响很小可用来测量很小空间范围内的温度或微小的热量；第四它的滞后效应很小(即响应快)可以测量变化中的温度总之它的这些优点是液体(如水银、酒精)和气体温度计无法比拟的 温差电偶的温差电动势虽主要取决于选用的材料和两个接点的温度但材料中所含的杂质以及加工工艺也有一定的影响因而尽管都是由同样两种材料组成的温差电偶但它们的温差电动势与温度的关系并不完全相同所以对每一支焊好的温差电偶都应先进行分度即定出温差电动势和温度的确定关系然后才能用它去测量温度一、实验目的 1掌握热电偶温度计原理及工作特性 2学会查阅热电偶分度表3观察温差电效应了解热电偶的结构4熟悉CSY仪器的主要结构与工作流程二、实验原理1热电偶的测温原理把两种不同的导体或半导体A、B连接成一闭合回路（接点焊接或熔接）如图1所示如两接点分别处于不同的温度T和T0则回路中就会产生热电动势这种现象称作热电效应同时把这个电路叫做A、B组成的热电偶每根单独导体或半导体称为热电极两个接点一个称工作端或热端另一个叫自由端或冷端常用热电偶有铂铂铑热电偶、铜铁热电偶、铜康铜热电偶等在图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VTVT0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（TT0）和eB（TT0）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 （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 （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 （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有关热电偶回路的基本定律（1）均质导体定律如果只用一种均质导体组成闭合回路则不论其导体是否存在温差回路中均不会产生电流（即不产生电动势）；反之如果回路中出现电流则恰好证明此导体是非均质的本定律是校验热电偶的材料是否均匀一致的重要依据如果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（2）中间导体定律在热电偶测温回路内接入第三种导体时只要第三种导体的两端温度相同则对回路的总热电动势没有影响如图2所示这条基本定律十分重要有了这条基本定律我们就可以在热电偶回路中引入各种显示仪表和连接导线等而且也可以采用各种焊接方法来焊制热电偶只要保证引入的中间导体两端的温度相同就不致影响热电偶回路的热电势（3）中间温度定律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）中间温度定律为制定热电偶的分度表奠定了理论基础根据这一定律只要列出冷端温度为0时的热电势均可按式（4）计算求得这样就可以对热电偶冷端温度进行修正而且这条基本定律也是工业测温中应用补偿导线的理论依据因为只要匹配与热电偶的热电性质相同的补偿导线便可使热电偶的冷端远离热源而不影响热电偶的测量精度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实验测量公式热电偶的热电势E和温度T之间的关系是利用分度表的形式来表达的在制分度表时通常采用热电偶的冷端温度T0=0条件下测得的所以在使用热电偶时只有满足T0=0的条件才能直接使用分度表在实际工况环境中由于冷端温度不是0而是某一温度Tn因此在使用分度表前要对所测电动势进行修正E（TT0）= E（TTn）+ E（TnT0） （5）即： 实际电动势 = 仪表指示值 + 温度修正值式中E为热电偶的电动势T为热电偶的测温端温度T0为热电偶参考端温度为0Tn为热电偶所处的环境温度三、实验仪器CSY传感仪: 温度电压转换表（数字电压表）、差动放大器、加热器、铜一康铜温差电偶、主、副电源、导线若干、铜一康铜温差电偶分度表四、实验内容及步骤1准备工作将F/V表至置2V挡差动放大器增益置最大（顺时针方向旋到底）2差动放大器调零将差动放大器的+、-输入端及地短接输出端接F/V表的输入；开启仪器总电源及右下角15V电源开关调节差动放大器调零旋钮使F/V表显示为零拔掉+、-输入线关闭主副电源3按图3接线检查电路确认无误后通电记录F/V表的读数-测出室温Tn=-查分度表得EAB（TnTo）=-4接上加热器观察F/V表的读数变化待加热温度不再上升时（即F/V表读数稳定约810分钟）记录F/V表的读数-计算EAB（TTn）=F/V显示（1002）=-5计算EAB（TTo）查分度表得测量端温度T=-EAB（TTo）= EAB（TTn）+ EAB（TnTo） 注意：式中T被测量温度；To参考温度；Tn室温6将测试数据填入表1中五、数据记录与处理表1 热电偶传感器测温实验数据室温Tn/室温F/V表读数（mv）加热后F/V表读数（mv）EAB（TnTo）EAB（TTn）EAB（TTo）工作端温度T/六、思考题1用温差电偶测温有哪些优点?2何为温差电偶分度?分度时应注意什么?3使用数字电压表测量时应注意什么?4用已分度好的温差电偶测温度T时若冷端温度不是0 而是10测出的温差电势e3.00mV请说明测得的温度T是多少度?七、注意事项使用直流数字电压表测量时注意要先调零附录：铜-康铜热电偶分度表温度0123456789热 电 动 势 mV-40-30-20-100-0+102030405060708090100110120130140150160170180190200210220230240-1.475-1.121-0.757-0.383-0.0000.0000.3910.7891.1961.6112.0352.4672.9083.3573.8134.2774.7495.2275.7126.2046.7027.2077.7188.2358.7579.2869.82010.36010.90511.450-1.510-1.157-0.794-0.421-0.0390.0390.4300.8301.2371.6532.0782.5112.9533.4023.8594.3244.7965.2755.7616.2546.7537.2587.7698.2878.8109.3399.87410.41410.96011.511-1.544-1.192-0.830-0.458-0.0770.0780.4700.8701.2791.6952.1212.5552.9973.4473.9064.3714.8445.3245.8106.3036.8037.3097.8218.3398.8639.3929.92810.46911.01511.566-1.579-1.228-0.867-0.495-0.1160.1170.5100.9111.3201.7382.1642.5993.0423.4933.9524.4184.8915.3725.8596.3536.8537.3607.8728.3918.9159.4469.98210.52311.07011.622-1.614-1.263-0.903-0.534-0.1540.1560.5490.9511.3611.7802.2072.6433.0873.5383.9984.4654.9395.4205.9086.4036.9037.4117.9248.4438.9689.49910.03610.57811.12811.677-1.648-1.299-0.904-0.571-0.1930.1950.5890.9921.4031.8222.2502.6873.1313.5844.0444.5124.9875.4695.9576.4526.9547.4627.9758.4959.0219.55310.09010.63211.18011.733-1.682-1.334-0.976-0.602-0.2310.2340.6291.0321.4441.8652.2942.7313.1763.6304.0914.5595.0355.5176.0076.5027.0047.5138.0278.5489.0749.60610.14410.68711.23511.788-1.717-1.370-1.013-0.646-0.2690.2730.6691.0731.4861.9072.3372.7753.2213.6764.1374.6075.0835.5666.0566.5527.0557.5648.0798.6009.1279.65910.19810.74111.29011.844-1.751-1.405-1.049-0.683-0.3070.3120.7091.1141.5281.9502.3802.8193.2663.7214.1844.654