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      熱電偶的制作與標定
      一?  目的


        了解熱電偶溫度計的工作原理,學會焊接鎳鉻—考銅或銅—康銅熱電偶的方法,并學會熱電偶的標定。


      二?  熱電偶溫度計原理、焊接及標定


      1?  熱電偶溫度計工作原理


        測溫用的溫度計大致可以分為下列五類:膨脹式溫度計(如水銀溫度計)、壓力表式溫度計(如充氮氣溫度計)、電阻溫度計(如鉑電阻溫度計),熱電偶溫度計(如鉑銠 10 —鉑熱電偶、鎳鉻—鎳硅熱電偶)、輻射式溫度計(如光學高溫計)。其中熱電偶溫度計由于在測溫中有較高的準確度,所以在工農業生產和科研工作中都廣泛地使用。


        由兩種不同性質地線或合金絲 A 與 B ,連接組成一個閉合回路稱之為熱電偶,如圖 1 所示。 A 、 B 叫做熱電極。如果使兩個接點 1 、 2 處于不同地溫度,回路中就會產生熱電勢 E ,這一現象稱為熱電效應,早在 1821 年由塞貝克( Seebeck )所發現,所以又稱之為塞貝克效應。熱電偶就是基于這一效應來測量溫度的。 


      熱電偶的閉合回路中所產生的熱電勢 E 12 只與熱電偶的兩種材料的性質和兩端的溫度有關,與金屬絲的長度、截面大小無關。當熱電偶材料一定時,則熱電勢 E 12 就只與熱電偶兩端溫度 t 和 t 0 有關,即 E 12 =( t , t 0 )。如果參考端(又稱冷端)的溫度 t 0 保持不變,則兩端之間熱電勢 E 12 的大小就可以用來表示測量端(又稱熱端) 1 的溫度高低。通常將熱電偶的冷端放在裝有冰水共存的保溫瓶中,使其 t 0 恒溫于 0 ℃ 。


      2?  熱電偶的焊接


        熱電偶的測量端與參考端都是由兩種金屬焊接制成的。為減小傳熱誤差和滯后,焊接點宜小,其直徑應不超過兩倍金屬絲的直徑。焊接的方法可以采用點焊、對焊,如圖 2a 和 b 所示。也可以把兩個熱電偶絞纏在一起再焊,稱為絞狀點焊,如圖 2c 所示,但絞纏圈數不宜超過 2-3 圈。 


      熱電偶的兩熱電極要很好地絕緣,以防短路。如果熱電偶地金屬是裸線,通常都要用絕緣管套在導線上進行絕緣,聚乙烯或聚四氟乙烯都是在常溫范圍內采用絕緣管材料。


        熱電極的極性是這樣確定的,測量端失去電子的熱電極為正極,得到電子的熱電極為負極。在熱電勢符號 E AB (t , t 0 ) 中規定列在Shou位的是正極,列在第二位的是負極。如銅—康銅熱電偶,正極是銅,負極是康銅;又始鉑銠 10 —鉑熱電偶,正極是鉑銠合金,負極是純鉑。


      3?  熱電偶溫度計的標定


        由于實驗室使用的熱電偶材料不一定完全符合標準化文件所規定的材料及其化學成分,因此它的熱電性質和允許偏差就不能與統一的熱電偶分度表相一致。為此一般實驗室所使用的熱電偶是屬于非標準化熱電偶,它的分度必須由測溫工作者自己標定。標定熱電偶就是把放置在同一熱源處的標準溫度計與熱電偶反映出來的熱電勢一一對應起來,繪制稱 mv - t 曲線寫成 mv-t 對照表格。


        熱電偶溫度計是以熱電勢的大小來測量某一物體的溫度的,因此熱電偶溫度計總是由熱電偶、電測儀表和連接導線三個部分所組成。其中電測儀表可以采用毫伏計和電位差計,用毫伏計測量熱電勢雖然很方便,但是它的讀數受環境溫度和線路的影響較大,測量準確度不高,不宜用于精密測量中。而用電位差計可避免上述原因而產生的誤差,因此用電位差計測量熱電勢的方法在實驗室和工業生產中得到廣泛的應用。電位差計測量熱電勢的工作原理是:用一個已知的標準電壓與被測電勢相比較,平衡時二者之差值為零,被測電勢就等于已知的標準電壓,這種測量法稱為零值法。


      三?  標定熱電偶溫度計的線路圖


        圖 3 示出熱電偶和連接導線之間與正負極之間線路的連接。實驗室用的手動電位差計采用直流分壓線路,圖 4 示出手動電位差計的原理線路。圖中標準電池 E N ,標準電阻 R N 及檢流計 G 組成的回路都示用來校準工作電流 I 1 的。校準工作電流時將轉換開關 K 接向“標準”位置,然后調整 R S 以改變 I1 的大小,知道 I 1 R N =E N 時,檢流計 G 的指針指零。因為標準電池的電勢 E N 是恒定的, R N 是用錳銅絲繞制的標準電阻,其值也是不變的,所以當檢流計 G 的指針指零時, I 1 就符合規定的標準值,這個操作過程通常稱“工作電流標準化”。因此在使用電位差時,Shou先應進行“工作電流標準化”,即將轉換開關接向“標準”位置,調整 R S ,使檢流計指零。然后將轉換開關接向“測量”位置,調整 B 點位置,使檢流計指針再指在零的位置,此時 B 的位置就指出被測電勢的大小。


        由于標準電池和標準電阻的準確度都很高,加上應用了高靈敏度的檢流計,所以電位差計可以得到較高的測量準確度。 


      四?  實驗步驟


      1?  先將熱電偶材料上的絕緣漆用零號紗紙擦去,然后將端部扭成鉸鏈狀,浸入氯化鉀溶液杯中通電焊接,電壓一般不宜過高,大致在 100 伏左右。焊接電壓的大小可用調壓變壓器來調節,直至出電火花,使兩種金屬材料的端部焊牢并形成一個小圓球。


      2?  將焊接完善的熱電偶接入標定裝置中去(參考圖 3 和圖 4 )。然后將測量端置于恒溫熱源處,此時恒熱源中應插一支標準水銀溫度計,以便讀取恒溫熱源的確切溫度,與此同時應使電位差計的工作電流標準化,然后再將開關 K 接向“測量”位置,以讀取熱電勢的 mv 數值。


      3?  改變恒溫熱源的溫度,并重復實驗步驟 2 的工作,使測量端的溫度從室溫起每隔一定溫度改變一次??偟狞c數Zui好不少于 5 ,將每一次的熱源溫度數值和毫伏數值記錄下來。


      4?  通過熱電偶的分度表計算相應的溫度并計算測量誤差。


      五?  實驗記錄


      使用儀器的型號及量程


      熱電偶采用的金屬材料的名稱及線徑 d : 


      實驗數據記錄及數據處理表


      原始


      數據


      水銀溫度計讀數( 0 C )


      電位差計讀數 (mV)


      計算


      結果


      熱電偶計算溫度( 0 C )


      絕對誤差( 0 C ) 


      六?  實驗報告內容


      1?  實驗記錄


      2?  實驗數據處理


      3?  試討論下列一些問題


      (1)  計算的熱電偶溫度值是否與水銀溫度計讀數一致,如不一致其原因何在?


      (2)  銅—康銅熱電偶和鎳鉻—考銅熱電偶哪一種產生較高的熱電勢。


      七?  參考資料


        熱工測量及儀表 p.22 — 43,p.255 ,南京工學院吳永生等編。 
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