4.8溫差電偶的定標(biāo)和測量熱電偶的重要應(yīng)用是測量溫度。它是把非電學(xué)量（溫度）轉(zhuǎn)化成電學(xué)量（電動勢）來測量的一個實際例子。熱電偶在冶金、化工生產(chǎn)中用于高、低溫的測量，在科學(xué)研究、自動控制過程中作為溫度傳感器，具有非常廣泛的應(yīng)用。用熱電偶測溫度具有許多優(yōu)點，如測溫范圍寬、測量靈敏度和準(zhǔn)確度較高、結(jié)構(gòu)簡單不易損壞度等。此外由于熱電偶的熱容量小，受熱點也可做得很小，因而對溫度變化響應(yīng)快，對測量對象的狀態(tài)影響小，可以用于溫度場的實時測量和監(jiān)控。【實驗?zāi)康摹?.觀察并了解溫差電現(xiàn)象；2.掌握電位差計的工作原理，學(xué)會使用箱式電位差計；3.通過測量熱電偶的溫差電動勢，作出熱電偶的溫差電動勢與溫度差之間的關(guān)系曲線，能夠運用圖解法求出熱電偶溫差系數(shù)；4.掌握標(biāo)定熱電偶的方法；5.了解校準(zhǔn)熱電偶溫度計的基本方法。【實驗儀器】UJ36型箱式電位差計、熱電偶、光點式或數(shù)字式檢流計、標(biāo)準(zhǔn)電池、直流穩(wěn)壓電源、溫度計、電熱杯、保溫杯。【預(yù)習(xí)要求】1.電位差計是利用什么原理進行測量的?2.使用電位差計測量位置電壓前要進行那些操作?【實驗儀器介紹】1.標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)準(zhǔn)電池是一種作電動勢標(biāo)準(zhǔn)的原電池，分為飽和式（電解液始終是飽和的）和不飽和式兩類。不飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢Et隨溫度變化很小，一般不必作溫度修正，但在恒溫下Et仍有變化，不及飽和式的穩(wěn)定，而且當(dāng)電流通過不飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池后，電解液增濃，長期使用后會失效。飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢較穩(wěn)定，但隨溫度變化比較顯著。本實驗所用的為飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池，該電池在20℃時的電動勢為E20=1.01860V，在偏離20℃時的電動勢可以下式估算：Es（t）=E20-[39.94(t-20)+0.929(t-20)2×10-5-0.0090(t-20)3]×10電池的溫度可由其上所附的溫度計讀出。使用標(biāo)準(zhǔn)電池時需注意正負(fù)極不能接錯，不能短路，不準(zhǔn)用萬用表測其端電壓，不可搖晃、振蕩、倒置，不準(zhǔn)超過容許電流。2.直流復(fù)射式光點檢流計（AC15型）直流復(fù)射式光點檢流計是一種測量微弱電流（10－8~10－11A）的磁電式檢流計，它無指針，靠光標(biāo)讀數(shù)，無固定的零點，一般常用來檢測有無電流或作為零位測量法的“指零”儀表。直流復(fù)射式光點檢流計的使用方法如下：（1）待檢測電流由左下角標(biāo)示的“＋”、“－”兩個接線端接入，一般可不考慮正負(fù)。（2）電流的大小由投射到刻度尺上的光標(biāo)來指示。產(chǎn)生光標(biāo)的電源插口在儀器背面。由于光標(biāo)電源有AC220V和AC6.3V、DC6.3V兩種，所以要注意光標(biāo)電源的選擇開關(guān)應(yīng)和實際相符。（3）測量時，應(yīng)先接通光標(biāo)電源，見到光標(biāo)后，將分流器開關(guān)由“短路”轉(zhuǎn)到“×0.01”檔，觀察光標(biāo)是否指“0”，如果光標(biāo)不在“0”點，應(yīng)使用零點調(diào)節(jié)器和標(biāo)盤微調(diào)器，把光標(biāo)調(diào)在“0”點。如果找不到光標(biāo)，可以將檢流計的分流器開關(guān)置于“直接”處，檢查儀器內(nèi)的小燈泡是否發(fā)光。（4）儀器的偏轉(zhuǎn)線圈并聯(lián)不同的分流電阻，可以得到不同的靈敏度。使用時，應(yīng)從檢流計的最低靈敏度×0.01檔開始測量，如果偏轉(zhuǎn)不大，再逐步提高靈敏度．本實驗中要求靈敏度達到“×1”或“×0.1”。（5）測量中當(dāng)光標(biāo)搖動不停時，要轉(zhuǎn)向短路檔，使線圈作阻尼振動，較快靜止下來。檢流計懸絲所能承受的最大拉力只有零點幾克，所以使用時注意不能振動、傾斜。當(dāng)實驗結(jié)束時，必須將分流器置于短路檔，以防止線圈和懸絲受到機械振動而損壞。3.數(shù)字式靈敏檢流計JRLQJI-2A型數(shù)字式檢流計靈敏度較高，達0.2nA/uV。接通電源后，同樣先用面板右下方的調(diào)零旋鈕調(diào)零。使用時，若有電流通過，便會在顯示器上顯示出所通過電流的極性“＋”或“－”及電流的大小，電流大小由顯示器上的示數(shù)和面板右上方“×1”、“×10”兩指示燈共同決定。如“×100”燈亮，則電流大小為示數(shù)值×100，表示此時通過的電流較大，偏離平衡位置較遠。【實驗原理】1.溫差電動勢的產(chǎn)生原因及規(guī)律兩種不同金屬（如銅和康銅）組成一個閉合回路，當(dāng)兩個接觸點處于不同溫度時，在湯姆孫效應(yīng)和珀耳帖效應(yīng)的共同作用下,接觸點間將產(chǎn)生電動勢，稱為塞貝克電動勢，也稱為溫差電動勢。這種由兩種不同金屬焊接并將接觸點放在不同溫度下的回路稱為溫差電偶(熱電偶)。溫差電偶的溫差電動勢大小由熱端和冷端的溫差決定，其極性熱端為正極，冷端為負(fù)極，其關(guān)系為：（4-8-1）式中Et為溫差電動勢，t1為熱端溫度，t0為冷端溫度，α和β是由構(gòu)成熱電偶的金屬材料決定的常數(shù)。當(dāng)冷熱端溫差不大時，α>>β，上式可簡化為：（4-8-2）故溫差電動勢Et與冷熱端溫差t1-t0成線性關(guān)系。將熱電偶，電勢差計等其他相關(guān)儀器組合在一起便構(gòu)成了熱電偶溫度計。當(dāng)已知冷端溫度，并測出其溫差電動勢后，便可求出熱端溫度：（4-8-3）2.UJ36型箱式電勢差計的原理及使用箱式電勢差計與線式電勢差計都是利用補償法原理，但箱式電勢差計不僅測量方便而且提高了測量精度，適用于科研和生產(chǎn)。圖圖4-8-1簡化原理圖RnEIRSRXGESEXK2K1+_UJ36型箱式電勢差計屬于“定流變阻式”電勢差計，其簡化原理圖如圖4-8-1。圖中E為工作電源；Rn為工作回路的限流電阻；Es為標(biāo)準(zhǔn)電池；Ex為待測電動勢；Rs稱為工作電流調(diào)定電阻，提供一個標(biāo)準(zhǔn)電壓與標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢相互補償，以確定工作電流；Rx稱為測量電阻，提供一個標(biāo)準(zhǔn)電壓與未知電動勢相互補償，從而測出待測電動勢。其具體過程如下：eq\o\ac(○,1)電勢差計的校準(zhǔn)：取，I0表示額定工作電流。根據(jù)補償原理，當(dāng)Rs上的實際電流為額定工作電流I0時，Rs上的實際電壓應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)電池Es相等，導(dǎo)致流過檢流計的電流為零。因此我們通過判斷流過檢流計的電流是否為零來判斷限流電阻Rn是否應(yīng)該調(diào)動。eq\o\ac(○,2)溫差電動勢的測量：將待測電動勢接到未知1或未知2，調(diào)節(jié)Rx使檢流計光斑對準(zhǔn)零刻度線，流過檢流計的電流為零。此時Rx上的電壓Ux=Rx×I0與待測電壓Ex相等，讀出Rx上的電壓即可。UJ36型箱式電勢差計是一種低電勢，雙量程的電勢差計，當(dāng)量程開關(guān)K0指向“×10”檔時最大量程為171mv,當(dāng)量程開關(guān)指向“×1”檔時最大量程為17.1mv。（1）熱電偶兩種不同金屬組成一閉合回路時，若兩個接點A、B處于不同溫度t0和t，則在兩接點A、B間產(chǎn)生電動勢，稱為溫差電動勢，這種現(xiàn)象稱為溫差現(xiàn)象。這樣由兩種不同金屬構(gòu)成的組合，稱為溫差電偶，或熱電偶。熱電偶是一種常用的熱電傳感器，利用它可以測量微小的溫度變化。溫差電動勢ε的大小除和熱電偶材料的性質(zhì)有關(guān)外，另一決定的因素就是兩個接觸點的溫度差(t－t0)。電動勢與溫差的關(guān)系比較復(fù)雜，當(dāng)溫差不大時，取其一級近似可表示為：（4-8-4）式中C為熱電偶常數(shù)（或稱溫差系數(shù)），等于溫差1℃時的電動勢，其大小決定于組成熱電偶的材料。例如，常用的銅-康銅電偶的C值為4.26×10-2mV/K，而鉑銠-鉑電偶的C值為6.43×10-3mV/K。熱電偶可制成溫度計。為此，先將t0固定（例如放在冰水混合物中），用實驗方法確定熱電偶的ε-t關(guān)系，稱為定標(biāo)。定標(biāo)后的熱電偶與電位差計配合可用于測量溫度。與水銀溫度計相比，溫差電偶溫度計具有測量溫度范圍大（－200℃~2000℃），靈敏度和準(zhǔn)確度高，便于實驗遙測和A／D變換等一系列優(yōu)點。GEN圖4-GEN圖4-8-2補償法原理圖由于數(shù)字式電壓表的精度和準(zhǔn)確度都很好，溫差電動勢的測量也可以采用數(shù)字電壓表。測量前，需要把數(shù)字電壓表的兩個接線端連接起來，對數(shù)字電壓表進行調(diào)零。把數(shù)字電壓表的兩個接線端接在溫差電偶的兩個信號輸出端，選擇合適的電壓量程，就可以開始測量。（3）電位差計圖4-8-3電位差計原理圖CBDRABVCDERpAI0GEx電位差計是準(zhǔn)確測量電勢差的儀器，其精度很高。用伏特表測量電動勢Ex時，伏特表讀數(shù)為U＝圖4-8-3電位差計原理圖CBDRABVCDERpAI0GEx如圖4-8-2，如果兩個電動勢相等，則電路中沒有電流通過，I＝0，EN＝EX。如果EN是標(biāo)準(zhǔn)電池，則利用這種互相抵消的方法（補償法）就能準(zhǔn)確地測量被測的電動勢EX，這種方法稱為補償法，電位差計就是基于這種補償原理而設(shè)計的。在實際的電位差計中，EN必須大小可調(diào)，且電壓很穩(wěn)定。電位差計的工作原理如圖4-8-3所示，其中，外接電源E、制流電阻Rp和精密電阻RAB串聯(lián)成一閉合回路，稱為輔助回路。當(dāng)有一恒定的標(biāo)準(zhǔn)電流I0流過電阻RAB時，改變RAB上兩滑動頭C、D的位置就能改變C、D間的電位差VCD的大小。由于測量時應(yīng)保證I0恒定不變，所以在實際的電位差計中都根據(jù)I0的大小把電阻的數(shù)值轉(zhuǎn)換成電壓值，并標(biāo)在儀器上。VCD相當(dāng)于上面的“EN”，測量時把滑動頭C、D兩端的電壓VCD引出與未知電動勢Ex進行比較。eq\o\ac(○,1)校準(zhǔn)為了使RAB中流過的電流是標(biāo)準(zhǔn)電流I0，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢EN的大小，選定C、D間的電阻為RN，使EN＝I0·RN，調(diào)節(jié)RP改變輔助回路中的電流，當(dāng)檢流計指零時，RAB上的電壓恰與補償回路中標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢EN相等。由于EN和RN都準(zhǔn)確地已知，這時輔助回路中的電流就被精確地校準(zhǔn)到所需要的I0值。eq\o\ac(○,2)測量把開關(guān)倒向Ex一邊，只要Ex≤I0RN，總可以滑動C、D到C’、D’使檢流計再度指零。這時，C’、D’間的電壓恰和待測的電動勢Ex相等。設(shè)C’、D’之間的電阻為Rx，可得Ex＝I0·Rx。因I0已被校準(zhǔn)，Ex也就知道了。由于電位差計的實質(zhì)是通過電阻的比較把待測電壓與標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢作比較,此時有因而只要精密電阻RAB做得很均勻準(zhǔn)確、標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢EN準(zhǔn)確穩(wěn)定、檢流計足夠靈敏、電源很穩(wěn)定，其測量準(zhǔn)確度就很高，且測量范圍可做得很廣。但是，在電位差計的測量過程中，工作條件常易發(fā)生變化（如輔助回路電源E不穩(wěn)定，制流電阻RP不穩(wěn)定等。），為保證工作電流標(biāo)準(zhǔn)化，每次測量都必須經(jīng)過校準(zhǔn)和測量兩個基本步驟，且每次要達到補償都要進行細(xì)致的調(diào)節(jié)，所以操作較為麻煩、費時。【實驗內(nèi)容及步驟】（1）對照講義，弄清楚UJ36型電位差計上每一開關(guān)和旋轉(zhuǎn)鈕的作用。（2）將冰杯裝滿冰及冰水，將熱電偶的一端插入冰水中。另一端插入水浴鍋內(nèi)的水中，再把熱、電偶的二個接頭接在UJ36型電位差計的“+”、“-”接線柱上（注意：熱端接正極，冷端接負(fù)極，極性不要搞錯）。（3）轉(zhuǎn)動倍率開關(guān)，使它旋在“×0.2”的位置上，此時就接通了電位差計的工作電源，儀器預(yù)熱3min后，調(diào)節(jié)檢流計電氣調(diào)零旋鈕使檢流計指零。（4）將電鍵開關(guān)扳向“標(biāo)準(zhǔn)”一邊，調(diào)節(jié)面板右上方的工作電流調(diào)節(jié)電阻（即圖4-6-3中的Rp），使檢流計指針為零，此時電位差計的工作電流已校正好，就可以來測量待測電動勢。（5）將電鍵開關(guān)扳向“未知”，并讀下此時水溫t，調(diào)節(jié)步進讀數(shù)盤（此時應(yīng)放置在“0”）和滑線盤使檢流計指零，則（步進盤讀數(shù)+滑線盤讀數(shù)）×0.2即為此溫度下的電動勢（單位為mV）。（6）打開水浴鍋的開關(guān)，旋動加熱按鈕，使兩個指示燈全亮，此時鍋內(nèi)水開始加熱。以后每隔5攝氏度讀下電偶熱端的溫度和相應(yīng)的電動勢，并記入表格內(nèi)（表格自列），至少取10個數(shù)據(jù)。在測試過程中，需要經(jīng)過觀察工作電流，如發(fā)現(xiàn)雙刀雙向開關(guān)K扳到“標(biāo)準(zhǔn)”一邊時，原已校好的檢流計有偏轉(zhuǎn)，應(yīng)及時加以校正。由于溫度的讀取和溫差電動勢的讀取同時進行，故小組中二人分工進行。【數(shù)據(jù)記錄及處理】（1）以電動勢為縱軸，溫差作為橫軸，繪出溫差電動勢~溫度差的關(guān)系圖線，應(yīng)是一條直線。求出直線的斜率就是溫差電動勢率α。（2）在實驗報告上寫出最后結(jié)果。【注意事項】1．所有的接線必須接好不能出現(xiàn)虛接，標(biāo)準(zhǔn)電池和電勢差計的工作電源以及溫差電動勢的正負(fù)極不能接反。2．量程開關(guān)K0在“×1”“×0.2”兩檔中間有一空白檔，此時電勢差計處于斷開狀態(tài)。3．箱式電勢差計必須先粗校（測），再細(xì)校（測），保護檢流計。4．電勢差計的工作電源電動勢必須在要求范圍內(nèi)，如果電壓表指示不準(zhǔn)可將限流電阻Rp調(diào)到中值后調(diào)節(jié)電壓使光斑出現(xiàn)在零刻度線附近。5．電勢