温差电偶的定标和测量

实验十 温差电偶的定标和测量
实验目的
1．加深对温差电现象的理解。
2．了解校准热电偶温度计的基本方法。
实验仪器
铜－康铜热电偶，校准用的纯金属（铅、锌、锡）或标准热电偶，待测熔点的金属，
杜瓦瓶，电位差计或数字电压表，电炉等。
实验原理
1．热电偶的测温原理
把两种不同的导体或半导体连接成一闭合回路，如图4－10－1所示。如两接点分
别处于不同的温度T和T
0
，则回路中就会产生热电动势，这种现象称作热电效应。同时

把这个电路叫做A、B组成的热电偶，如铂－
铂铑热电偶、铜－铁热电偶等。
在图4－10－1所示的热电偶回路中，产
生的热电势由接触电势和温差电势两部分组
成。温差电势是在同一导体的两端因温度的不
同而产生的一种热电势，由于材料中高温端的
电子能量比低温端的电子能量大，因而从高温
端扩散到低温端的电子数比从低温端扩散到高温端的电子数多，结果使高温端失去电子
而带正电荷，低温端得到电子而带负电荷，产生一附加的静电场。此静电场阻碍电子从
高温端向低温端的扩散，在达到动态平衡时，导体的高温和低温端间有一个电位差V
T

－VT0，此即温差电势。在热电偶回路中，导体A和B分别有自己的温差电势eA（T，T0）

和eB（T，T0）。
接触电势的产生原因是两种导体材料的电子密度和逸出功不同。这样，当两种导体
接触时，电子在其间扩散的速率就不同，使一种导体因失去电子而带正电荷，另一种导
体因得到电子而带负电荷，在其接触面上形成一个静电场，即产生了电位差，这就是接
触电势，其数值取决于两种不同导体材料的性质和接点的温度。在热电偶回路中两个接
点分别有不同的接触电势eAB（T）,eAB（T0）。
由于温差电势和接触电势的影响，在热电偶回路中产生的总热电势可表达为

),()(),()(),(0000TTeTeTTeTeTTEAABBABAB−−+=
（4－10－1）

它是材料和温度的函数，对确定的热电偶材料，热电势EAB(T,T0)是温度T和T0的函数
差

)()(),(00TfTfTTEAB−=
（4－10－2）

A
B
T
T

0

图4－10－1
如果使某接点温度固定（常取水的三相点温度作为T0），则总电势成为温度T的单
值函数
)(),(0TTTEABϕ=
（4－10－3）

这一关系式可通过实验获得。得到)(Tϕ后，我们测出热电偶接点处于某未知温度时的
EAB值（另一接点温度T0），就可得到此温度值。
2．有关热电偶回路的几点结论
（1）若组成热电偶回路的两种导体相同，则无论两接点温度如何，热电偶回路内
的总热电势为零。
（2）如热电偶两接点温度相同，则无论导体由何种材料制成，热电偶回路内的总
热电势亦为零。
（3）热电偶的热电势只与接点的温度有关，与导体的中间温度分布无关。
（4）热电偶在接点温度为T、T
s时的热电势，等于热电偶在接点温度为T、T2
和

T2、Ts时的热电势的代数和。
（5）在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种材料的两端温度相同，
第三种导线的引入就不会影响热电偶的热电势，这一性质称中间导体定律。
（6）当两接点温度分别是T1和T2时，由导体A、B组成的热电偶的热电势等于
AC热电偶和CB热电偶的热电势之和。即

),(),(),(212121TTETTETTECBACAB+=
（4－10－4）

导体C称标准电极，一般用铂制成，这一性质称标准电极定律。
正是由于上述这些性质，才使我们对热电偶的热电势的测量成为可能，在实际使用
中我们往往需要在热电偶回路里接入各种仪表（如电位差计、灵敏电流计）、连接导线
等。但只要与这些器件相接的各接点的温度保持相同，就不必担心对热电势产生影响，
而且也允许用任意的焊接方法来焊制热电偶。
需要注意，只有当组成热电偶材料的化学成分和物理状态是均匀的时，才有上述结
论成立，如材料的理化性质不均匀（如组分有变化、结构不均匀等），就会引入难以确
定的附加电动势而使结果产生较大的误差。
3．热电偶的校准
在实际测温前，必须知道热电偶的热电势－温度关系曲线，称作校准曲线，以后就
可以根据热电偶与未知温度接触时产生的电动势，由曲线查出对应的温度。常用的几种
具有标准组分的热电偶（如由含铂90%、铑10%的铂铑丝和纯铂丝组成的铂铑－铂热电
偶；由含镍89%、铬9.8%、铁1%、锰0.2%的镍铬丝和含镍94%、铝2%、铁0.5%、
硅1%、锰2.5%的镍铝丝组成的镍铬－镍铝热电偶等），它们的校准曲线（或校准数据
表）在有关手册中可以查到，不必自己校准，如果实验室自制的热电偶组分并不标准，
则校准工作就是不可缺少的了。
校准热电偶的方法有两种。
（1）比较法：即用被校热电偶与一标准组分的热电偶去测同一温度，测得一组数
据，其中被校热电偶测得的热电势即由标准热电偶所测的热电势所校准，在被校热电偶
的使用范围内改变不同的温度，进行逐点校准，就可得到被校热电偶的一条校准曲线。
（2）固定点法：这是利用几种合适的纯物质在一定的气压下（一般是标准大气压），
将这些纯物质的沸点或熔点温度作为已知温度，测出热电偶在这些温度下的对应的电动
势，从而得到热电势—温度关系曲线，这就是所求的校准曲线。
本实验采用固定点法对热电偶进行校准。为此将热电偶的冷端保持在冰水混合物
内，其温度在标准大气压下是0℃，我们选择水的沸点、锡、锌和铅的熔点分别作为校
准的固定点。
为了使测量结果较为准确，对于金属的熔点不是在加热的过程中进行测量，而是待
金属熔解后，撤去热源使其冷却的过程中确定其凝固点（对金属来说凝固点与熔点完全
相同），由于金属在凝结和熔解过程中其温度是不变的，我们可以利用这一特性测定金
属的凝固点，为此我们用电位差计（或数字电压表）测定热电势随时间的变化曲线，如
图4－10－2所示。如果在一定的时间（至少几分钟）内，热电动势值基本不变，则该
值对应的温度就是所测金属的凝固点。本实验所用的热电偶校准电路如图4－10－3所

示，在热电偶与电位差计的测试端相连时，应注意其正负极性不要接错。
实验内容
1．按图4－10－3接线，而后对电位差计进行校准，校准完毕再进行测量。
2．将热电偶测温端放入在盛有冰水混合物的杜瓦瓶中，测量0℃时的热电势（应
为零）。
3．用电炉加热水，待沸腾后将热电偶放入水中测其热电势。
4．用电炉加热专用容器中的纯锡，待锡全部熔化后切断电炉电源，由其自然冷却，
将电偶测温端放入熔化的金属中，测定其热电热势—时间关系曲线（一分钟测一个点）。
作图确定与锡的凝固点相对应的热电势的值。
5．作被校热电偶的校准曲线，以温度为横轴，热电势为纵轴，以所测的四个固定
点作热电偶的校准曲线（相邻点间以直线相连。更准确的办法要用到曲线拟合的方法）。

t(min)
E(mV)
E
0

B
C

A

0
图4－10－2

电
位
差
计

铜线

杜
瓦
瓶
参考端
冰水混合物

测温端

A

图4－10－3
铜线
B
6．同法测未知熔点的焊锡的凝固点的热电势，从热电偶的校准曲线上查出焊锡的
熔点温度。
注意事项
1．为了避免热电偶受熔融的金属玷污，故将热电偶测温端置于一端封闭的铜管中，
使其与待测金属隔离。为保持热电偶与铜管良好的接触，测量时应在铜管底部滴入几滴
硅油，热电偶测温端应插入硅油中，不能悬空。
2．除结点外，热电偶丝之间及与铜管之间应保持良好的电绝缘，以免短路而造成
测试错误。
3．掌握电炉加热时间，当金属全部熔融后，应及时切断电源。否则，会因加热时
间过长，温度过高，一方面使金属氧化，也延长了金属冷却所用的时间。
4．由于整个测量过程时间较长，电位差计校准后仍会发生漂移，所以在每次测量
前都应重新校准。
5．每种金属测完后，必须重新升温使金属熔化，取出铜套管，然后切断电源，否
则在金属冷却时会收缩而不易取出铜套管。
思考题
1．具体考察一下在实验线路中热电偶是如何和第三种金属连成回路的，接头在哪
里？处在什么温度？并证明若电偶与第三种金属的两个接头温度一样时，回路电动势不
因加接第三种金属而变化。
2．为什么要测金属凝固时的热电势？测熔化时的热电势能行吗？
3．若以一内阻及电流灵敏度均已知的灵敏电流计代替电位差计，能否测定热电偶
的电动势？为什么？