“混合法測定金屬比熱容”實驗中溫度測量裝置的改進

摘要 對“混合法測定金屬比熱容”實驗中傳統的溫度測量裝置進行了改進，引入了多種溫度測量的裝置，提高了實驗效果。

關鍵詞:溫度計;熱電偶；集成溫度傳感器

中圖分類號:G642.44文獻標識碼: A 文章編號：1671-489X（2007）04－0026-03

Improvement on Equipment of Temperature Measure in \"Mixing Method Measuring Metal Specific Heat Capacity\"http://Liu Zhihua

Abstract The equipment of the traditional temperature measure in \"the mixing method measuring metal specific heat capacity\" is improved. At the same time， the paper draw into various equipment of temperature measure， increases the effect of experiment， meanwhile provide a new way of thinking for the reform of experiment education.

Key words thermometer; thermal electric couple; integrated temperature sensor.

Author's address Department of Physics， Dezhou University， Dezhou 253023

在大學物理實驗中， 常常遇到溫度的測量問題.隨著對電子技術的深入研究和測溫的需要，各種新型測溫裝置被研制出來。在這種形勢下，傳統的測溫儀器--普通玻璃溫度計日益顯露出不足。而在大學物理實驗中，傳統的測溫儀器還在非常普遍的使用。為適應新形勢的需要，筆者對大學物理實驗中涉及溫度測量有關的實驗內容、方法進行了改進，把溫度測量專門作為一個重要的實驗內容確定下來。以“混合法測定金屬比熱容”實驗項目為例，基本做法是：在該實驗項目中，采用3種不同的測溫裝置、方法，對溫度進行測量：一是利用傳統測溫儀器——普通玻璃溫度計；二是利用熱電偶測溫原理設計測溫實驗步驟，測定溫度；三是利用集成溫度傳感器。通過這一改進，將電子科學、電學知識設計的有關實驗裝置、教學環節前移到傳統實驗教學階段，不僅使學生學習了應掌握的傳統知識，還使學生接觸到了前沿知識領域；嘗試用不同方法解決同一問題，開拓了思路，提高了實驗的興趣和積極性，起到了一舉多得的效果.

1 傳統測溫裝置-普通玻璃溫度計的實驗教學

實驗裝置如圖1所示，其中，A: 普通玻璃溫度計；B：攪拌器；C：量熱器外殼；D：量熱器內杯；E：金屬塊（銅塊）。

該實驗是將具有不同溫度的金屬塊（通常為銅塊）與水進行混合，分別測量混合前8min內每隔1分鐘的溫度，共測8次，混合過程2分鐘內每隔15秒的溫度，共測8次；混合后8分鐘內每隔1分鐘的溫度，共測8次。由此，實驗的全過程共需測量24個有關溫度的測量數據。

圖1 普通玻璃溫度計在“測定金屬比熱容”實驗中的裝置圖

因為傳統的普通玻璃溫度計在實際使用中存在一些問題:①分辨率低(分辨率1℃)、示值偏差大(把幾支溫度計放在同一溫度中，溫度計指示值相差1℃以上);②讀數不方便，學生實驗時要一邊操作一邊讀數，同時也影響學生對實驗現象的觀察與操作;③易損壞，特別是水銀溫度計打破后還會造成汞污染問題;④不能實現溫度量的自動記錄與計算機數據采集；⑤與新形勢下對實驗儀器、實驗方法的需要聯系不足，學生實驗興趣不強。

這些都使實驗受到限制。

2 熱電偶測溫裝置的原理及應用

2.1熱電偶的測溫原理

熱電偶是熱能——電勢能的轉換器，輸出量為熱電勢，可用于溫度的測量.其結構和原理如圖2所示。兩種導體（或半導體）A和B相接觸，接點2置于較高的待測溫度場中，成為熱端（測溫端）；接點1置于較低的待測溫度場中，成為冷端（參考端）。

圖2 熱電偶結構原理圖

在2種金屬的接點處，由于導體內自由電子的密度不同，電子擴散的結果會產生接觸電勢差，其熱端和冷端的總接觸電勢差為△E_AB。另外，單一導體的兩端溫度不同，在導體內部也會產生電勢，稱為溫差電勢。在熱電偶回路中，兩種金屬的總溫差電勢為 熱電偶產生的熱電勢是由兩種導體的總接觸電勢和總溫差電勢所組成.可以證明E_AB(T₂-T₁)， 僅為一個溫度的函數：E_AB(T₂-T₁)=f(T)-c (1)

用實驗方法確定熱電偶熱端溫度與熱電勢差的對應關系曲線，稱為熱電偶的溫度定標。

經過定標后的熱電偶，就可作為一支熱電偶溫度計使用了。

常用的熱電偶主要有銅-康銅熱電偶、鎳鉻-鎳鋁熱電偶和鉑銠-鉑熱電偶3種熱電偶。

2.2 熱電偶在“測定金屬比熱容”實驗中的應用

實驗裝置如圖3所示，其中，A為制作好的熱電偶（此處采用銅-康銅熱電偶）的熱端（可固定在量熱器的內杯底部，也可懸浮于水中）；B為攪拌器；C為量熱器外殼；D為量熱器內杯；E為金屬塊（銅塊）；F為冰水混合物（將熱電偶的冷端進入其中）。

將熱電偶熱端銅導線置于量熱器的水中，作為測溫端；冷端置于冰水混合物中，保證冷端溫度為冰點.測量熱電偶熱電勢差的二次儀表由高靈敏、高精度、低漂移的放大器加上三位半數字電壓表組成，由數字電壓表顯示的mv數即對應待測溫度值。所用數字電壓表包括放大電路的滿量程為20 mv，分辨率為0.01 mv。我們根據讀出的mv數對儀器根據最小二乘法原理進行直線擬合，對熱電偶進行標定，找出熱電勢與溫度對應關系為：

V=0.016T+1.28(2)

為便于學生做實驗，我們將熱電勢與溫度對應關系繪制成銅-康銅熱電偶分度表，見表1.根據分度表即可根據mv數換算成溫度。

圖3 熱電偶在“測定金屬比熱容”實驗中的裝置圖

表1 銅-康銅熱電偶分度表（參考端溫度為0℃）（部分數據）

3 集成溫度傳感器AD590測溫裝置的原理及應用

3.1集成溫度傳感器AD590的測溫原理

由于科學研究、工業和家用電器等方面對測溫和溫控的需要，各種新型的集成溫度傳感器不斷被研制出來，AD590便是其中之一.集成溫度傳感器是由多個參數相同的三極管和電阻組成。該器件的兩引出端當加有某一定直流工作電壓（一般工作電壓可在4.5V-20V范圍內）時，如果該溫度傳感器的溫度升高或降低1℃，那么傳感器的輸出電流增加或減少1 ，它的輸出電流的變化與溫度變化滿足如下線性關系：

I=B#8226;θ+A (3)

其中，I為AD590 的輸出電流，單位цA；θ為攝氏溫度，A為斜率，B為攝氏零度時的電流值，該值恰好與冰點的熱力學溫度273K相對應（實際使用時，應放在冰點溫度時進行確定）。利用 集成溫度傳感器的上述特征，可以制成各種用途的溫度計。在通常實驗時，采取測量取樣電阻 上的電壓求得電流 。把實驗數據用最小二乘法進行直線擬合，求得斜率B，截距A.經最小二乘法擬合得B=1.012цA/℃; A=271.6цA

3.2 在“測定金屬比熱容”實驗中的應用

圖4 集成溫度傳感器 在“測定金屬比熱容”實驗中的裝置圖

圖5 數字電壓表的測量電路

實驗裝置如圖4所示，其中，A為制作好的集成溫度傳感器 的熱端；B為攪拌器；C為量熱器外殼；D為量熱器內杯；E為金屬塊（銅塊）。測量傳感器熱電勢差的二次儀表由四位半數字電壓表組成，在實際的數字電壓表的測量儀器中已經接好電阻為1000歐姆，傳感器加電源電壓為6V，如圖5所示.這樣由數字電壓表顯示的mv數即對應待測溫度值。本儀器的數字電壓表滿量程為2V，分辨率為0.1 mv。

4 討論

4.1在測量“混合法測定金屬比熱容”實驗中，這3種方法均完成了測量溫度的任務。與普通玻璃溫度計相比， 在利用銅-康銅熱電偶測溫時，混合前后只需在規定時間讀取并記錄數字電壓表上的熱電勢值，而無需觀察溫度計的示值變化。熱電偶與普通玻璃溫度計等傳統測溫元器件相比不僅結構簡單、制作方便、測溫范圍廣，而且具有熱容量小、效率高、響應快、靈敏度高等優點，還能直接把溫度轉換成電量，可用于數據采集與室內溫度的自動控制、調溫系統等等。住宅空調冷熱量的測量、計量與收費，也常選用熱電偶作為溫度傳感器。經過幾年物理實驗課教學實驗的實踐，效果良好。

在使用集成溫度傳感器 測溫時，混合前后只需在規定時間讀取數字電壓表上的熱電勢值，而無需觀察溫度計的示值變化，同樣可以達到測量溫度的目的。與普通玻璃溫度計相比， 它具有控溫精度高(溫控在某點時的溫度最大波動范圍)、體積小、無污染、使用方便等優點。另外，它還具有靈敏度高、消除電源波動性的特點，因此可廣泛應用于各種精確度較高的溫度測量。AD590由于靈敏度高、反應時間短，還可作為恒溫控制電路的信號檢測器。

本文列舉的熱電偶、集成溫度傳感器在其他測溫實驗中也有比較好的效果，如測量水的汽化熱、空氣比熱容比的測定等。

4.2通過對大學物理實驗中溫度測量方法的改進，不但改進了實驗的教學內容，擴展了實驗方法，提高了測量的精度，而且通過改進實驗儀器和方法，提出了一種新的實驗教學改革的思路，即將電子、電學知識適當前移，將原本枯燥的教學內容變得新鮮、生活化。學習傳統知識的同時，接觸了科技前沿的新領域，拓展了學生解決問題的思路：解決一類問題，可以使用多種方法。由此，取得了一舉多得的效果。