溫差電偶定標實驗的改進＊

劉建偉 琚愛堂 梁雪峰

(長治學院電子信息與物理系,山西 長治 046011)

1 引言

教學改革過程中越來越倡導教師利用身邊的普通物品做實驗,或者是創造性地改進實驗儀器,使得實驗不但簡便、主觀,同時還安全、可靠,從而達到發展學生的實驗技能,培養學生的創新意識.因此,通過設計創造,自制或改進一些實驗教學儀器,可能達到一些常規或標配儀器所達不到的預期效果.

溫差電偶是一種測量溫度的有效工具,具有結構簡單、使用方便,測量范圍寬,靈敏度和準確度高(可精確到10－3℃),熱容量小、對溫度變化響應快等優點,廣泛應用于實時測溫及監控系統.但是在具體的操作過程中發現存在一些成本、安全以及數據不是很精確的問題,基于此,我們對該實驗儀器做了一些改進.

2 改進說明

溫差電偶是利用溫差電效應(如果用兩種不同的金屬構成一個閉合電路,并使兩接點處于不同溫度,則電路中將產生溫差電動勢,并且有溫差電流流過,這種現象稱為溫差電效應)將兩種不同的金屬串接在一起,其兩端可以和儀器相接進行測溫的元件.溫差電偶的溫差電動勢與二接頭溫度差之間的關系比較復雜,但是在較小溫差范圍內可以近似認為溫差電動勢Et與溫度差(t－t0)成正比,即Et＝c(t－t0),式中t為熱端溫度,t0為冷端的溫度,c為溫差系數.

很多教材中用到的儀器和用具是箱式電勢差,溫差電偶,自耦變壓器,電爐,坩堝,標準電池,檢流計,待測溫差電偶,冰,水,純錫,純鋅,及待測熔點的金屬(焊錫).用固定法校準鎳鉻－鎳硅溫差電偶的儀器布置示意圖如圖1.

圖1

根據具體的實驗過程,發現按照教材的實驗儀器進行實驗有如下缺點.

(1)教材實驗中用的是電勢差計,其缺點是需調整,在測量中需要時間長,而此過程中電爐在持續加熱使溫度持續上升,對溫度測量造成的誤差較大,使實驗結果不夠精確.

(2)教材實驗中用的加熱儀器是電爐,自耦變壓器.這些儀器耗能大,成本高,不安全.

3 探究過程

由于實驗存在著這些缺點,我們對溫差電偶定標實驗儀進行了改進,并且利用改進后的實驗裝置操作了實驗.實驗過程和數據表明,改進后的實驗裝置有著明顯的優點,數據合理.

首先是將電勢差改裝成霍爾效應實驗儀,即用數字電壓表代替,使讀數直觀、快捷.減小溫度測量誤差,提高實驗精確度.其次將這些加熱儀器改用電熱杯,可以降低成本,取材容易,也比較安全.

實驗過程如下:

(1)按圖2連接好電路,用霍爾效應實驗儀測定溫差電動勢.

圖2

(2)將溫差電偶的測溫端和冷端均置于冰水混合物中,測定溫差電動勢.

(3)電偶的測溫端置于室溫,并將記下溫度計的讀數.

(4)接通電熱杯,將水加熱到沸點,記下溫度及所對應的電動勢.

(5)數據處理.以溫差電偶的兩端點的溫差作為橫坐標,溫差電動勢為縱坐標作直角坐標系,繪出定標曲線.并求出溫差系數.

(6)實驗數據(如表1).

表1

按照表中的數據我們繪制了EtΔt的函數關系式,如圖3所示.

由圖得Et＝0.0625t＋0.0685,從操作過程到圖像和數據都能說明改進后給實驗操作帶來方便,數據也更加精確.

圖3

4 改進優點

實驗時要考慮到實驗的成本,安全性以及實驗的精確度等好多因素.本實驗改進主要有以下優點:

(1)將自耦變壓器,電爐,坩堝改裝成電熱杯,電熱杯容易取得,且成本低,也提高了實驗的安全性.

(2)將箱式電勢差計改裝成霍爾效應實驗儀,在測溫過程中減少了測溫時間,降低了由于溫度持續升高而帶來的誤差,提高了實驗的精確度.

1 楊述武.普通物理實驗(電磁學部分)［M］.北京:高等教育出版社,1997.