用箱式电势计测量温差电动势

用箱式电势计测量温差电动势

前言：

热电偶的重要应用是测量温度。它是把非电学量（温度）转化成电学量（电动势）来测量的一个实际例子。热电偶在冶金、化工生产中用于高、低温的测量，在科学研究、自动控制过程中作为温度传感器，具有非常广泛的应用。

用热电偶测温具有许多优点，如测温范围宽、测量灵敏度和准确度较高、结构简单不易损坏等。此外由于热电偶的热容量小，受热点也可做得很小，因而对温度变化响应快，对测量对象的状态影响小，可以用于温度场的实时测量和监控。

教学目的：

1. 观察并了解温差电现象。

2. 掌握电势差计的工作原理，学会运用箱式电势差计。

3. 通过测量热电偶的温差电动势，作出热电偶的温差电动势与温度差之间的关系曲线，能够运用图解法求出热电偶温差系数并对热电偶进行定标。

教学重难点：

1. 热电偶的定标(重点) 2. 箱式电势差计的使用（难点）

实验原理:

两种不同金属（如铜和康铜）组成一个闭合回路，当两个接触点处于不同温度时, 在汤姆孙效应和珀耳帖效应的共同作用下 ,接触点间将产生电动势，回路中会出现电流，此现象称为温差电现象，产生的电动势称为塞贝克电动势，也称为温差电动势。这种由两种不同金属焊接并将接触点放在不同温度下的回路称为温差电偶。温差电偶的温差电动势大小由热端和冷端的温差决定，其极性热端为正极，冷端为负极，其关系为：

E t =＝α(t 1-t 0) +

1

β(t 1-t 0) 2+ 2

式中E t 为温差电动势，t 1为热端温度，t 0为冷端温度，α和β是由构成热电偶的金属材料决定的常数。当冷热端温差不大时，α >> β，上式可简化为：

E t =α(t 1-t 0)

故温差电动势E t 与冷热端温差t 1-t 0成线性关系. 比率系数α称为温差电偶的温差系数或称热电动势率．本实验的目的就是通过测量热电偶的温差电动势与温度差之间的关系, 运用图解法求出热电偶温差系数。

将热电偶，电势差计等其他相关仪器组合在一起便构成了热电偶温度计。当已知冷端温度，并测出其温差电动势后，便可求出热端温度：t 1=t 0+

E t

主要实验仪器及电路图

(1)UJ31型箱式电势差计

箱式电势差计与线式电势差计都是利用 补偿法原理，但箱式电势差计不仅测量方便 而且提高了测量精度，适用于科研和生产。 U J31型箱式电势差计属于“定流变阻式”电 势差计，其简化原理图如图。图中E 为工

作电源；R n 为工作回路的限流电阻；E s 为标准电池；E x 为待测电动势；R s 称为工作电流调定电阻，提供一个标准电压与标准电池的电动势相互补偿，以确定工作电流；R x 称为测量电阻，提供一个标准电压与未知电动势相互补偿，从而测出待测电动势。

U J31型箱式电势差计是一种低电势，双量程的电势差计，当量程开关K 0指向“×10”档时最大量程为171mv, 当量程开关指向“×1”档时最大量程为17.1mv 。 （2）直流复射式检流计

与指针式检流计相比，直流复射式检流计以光路系统代替金属指针，从而减少了指针的转动惯量，缩短了测量的反应时间；光点经过多次反射又增加了“光指针”的长度，提高了测量系统的灵敏度。 (3)实验电路图

实验步骤：

本实验的关键在于电势差计的标准化. 其实验步骤主要有以下几步：

1. 按前图接好测试电路，检流计拨“×0.1”档，调光斑“零位”（即机械调零）。 2. 电势差计的标准化：将Rs 旋扭转至1.0186值。将K 0拨至“×1”档， K2拨至“标准”，E 调到6伏左右，点按K 1的“粗”按纽, 调节R n1(粗) 和R n2（中），将检流计光斑对准零刻度线；按K 1的“细”按纽, 调节R n3（细）再次将检流计光斑对准零刻度线。最后将K 2拨至“未知1”，开始测试。

3. 测试热电偶温差电动势。先在杜瓦瓶中放入一定量冷水，并将盖子盖好。读出插入瓶中温度计的示值作为冷端温度T 0。将开水倒入电热杯，盖好盖子，插入其中温度计的示值作为热端温度T 1。按下电势差计上K 1的“粗”“细”按纽, 调节R x1、R x2、R x3使检流计光斑对准零刻度线, 此时立即记下T 1，再记下R x1、R x2、R x3示值之和即为热电偶在该瞬时温差下的温差电动势E T .

数据记录与处理示例：

热电偶温差电动势的定标曲线如图；

热电偶温差电动势的定标曲线图

取△E T ，△(T1- T0) 如图A(58.0，2.336) ，B(34.0 ,1.315)，则热电偶温差系数

α=

E A -E B 2. 336-1. 315

==0. 0425(mV ∙︒C -1)

∆t A -∆t B 58. 0-34. 0

温差电动势的经验方程为：

E t =0. 0425(t 1-t 0)(mV )

实验中应注意的问题和解决办法实验

1．所有的接线必须接好不能出现虚接，标准电池和电势差计的工作电源以及温差电动势的正负极不能接反。

2．量程开关K 0在“×1”“ ×10”两档中间有一空白档，此时电势差计处于断开状态。

3．箱式电势差计必须先粗校（测），再细校（测），保护检流计。

4．电势差计的工作电源电动势必须在要求范围内，如果电压表指示不准可将限流电阻R n 调到中值后调节电压使光斑出现在零刻度线附近。 5．电势差计校准好之后，限流电阻R n 不可再调动。

6．Rx3在100到0之间有一小段没有刻度，当游标的零刻度对准此段时，电势差计断开检流计指零，但并不表示电势差计达到补偿状态，这时不能读取结果。 7．读数时先记热端温度T 1，再记下R x1、R x2、R x3示值之和即为热电偶在该瞬时温差下的温差电动势E T .

8．每测一组数据后，都应再次校准电势差计，实验时应注意提醒和检查。 9．有时在线路，操作都没有错误时，温差电动势的测量结果明显偏大，其原因为杯子上的接线柱上有水蒸气引起的，擦干即可.