热电偶仿真实验报告

热电偶特性及其应用研究

实验原理:

1. 电位差计的补偿原理

要测量一电源的电动势，若将电压表并联于电源两端，如图 2.10.1 所示， 就有电流 I 通过电源内部，由于电源有内阻 r，则在电源内部有电压降

表的示值只是电源的端电压 。显然，只有当 时，电源两端的电 压才等于电动势 。

为了能精确测得电动势的大小，可采用图 2.10.2 所示的线路。其中 是电 动势可调节的电源。 调节 ，使检流计指针指零， 这就表示回路中两电源的电动 势 、 方向相反，大小相等。故数值上有

,因而

(2.10.1)

这时我们称电路得到补偿。 在补偿条件下， 如果 的数值已知， 则 即可求 出。据此原理构成的测量电动势和电位差的仪器称为电位差计。

图 2.10.1 测量电源电动势的原理图图 2.10.2 测量电动势的补偿电路

2. 实际电位差计的工作原理

图 2.10.3 电位差计工作原理 实际的电位差计工作原理如图 2.10.3 所示，电源 E、开关

K0、可变电阻、 标准电阻 R1 、R 等构成工作电流调节回路；标准电池 Es、检流计 G、开

关 K1 和 K2(S) 构成工作电流校准回路； 待测电动势 Ex、检流计 G0 和开关 K1、K2(X) 构成待测回路。 使用时， 首先使工作电流标准化， 即根据标准电池的电动势调节 工作电流 I。将开关 K2 合在 S 位置，调节可变电阻，使得检流计指针指零。这 时工作电流 I 在 段的电压降等于标准电池的电动势，即

(2.10.2)

再将开关 K2 合向 X 位置，调节电阻 Rx ，再次使检流计指针指零，此时有

(2.10.3)

这里的电流 I 就是前面经过标准化的工作电流。也就是说，在电流标准化的 基础上， 在电阻为 Rx 的位置上可以直接标出与 就可以直接进行电动势 (电压 )的读数测量。

对应的电动势 (电压 )值，这样

3. 温差电偶的测温原理 把两种不同的金属或不同成分的合金两端彼此焊接成一闭合回

路，如图

2.10.4 所示。

图 2.10.4 温差电偶

若两接点保持在不同的温度 t 和 t0，则回路中产生温差电动势。 温差电动势 的大小除了和组成热电偶的材料有关外， 唯一决定于两接点的温度函数的差。 一 般地讲，电动势和温差的关系可以近似地表示成

(2.10.4)

这里 t 是热端温度， t0 是冷端温度， c 称为温差系数，表示温差相差 1 ℃时 的温差电动势，其大小决定于组成电偶的材料。

温差电偶可以用来测量温度。测量时，使电偶的冷端温度 t0 保持恒定 (通常 保持在冰点 )。另一端与待测物体相接触，再用电位差计测出热电偶回路中的温 差电动势，如图

2.10.5 所示。只要该电偶的电动势与温差间的关系事先标定好， 就可以求出待测温度，或

者根据有关的温差电偶分度表查出相应的温度。

图 2.10.5 温差电偶测温原理

（a） （b）

图 2.10.6 用 UJ31 型电位差计测定温差电动势的装置图

二． 实验仪器及使用方法： 本实验用到的实验仪器有：电位差计、标准电池、光点检流计、稳压电源、 温差电偶、冰筒、水银温度计、烧杯等。

1. UJ31 型电位差计：

UJ31 型电位差计是一种测量低电势的电位差计。 它的测量范围是：1μV至 17mV（K0 旋至×1档）或 10μV至 170mV（K0 旋至× 10 档）。使用 5.7 —6.4V 外接工作电源，标准电池和检流计均为外接。 其面板如图上图所示。原理图 2.10.3 中各元件与面板上各旋钮的对应关系 为：Rn 被分成 Rnl（粗调 ）、Rn2（中调）、Rn3（细调）三个电阻转盘，

以保证迅速准 确地调节工作电流；

Rs 是为了适应温度不同时标准电池电动势的变化而设置的，当温度不同引 起标准电池电动势变化时，通过调节 R，进而调节 Rs 两端的电压，使工作电流 保持不变。

Rx 被分成Ⅰ（×1）、Ⅱ（×0.1）、Ⅲ（×0.001） 三个电阻转盘，并在转盘上标示出电 压，电位差计处于补偿状态时可以从三个转盘读出未知电动势 （或电压 ）；

K1 为两个按钮，分别标记为“粗”和“细，”按下“粗”按钮，有保护电阻和检流 计串联，按下“细”按钮，保护电阻被短路；

K2 为标准电池和未知电动势转换开头。 标准电池 Es 、检流计 G、工作电源 E 和未知电动势 Ex 由相应的接线柱外 接。 （ 1） UJ31 型电位差计的使用方法为：

1）将 K2 置于“断，”K0 置于“×1”档（或“×10 ”档，视被测量值而定），分别接上 标准电池、检流计、工作电源。被测电动势 （或电压 ）接于“未知1”或“未知2”。

2）根据温度修正公式计算出标准电池的电动势 Es 的值，调节 Rs 的示值与 其相等。将 K2 旋至“标准”档，按下K1（粗）按钮，调节 Rn1 、Rn2 、Rn3，使检 流计指针指零，再按下 K1（ 细）按钮，用 Rn3 精确调节至检流计指针指零。

3）将 K2 旋至“未知1”（或“未知2”）位置，按下 K1（ 粗 ）按钮，调节读数转盘Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ，使检流计指针指零，再按 K1（ 细）按钮，细调读数转盘 III 使检流计指针精 确指零。此时被测电动势 （或电压）Ex 等于读数转盘Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上的示值乘以相应的

倍率之和。

（2）电位差计在实验中操作

测量范围是： 1μV至 17mV（K0 旋至×1档）或 10μV至 170mV（K0 旋至×10 档）。实验中使用外接工作电源，标准电池和检流计均为外接。

1） 标准电池电动势设置旋钮 Rs。鼠标左击增大，鼠标右击减小。 2） “X10 、X1”档位开关K0。X10 档时，测量电动势 =表盘读数×10；X1 档 时，

测量电动势 =表盘读数×1 ；鼠标点击时，对 X10 和 X1 两个档位进 行切换。 3） Rn1 的“粗、中、细”旋钮。电位差计校准时，通过调节三个旋钮控制工 作电流，

使检流计指针指零，此时电位差计被校准。鼠标左击增大，鼠 标右击减小。 4） 标准电池、 未知电动势转换开关 K2 。转动开关可分别测量“未知 1”、“未知

2、”标准电池接线柱对应的电动势。 K2 置于“断”时，电位差计被断开， 不能进行测量。点击鼠标左键，逆时针转动开关， 点击右键顺时针转动。 5） 粗调、细调、短路按钮。按下“粗”按钮，有保护电阻和检流计串联，电 位差计进

入粗调状态。按下“细”按钮，保护电阻被短路，电位差计进入 细调状态。短路按钮按下时，电位差计连接的检流计被短路。 按钮操作方法如下：点击鼠标按下按钮，再次点击松开按钮。 6） ×1、×0.1 、×0.001 电阻转盘。转动转盘使检流计指针精确指零。此时被 测电

动势等于三个读数转盘示值乘以相应的倍率之和。 转动×0.001 转盘 时，避免使用转盘的空档位置。按钮操作方法如下：鼠标左击增大，鼠 标右击减小。 7） 外接 /市电开关。开关置于上方时，使用外接方式；开关置于下方时，使 用市电方

式。实验中使用“市电”方式。点击鼠标切换开关。

2. 标准电池

标准电池是一种汞镉电池。常用的有 H 形封闭玻璃管式和单管式两种。前 者只能直立放置， 切忌翻荡。 电池的电解液为硫酸镉溶液， 按电解液浓度又分为 饱和式和不饱和式两种。饱和式电动势最稳定，但随温度变化比较大。若已知 20 ℃时的电动势为 ，则温度为 t℃时的电动势可由下式近似得到

其中 应根据所用的标准电池型号来确定。不饱和式标准电池则不必作温 度修正。实验中使用饱和标准电池的 E20=1.0186V 。

使用标准电池要注意：

(1) 远离热源，避免阳光直射。 (2)

错。 通过或取自标准电池的电流不应大于

将电池正负极短路或者用电压表测量其电动势。

(3)标准电池是装有化学物质溶液的玻璃容器，要防止振动和碰撞，也不要 倒置。

正负极不能接A ，决不允许

3. 检流计

检流计一种用途是平衡指零。 电位差计校准和测量未知电压时， 根据流过检 流计的电流是否为零来判断电路是否平衡。

档位旋钮置于“关机”时，仪器电源关闭。置于“调零”位时，调节调零旋钮可 对仪器进行调零。置于“1μA、3μA、10μA、30μA、100μA、300μA、1mA”时， 档位值为满量程的读数值。

4. 控温实验仪

调节输出的加热电流， 接受传感器反馈的实际温度， 实验中与样品室加热装 置配套使用。

温度设置方法如下： 轻按“SET”按钮开始设置温度。此时轻按“位移”按钮，改变调节焦点位置； 轻按“下调”按钮，减小焦点处数字；轻按上调按钮时，增大焦点处数字。再次轻 按“SET ”按钮确，认温度设置完成。温度设置范围为室温 ~99.9 ℃，分辨率：0.1℃。

读数温度为实际测量信号的温度， 当实际温度高于设置温度时， 系统降温； 当实际温度低于设置温度时，系统升温。

加热电流调节旋钮调节范围为 0.000A~1.000A ，加热电流大时升温速度快。 风扇电流开关：置于左侧“开”时，风扇打开，加热装置散热加快，使得样品 室快速降温；置于右侧“关”时，风扇关闭，加热装置散热减慢。 (1) 温度设置：

鼠标点击“SET ”按钮设置温度。此时鼠标点击“位移”按钮，改变调节焦点位置； 点击“下调”按钮，减小焦点处数字；点击上调按钮时，增大焦点处数字。再次点 击“SET ”按钮确，认温度设置完成。温度设置范围为室温 ~99.9 ℃，分辨率：0.1℃。

(2) 加热电流调节旋钮：鼠标左击，加热电流增大；鼠标右击，加热电流减小。 调节范围为 0.000A~1.000A 。

(3) 风扇电流开关：鼠标点击切换开关位置。置于左侧“开”时，风扇电流开关打 开，加热装置散热加快；置于右侧“关”时，风扇电流开关关闭，加热装置散热减 慢。

5. 样品室以及加热装置

放置待测样品， 并可以根据加热电流的大小给样品进行加热； 同时底部装有 风扇，当风扇打开时，可以进行散热。温差电耦的热端插入样品室中，冷端插入 杯中。

样品室的加热电源插口与由控温仪恒流输出连接， 通过信号输入插口与控温 仪的信号输入连接，将样品室温度反馈给控温实验仪。 6. 保温杯

内置冰水混合物，热电偶的其中一端插入冰水混合物中。 保温杯在实验中操作 热电偶的冷端通过保温杯插口插入冰水混合物中。 四．实验内容： 测铜—康铜热电偶的温差系数

(1).按图 2.10.6 接好电路 .根据室温求出标准电池电动势的数值， 按电位差计 的

使用方法 (参见仪器简介 )调节好电位差计。

(2).加热杯中的液体，至一定温度后停止加热，在读出水银温度计的读数的 同时用电

位差计测出温差电动势的大小。 在液体冷却过程中， 高温端温度每降低 5℃，测量一次温差电动势，测 8 组以上数据。

(3)

照数据表格，记录测量的数据。根据测量数据，作出温差电动势

. 参Ex

和温度差 的关系图线 ，该热电偶在此温度范围内图线应为一直 线。图解法求出直线的斜率，即温差系数 C。或用逐差法、最小二乘法求温差系 数。 【注意事项】

1. 电位差计的调节必须按规定步骤，线路中极性不可接反。

2. 实验操作要谨慎，注意标准电池的接入， 正接正，负接负，严防两极短路。 五．数据记录及处理： 标准电池温度 Tb(℃) 23.6 在该温度下，校准电池的电动势为 Es(V)=1.0184 热电偶低温端温度 t0(℃) 0

最高温度端在 55.0-90.0 之间的热电偶温差电动势

90.0 85.0 80.0 75.0 70.0 65.0 60.0 55.0 高温 t(℃) 90.0 85.0 80.0 75.0 70.0 65.0 60.0 55.0 温差 (t-t0) (℃) 2.845 2.2 2.439 2.235 温差电 3.659 3.455 3.252 3.049 动势 Ex(mV) 3 9 7 0 7 4 1 8 计算温差系数：

利用逐差法： 序号 1 2 3 4 Ex(i)-0.04248 0.04067 0.04068 0.04066 Ex(i+4)/5*4( 单 位： mv/℃) 铜—康铜丝电偶的温差系数 C(mV/ ℃)=0.04067 六．结论，误差分析，建议： 结论：铜—康铜丝电偶的温差系数 C（mV/ ℃）=0.04067 。 误差分析：

1. 热电偶插入被测介质后，由于本身具有热惰性，因此不能立即指示出被测气 流的温度，

只有当测量端吸、 放热达到动态平衡后才达到稳定的示值。 造成系统 误差。

2.控温试验仪温度已达到设定温度，但电偶高温段还未被加热到指定温度，导致 误差； 3.看指针是否指向中线时的视觉误差导致 Ex 测量不准 4. 测量仪器 （电位差计、检流器 ）的误差。 建议： 1.利用三线对齐法观察检流计是否指零。 2.对检流计机械调零

3. 热电偶在插入被测物质前，设法减小两者温差。

七. 思考题： 怎样用电位差计测量电阻 ?请画出实验线路。

（其中 a、b与c、d分别接入电位差计的未知 1和未知 2） 测量公式：

Rx=R0× （U1/U2）;（ 其中，R0 为已知电阻， U1、U2 为电位差计未知 1、未知 2 的示数 ）