內(nèi)容編輯熱電偶的制作與標(biāo)定
一? 目的
了解熱電偶溫度計(jì)的工作原理，學(xué)會(huì)焊接鎳鉻—考銅或銅—康銅熱電偶的方法，并學(xué)會(huì)熱電偶的標(biāo)定。
二? 熱電偶溫度計(jì)原理、焊接及標(biāo)定
1? 熱電偶溫度計(jì)工作原理
測(cè)溫用的溫度計(jì)大致可以分為下列五類：膨脹式溫度計(jì)（如水銀溫度計(jì)）、壓力表式溫度計(jì)（如充氮?dú)鉁囟扔?jì)）、電阻溫度計(jì)（如鉑電阻溫度計(jì)），熱電偶溫度計(jì)（如鉑銠 10 —鉑熱電偶、鎳鉻—鎳硅熱電偶）、輻射式溫度計(jì)（如光學(xué)高溫計(jì)）。其中熱電偶溫度計(jì)由于在測(cè)溫中有較高的準(zhǔn)確度，所以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研工作中都廣泛地使用。
由兩種不同性質(zhì)地線或合金絲 A 與 B ，連接組成一個(gè)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(gè)接點(diǎn) 1 、 2 處于不同地溫度，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì) E ，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，早在 1821 年由塞貝克（ Seebeck ）所發(fā)現(xiàn)，所以又稱之為塞貝克效應(yīng)。熱電偶就是基于這一效應(yīng)來(lái)測(cè)量溫度的。
熱電偶的閉合回路中所產(chǎn)生的熱電勢(shì) E 12 只與熱電偶的兩種材料的性質(zhì)和兩端的溫度有關(guān)，與金屬絲的長(zhǎng)度、截面大小無(wú)關(guān)。當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，則熱電勢(shì) E 12 就只與熱電偶兩端溫度 t 和 t 0 有關(guān)，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(shì) E 12 的大小就可以用來(lái)表示測(cè)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(cè)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(diǎn)宜小，其直徑應(yīng)不超過(guò)兩倍金屬絲的直徑。焊接的方法可以采用點(diǎn)焊、對(duì)焊，如圖 2a 和 b 所示。也可以把兩個(gè)熱電偶絞纏在一起再焊，稱為絞狀點(diǎn)焊，如圖 2c 所示，但絞纏圈數(shù)不宜超過(guò) 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(dǎo)線上進(jìn)行絕緣，聚乙烯或聚四氟乙烯都是在常溫范圍內(nèi)采用絕緣管材料。
熱電極的極性是這樣確定的，測(cè)量端失去電子的熱電極為正極，得到電子的熱電極為負(fù)極。在熱電勢(shì)符號(hào) E AB (t ， t 0 ) 中規(guī)定列在Shou位的是正極，列在第二位的是負(fù)極。如銅—康銅熱電偶，正極是銅，負(fù)極是康銅；又始鉑銠 10 —鉑熱電偶，正極是鉑銠合金，負(fù)極是純鉑。
3? 熱電偶溫度計(jì)的標(biāo)定
由于實(shí)驗(yàn)室使用的熱電偶材料不一定完全符合標(biāo)準(zhǔn)化文件所規(guī)定的材料及其化學(xué)成分，因此它的熱電性質(zhì)和允許偏差就不能與統(tǒng)一的熱電偶分度表相一致。為此一般實(shí)驗(yàn)室所使用的熱電偶是屬于非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，它的分度必須由測(cè)溫工作者自己標(biāo)定。標(biāo)定熱電偶就是把放置在同一熱源處的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)與熱電偶反映出來(lái)的熱電勢(shì)一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，繪制稱 mv － t 曲線寫成 mv-t 對(duì)照表格。
熱電偶溫度計(jì)是以熱電勢(shì)的大小來(lái)測(cè)量某一物體的溫度的，因此熱電偶溫度計(jì)總是由熱電偶、電測(cè)儀表和連接導(dǎo)線三個(gè)部分所組成。其中電測(cè)儀表可以采用毫伏計(jì)和電位差計(jì)，用毫伏計(jì)測(cè)量熱電勢(shì)雖然很方便，但是它的讀數(shù)受環(huán)境溫度和線路的影響較大，測(cè)量準(zhǔn)確度不高，不宜用于精密測(cè)量中。而用電位差計(jì)可避免上述原因而產(chǎn)生的誤差，因此用電位差計(jì)測(cè)量熱電勢(shì)的方法在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。電位差計(jì)測(cè)量熱電勢(shì)的工作原理是：用一個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)電壓與被測(cè)電勢(shì)相比較，平衡時(shí)二者之差值為零，被測(cè)電勢(shì)就等于已知的標(biāo)準(zhǔn)電壓，這種測(cè)量法稱為零值法。
三? 標(biāo)定熱電偶溫度計(jì)的線路圖
圖 3 示出熱電偶和連接導(dǎo)線之間與正負(fù)極之間線路的連接。實(shí)驗(yàn)室用的手動(dòng)電位差計(jì)采用直流分壓線路，圖 4 示出手動(dòng)電位差計(jì)的原理線路。圖中標(biāo)準(zhǔn)電池 E N ，標(biāo)準(zhǔn)電阻 R N 及檢流計(jì) G 組成的回路都示用來(lái)校準(zhǔn)工作電流 I 1 的。校準(zhǔn)工作電流時(shí)將轉(zhuǎn)換開關(guān) K 接向“標(biāo)準(zhǔn)”位置，然后調(diào)整 R S 以改變 I1 的大小，知道 I 1 R N =E N 時(shí)，檢流計(jì) G 的指針指零。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)電池的電勢(shì) E N 是恒定的， R N 是用錳銅絲繞制的標(biāo)準(zhǔn)電阻，其值也是不變的，所以當(dāng)檢流計(jì) G 的指針指零時(shí)， I 1 就符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，這個(gè)操作過(guò)程通常稱“工作電流標(biāo)準(zhǔn)化”。因此在使用電位差時(shí)，Shou先應(yīng)進(jìn)行“工作電流標(biāo)準(zhǔn)化”，即將轉(zhuǎn)換開關(guān)接向“標(biāo)準(zhǔn)”位置，調(diào)整 R S ，使檢流計(jì)指零。然后將轉(zhuǎn)換開關(guān)接向“測(cè)量”位置，調(diào)整 B 點(diǎn)位置，使檢流計(jì)指針再指在零的位置，此時(shí) B 的位置就指出被測(cè)電勢(shì)的大小。
由于標(biāo)準(zhǔn)電池和標(biāo)準(zhǔn)電阻的準(zhǔn)確度都很高，加上應(yīng)用了高靈敏度的檢流計(jì)，所以電位差計(jì)可以得到較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。
四? 實(shí)驗(yàn)步驟
1? 先將熱電偶材料上的絕緣漆用零號(hào)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(guò)高，大致在 100 伏左右。焊接電壓的大小可用調(diào)壓變壓器來(lái)調(diào)節(jié)，直至出電火花，使兩種金屬材料的端部焊牢并形成一個(gè)小圓球。
2? 將焊接完善的熱電偶接入標(biāo)定裝置中去（參考圖 3 和圖 4 ）。然后將測(cè)量端置于恒溫?zé)嵩刺?，此時(shí)恒熱源中應(yīng)插一支標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)，以便讀取恒溫?zé)嵩吹拇_切溫度，與此同時(shí)應(yīng)使電位差計(jì)的工作電流標(biāo)準(zhǔn)化，然后再將開關(guān) K 接向“測(cè)量”位置，以讀取熱電勢(shì)的 mv 數(shù)值。
3? 改變恒溫?zé)嵩吹臏囟?，并重?fù)實(shí)驗(yàn)步驟 2 的工作，使測(cè)量端的溫度從室溫起每隔一定溫度改變一次?？偟狞c(diǎn)數(shù)Zui好不少于 5 ，將每一次的熱源溫度數(shù)值和毫伏數(shù)值記錄下來(lái)。
4? 通過(guò)熱電偶的分度表計(jì)算相應(yīng)的溫度并計(jì)算測(cè)量誤差。
五? 實(shí)驗(yàn)記錄
使用儀器的型號(hào)及量程
熱電偶采用的金屬材料的名稱及線徑 d ：
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理表
原始
數(shù)據(jù)
水銀溫度計(jì)讀數(shù)（ 0 C ）
電位差計(jì)讀數(shù) (mV)
計(jì)算
結(jié)果
熱電偶計(jì)算溫度（ 0 C ）
絕對(duì)誤差（ 0 C ）
六? 實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容
1? 實(shí)驗(yàn)記錄
2? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
3? 試討論下列一些問(wèn)題
（1） 計(jì)算的熱電偶溫度值是否與水銀溫度計(jì)讀數(shù)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(chǎn)生較高的熱電勢(shì)。
七? 參考資料
熱工測(cè)量及儀表 p.22 — 43，p.255 ，南京工學(xué)院吳永生等編。
了解熱電偶溫度計(jì)的工作原理，學(xué)會(huì)焊接鎳鉻—考銅或銅—康銅熱電偶的方法，并學(xué)會(huì)熱電偶的標(biāo)定。
二? 熱電偶溫度計(jì)原理、焊接及標(biāo)定
1? 熱電偶溫度計(jì)工作原理
測(cè)溫用的溫度計(jì)大致可以分為下列五類：膨脹式溫度計(jì)（如水銀溫度計(jì)）、壓力表式溫度計(jì)（如充氮?dú)鉁囟扔?jì)）、電阻溫度計(jì)（如鉑電阻溫度計(jì)），熱電偶溫度計(jì)（如鉑銠 10 —鉑熱電偶、鎳鉻—鎳硅熱電偶）、輻射式溫度計(jì)（如光學(xué)高溫計(jì)）。其中熱電偶溫度計(jì)由于在測(cè)溫中有較高的準(zhǔn)確度，所以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研工作中都廣泛地使用。
由兩種不同性質(zhì)地線或合金絲 A 與 B ，連接組成一個(gè)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(gè)接點(diǎn) 1 、 2 處于不同地溫度，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì) E ，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，早在 1821 年由塞貝克（ Seebeck ）所發(fā)現(xiàn)，所以又稱之為塞貝克效應(yīng)。熱電偶就是基于這一效應(yīng)來(lái)測(cè)量溫度的。
熱電偶的閉合回路中所產(chǎn)生的熱電勢(shì) E 12 只與熱電偶的兩種材料的性質(zhì)和兩端的溫度有關(guān)，與金屬絲的長(zhǎng)度、截面大小無(wú)關(guān)。當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，則熱電勢(shì) E 12 就只與熱電偶兩端溫度 t 和 t 0 有關(guān)，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(shì) E 12 的大小就可以用來(lái)表示測(cè)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(cè)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(diǎn)宜小，其直徑應(yīng)不超過(guò)兩倍金屬絲的直徑。焊接的方法可以采用點(diǎn)焊、對(duì)焊，如圖 2a 和 b 所示。也可以把兩個(gè)熱電偶絞纏在一起再焊，稱為絞狀點(diǎn)焊，如圖 2c 所示，但絞纏圈數(shù)不宜超過(guò) 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(dǎo)線上進(jìn)行絕緣，聚乙烯或聚四氟乙烯都是在常溫范圍內(nèi)采用絕緣管材料。
熱電極的極性是這樣確定的，測(cè)量端失去電子的熱電極為正極，得到電子的熱電極為負(fù)極。在熱電勢(shì)符號(hào) E AB (t ， t 0 ) 中規(guī)定列在Shou位的是正極，列在第二位的是負(fù)極。如銅—康銅熱電偶，正極是銅，負(fù)極是康銅；又始鉑銠 10 —鉑熱電偶，正極是鉑銠合金，負(fù)極是純鉑。
3? 熱電偶溫度計(jì)的標(biāo)定
由于實(shí)驗(yàn)室使用的熱電偶材料不一定完全符合標(biāo)準(zhǔn)化文件所規(guī)定的材料及其化學(xué)成分，因此它的熱電性質(zhì)和允許偏差就不能與統(tǒng)一的熱電偶分度表相一致。為此一般實(shí)驗(yàn)室所使用的熱電偶是屬于非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，它的分度必須由測(cè)溫工作者自己標(biāo)定。標(biāo)定熱電偶就是把放置在同一熱源處的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)與熱電偶反映出來(lái)的熱電勢(shì)一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，繪制稱 mv － t 曲線寫成 mv-t 對(duì)照表格。
熱電偶溫度計(jì)是以熱電勢(shì)的大小來(lái)測(cè)量某一物體的溫度的，因此熱電偶溫度計(jì)總是由熱電偶、電測(cè)儀表和連接導(dǎo)線三個(gè)部分所組成。其中電測(cè)儀表可以采用毫伏計(jì)和電位差計(jì)，用毫伏計(jì)測(cè)量熱電勢(shì)雖然很方便，但是它的讀數(shù)受環(huán)境溫度和線路的影響較大，測(cè)量準(zhǔn)確度不高，不宜用于精密測(cè)量中。而用電位差計(jì)可避免上述原因而產(chǎn)生的誤差，因此用電位差計(jì)測(cè)量熱電勢(shì)的方法在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。電位差計(jì)測(cè)量熱電勢(shì)的工作原理是：用一個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)電壓與被測(cè)電勢(shì)相比較，平衡時(shí)二者之差值為零，被測(cè)電勢(shì)就等于已知的標(biāo)準(zhǔn)電壓，這種測(cè)量法稱為零值法。
三? 標(biāo)定熱電偶溫度計(jì)的線路圖
圖 3 示出熱電偶和連接導(dǎo)線之間與正負(fù)極之間線路的連接。實(shí)驗(yàn)室用的手動(dòng)電位差計(jì)采用直流分壓線路，圖 4 示出手動(dòng)電位差計(jì)的原理線路。圖中標(biāo)準(zhǔn)電池 E N ，標(biāo)準(zhǔn)電阻 R N 及檢流計(jì) G 組成的回路都示用來(lái)校準(zhǔn)工作電流 I 1 的。校準(zhǔn)工作電流時(shí)將轉(zhuǎn)換開關(guān) K 接向“標(biāo)準(zhǔn)”位置，然后調(diào)整 R S 以改變 I1 的大小，知道 I 1 R N =E N 時(shí)，檢流計(jì) G 的指針指零。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)電池的電勢(shì) E N 是恒定的， R N 是用錳銅絲繞制的標(biāo)準(zhǔn)電阻，其值也是不變的，所以當(dāng)檢流計(jì) G 的指針指零時(shí)， I 1 就符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，這個(gè)操作過(guò)程通常稱“工作電流標(biāo)準(zhǔn)化”。因此在使用電位差時(shí)，Shou先應(yīng)進(jìn)行“工作電流標(biāo)準(zhǔn)化”，即將轉(zhuǎn)換開關(guān)接向“標(biāo)準(zhǔn)”位置，調(diào)整 R S ，使檢流計(jì)指零。然后將轉(zhuǎn)換開關(guān)接向“測(cè)量”位置，調(diào)整 B 點(diǎn)位置，使檢流計(jì)指針再指在零的位置，此時(shí) B 的位置就指出被測(cè)電勢(shì)的大小。
由于標(biāo)準(zhǔn)電池和標(biāo)準(zhǔn)電阻的準(zhǔn)確度都很高，加上應(yīng)用了高靈敏度的檢流計(jì)，所以電位差計(jì)可以得到較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。
四? 實(shí)驗(yàn)步驟
1? 先將熱電偶材料上的絕緣漆用零號(hào)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(guò)高，大致在 100 伏左右。焊接電壓的大小可用調(diào)壓變壓器來(lái)調(diào)節(jié)，直至出電火花，使兩種金屬材料的端部焊牢并形成一個(gè)小圓球。
2? 將焊接完善的熱電偶接入標(biāo)定裝置中去（參考圖 3 和圖 4 ）。然后將測(cè)量端置于恒溫?zé)嵩刺?，此時(shí)恒熱源中應(yīng)插一支標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)，以便讀取恒溫?zé)嵩吹拇_切溫度，與此同時(shí)應(yīng)使電位差計(jì)的工作電流標(biāo)準(zhǔn)化，然后再將開關(guān) K 接向“測(cè)量”位置，以讀取熱電勢(shì)的 mv 數(shù)值。
3? 改變恒溫?zé)嵩吹臏囟?，并重?fù)實(shí)驗(yàn)步驟 2 的工作，使測(cè)量端的溫度從室溫起每隔一定溫度改變一次?？偟狞c(diǎn)數(shù)Zui好不少于 5 ，將每一次的熱源溫度數(shù)值和毫伏數(shù)值記錄下來(lái)。
4? 通過(guò)熱電偶的分度表計(jì)算相應(yīng)的溫度并計(jì)算測(cè)量誤差。
五? 實(shí)驗(yàn)記錄
使用儀器的型號(hào)及量程
熱電偶采用的金屬材料的名稱及線徑 d ：
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理表
原始
數(shù)據(jù)
水銀溫度計(jì)讀數(shù)（ 0 C ）
電位差計(jì)讀數(shù) (mV)
計(jì)算
結(jié)果
熱電偶計(jì)算溫度（ 0 C ）
絕對(duì)誤差（ 0 C ）
六? 實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容
1? 實(shí)驗(yàn)記錄
2? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
3? 試討論下列一些問(wèn)題
（1） 計(jì)算的熱電偶溫度值是否與水銀溫度計(jì)讀數(shù)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(chǎn)生較高的熱電勢(shì)。
七? 參考資料
熱工測(cè)量及儀表 p.22 — 43，p.255 ，南京工學(xué)院吳永生等編。
