金屬比熱容測量和溫度傳感器測試熱學實驗的對比教學探討

陳 鵬，王如梅，王 征，石 開，朱 祥，袁朝圣，王永強

(鄭州輕工業大學 物理與電子工程學院，河南 鄭州 450000)

冷卻法測量金屬比熱容實驗和溫度傳感器測試及半導體致冷控溫實驗是我校大學物理實驗課程選定開設的基礎物理實驗項目，也是高校理工科專業開設的大學物理實驗熱學實驗中非常重要的兩個實驗項目。比熱容測量方法較多,如混合法、絕熱法、脈沖加熱法和冷卻法等,各種測量方法均有其優勢與弊端。金屬比熱容作為金屬的一個重要物理量常根據牛頓冷卻定律，用冷卻法測定，是金屬熱容量測量最常用的方法[1,2]。金屬比熱容測量實驗是我校較早開設的大學物理基礎實驗中一個重要的傳統熱學實驗項目，而對溫度傳感器性能的了解及測試是大學物理實驗近年來增加的一項必備內容。溫度傳感器測試及半導體致冷控溫實驗項目是我校近年來新引入基礎課實驗教學的熱學項目，該實驗項目主要訓練學生理解并掌握溫度傳感器AD590的測溫原理及準確標定傳感器的溫度電流(電壓)關系的實際意義。

1 金屬比熱容的測量和溫度傳感器測試實驗過程及測試數據

1.1 金屬比熱容的測量實驗過程及數據測試

我校采用 FD-JSBR 金屬比熱容測量儀(復旦天欣儀器公司)測量銅、鐵、鋁三種金屬在100 ℃溫度值時的比熱容值。

圖1 金屬比熱容測量儀結構圖

實驗測試數據：樣品質量MCu=4.830 g；MFe=4.280 g；MAl=1.500 g。熱電偶冷端溫度：t0=0 ℃。

樣品由102 ℃下降到98 ℃所需時間(單位為s)，如表1所示：

表1 Cu、Fe、AL比熱容的測試數據

以銅為標準：C1=CCu=0.0940cal/(g℃)

1.2 溫度傳感器測試及半導體致冷控溫實驗過程及數據測試

按圖2 所示，將儀器溫度設置為25 ℃進行溫度整定。將控溫傳感器Pt100插入一個干井加熱爐孔中，將溫度傳感器AD590放入另一干井加熱爐孔中，同時將儀器提供的1kΩ標準電阻插入另一孔升溫至25 ℃，并將自整定開關設置為開啟正向控制狀態，按下“加熱”按鈕，開始P.I.D自整定。溫度恒定后測試1kΩ電阻上的電壓是否為0.298 15V。P.I.D自適應調整保證控溫系統達到25 ℃±0.1 ℃的控溫精度。上面整定過程當環境溫度低于25 ℃時用加熱，環境溫度高于25 ℃時用致冷[1,6]。

圖2 AD590溫度整定電路

圖3 溫度傳感器實驗測試電路

P.I.D自整定結束后，按圖3接線，將溫度設置從最低環境溫度起設置溫度(加熱或制冷)，每隔5 ℃設置一次，每次待溫度穩定2min后，測試一次輸出電壓，一直到85 ℃(或-15 ℃)止。加熱、致冷兩組實驗分別做好溫度整定后將被測傳感器AD590互換做實驗,這樣兩個傳感器將分別得到加熱和制冷數據，整理合并得到AD590溫度傳感器全溫度范圍(-15 ℃～+85 ℃)的測試數據[1,7]，如表2所示。

表2 AD590輸出電壓UR(mV)與溫度t(℃)關系

利用最小二乘法公式并采用oringin軟件處理數據進行直線擬合，得到擬合直線的斜率和相關系數:K=1.017 63uA/K，r=0.997 43，如下圖4所示。

圖4 origin線性擬合溫度傳感器AD590電壓與溫度

2 兩個熱學實驗的教學過程對比討論

在金屬比熱容實驗教學中發現：實驗室室溫對實驗誤差影響較小，而測量降溫范圍較大對實驗的測量有較大影響，當取小于5 ℃之內的降溫范圍對結果影響很小，實驗主要誤差來源于計時誤差。同時多數學生對102 ℃等溫度對應電壓表4.37mV等電壓值的熱電偶的標定關系的由來不甚理解。在實驗室提供了中國計量出版社1987版國家計量檢定規程匯編中的銅-康銅熱電偶分度表來查詢熱電偶溫度和對應電壓關系，如圖5所示。但實驗過程中仍有完成實驗較好的學生對圖5表中熱電偶的標定方法提出疑問[1,3,8]。

在溫度傳感器測試及半導體致冷控溫實驗教學中發現：學生對做溫度傳感器AD590輸出電壓UR(mV)與溫度t(℃)的線性關系的原因不理解，即AD590傳感器在實際環境溫度測量的應用特性實驗—電壓與溫度對應關系的實驗意義不清楚。

圖5 銅-康銅熱電偶分度表(參考端溫度為0 ℃紅色數字表示實驗所選用的溫度電壓標定值)

將兩個熱學實驗進行對比討論分析應用到實際教學中：金屬比熱容測量實驗中依據的銅-康銅熱電偶的標定關系即溫度-電壓對應關系相當于是實驗測試的一種前提，相當于測量數據可信的根源；而溫度傳感器測試及半導體致冷控溫實驗中，經過溫度整定和測量標定后要找的實驗結果就是AD590溫度傳感器(熱電偶)的這種UR(mV)與溫度t(℃)的精確的線性關系。金屬比熱容測量實驗中的圖5表格中的銅-康銅熱電偶分度表就是應用類似這種辦法精確標定后確定的熱電偶溫度和對應的電壓之間的線性關系，相當于直接利用了類似溫度傳感器測試實驗的結果來測量不同金屬的比熱容而已。

3 討論與總結

在近幾年的大學物理實驗基礎課教學中，越來越多的工科專業實行工程認證，這對工科專業的必修物理實驗課程提出了更為具體的要求。為配合能源與動力控制、新材料與器件等我校工科專業工程認證專業基礎課程的教學要求，將傳統的物理實驗教學按照力學、熱學、振動及聲學、電磁學、光學五大類劃分實驗室進行大膽改革，將實驗室按照具體實驗項目培養學生的對應專業能力及知識模塊來重新細分歸類劃分實驗室。上述的兩個熱學實驗項目即是在引入溫度傳感器測試及半導體致冷控溫實驗項目后，于2016～2017學年下學期開始在同一學期同一實驗室進行熱學實驗對比教學模式改革的大膽嘗試。經過3個學期的教學實踐，發現實驗教學效果的改善作用愈加明顯，學生普遍反映熱學實驗有趣，愿意深入探究更深的實驗項目，這對能動、新材器等工科專業學生提高動手能力和分析解決實際應用問題的興趣提升作用明顯。

4 結 語

綜上所述，在大學物理實驗中將熱學實驗項目細分改革，諸如將金屬比熱容的測量和溫度傳感器測試實驗放在一起進行對比式教學，內容相互聯系佐證，可操作性、實用性更強，學生進行拓展實驗的興趣程度和積極性大幅提高，對學生深入理解AD590、PT100等溫度傳感器(熱電偶)溫度和電壓(電流)的標定關系很有幫助，學生精確測量并處理物理實驗數據的能力也得到加強。學生通過深入探究實驗，實際應用能力得到實踐檢驗，教學效果反映良好。