羅 浩，向澤英，謝英英，羅曉琴

(西南科技大學(xué)，四川綿陽(yáng) 621010)

電位差計(jì)是利用補(bǔ)償原理和比較法精確測(cè)量直流電位差或電源電動(dòng)勢(shì)的常用儀器，它準(zhǔn)確度高、使用方便，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠，常被用來(lái)精確地間接測(cè)量電流、電阻和校正各種精密電表。在現(xiàn)代工程技術(shù)中電子電位差計(jì)還廣泛用于各種自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)［1］。

電位差計(jì)測(cè)熱電偶電動(dòng)勢(shì)實(shí)驗(yàn)是一款經(jīng)典的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是測(cè)量銅-康銅熱電偶在不同溫差下的輸出電動(dòng)勢(shì)，計(jì)算其溫差系數(shù)，實(shí)驗(yàn)的主要目的是使學(xué)生掌握溫差熱電偶的測(cè)溫原理，掌握電位差計(jì)精確測(cè)量微小電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償原理。然而由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過(guò)于陳舊，多年來(lái)未有更新，教育部在2008年的“高等學(xué)?；A(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)(討論稿)”中已經(jīng)將該實(shí)驗(yàn)與分析天平、沖擊電流計(jì)等一起列入“不適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的題目”目錄。將該實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)象由熱電偶拓展到熱電堆，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)量電動(dòng)勢(shì)推廣到研究電動(dòng)勢(shì)的規(guī)律，并應(yīng)用到測(cè)量熱流密度中，用來(lái)評(píng)價(jià)材料的保溫節(jié)能效果，與當(dāng)前節(jié)能減排的國(guó)際背景密切相關(guān)［2］，這使得該實(shí)驗(yàn)重新煥發(fā)了新的活力。

1 熱電偶、熱電堆的測(cè)溫原理和熱流密度測(cè)量方法

1.1 熱電偶的測(cè)溫原理

把兩種不同成分的金屬或合金兩端彼此焊接成一閉合回路，若兩接點(diǎn)有溫差，回路中就會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)和溫差的關(guān)系近似為E=CΔt。C表示溫差系數(shù)，單位為mV/℃，Δt表示冷熱端溫差。

1.2 熱電堆與熱電偶的關(guān)系

熱電堆由熱電偶串聯(lián)而成，熱電堆的輸出電動(dòng)勢(shì)E與其級(jí)數(shù)成正比，當(dāng)熱電堆兩側(cè)溫差為Δt時(shí)，熱電堆的輸出電動(dòng)勢(shì)E為:E=nCΔt，其中n表示熱電堆級(jí)數(shù)。

1.3 平板狀熱電堆熱流測(cè)量方法

根據(jù)傅立葉定律，當(dāng)有熱流垂直通過(guò)平板狀的熱電堆型熱流傳感器時(shí)，傳感器兩側(cè)存在溫差。在熱工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，若熱流傳感器的兩側(cè)平行被測(cè)散熱面，保持穩(wěn)定的溫差Δt，而且傳感器的長(zhǎng)度和寬度遠(yuǎn)大于其厚度，這樣就可以認(rèn)為沿傳感器長(zhǎng)度和寬度方向溫度沒(méi)有變化，其邊緣效應(yīng)可以忽略不計(jì)。此時(shí)通過(guò)被測(cè)面的熱流密度q為:q= λΔt/δ，單位是 W/m2，將 Δt=E/nC 代入得 q=(λ/δnC)E，令λ/δnC=K，則q=KE，其中K定義為傳感器系數(shù)［3］?？梢?jiàn)，在熱電堆型熱流傳感器材料各參數(shù)一定的情況下，熱流密度與電動(dòng)勢(shì)成正比。因此，熱流密度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為了輸出電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量，這個(gè)物理量恰好適宜用電位差計(jì)來(lái)測(cè)量。

2 電位差計(jì)測(cè)熱電偶電動(dòng)勢(shì)實(shí)驗(yàn)的拓展

2.1 電鍍法制備銅-康銅熱電堆

制作熱電堆線圈:將1 mm厚的環(huán)氧樹(shù)脂板切成70 mm×15 mm規(guī)格的長(zhǎng)方形，為方便繞線時(shí)限位，在長(zhǎng)邊的側(cè)面每隔1 mm刻1條約0.2 mm的刻槽，用鋼鉆在距離短邊3 mm處各鉆一個(gè)小孔(開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)時(shí)此基板可用機(jī)床批量加工，由實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一提供給學(xué)生)。用0.1 mm直徑裸康銅絲從一端小孔穿入，沿著刻槽繞60圈，最后從另外一個(gè)小孔穿出，兩端纏緊后留50 mm長(zhǎng)的引線后剪斷［4］。

圖1 電鍍法制備熱電堆

圖2 制備好的3個(gè)銅-康銅熱電堆

制作銅-康銅熱電堆:將康銅線圈用酒精擦凈后開(kāi)始電鍍銅見(jiàn)圖1，純銅片接陽(yáng)極，鍍件康銅線圈接陰極，為使各級(jí)熱電偶鍍銅均勻，用金屬夾子夾住線圈，將金屬夾子接在陰極線上，將線圈一半準(zhǔn)確均勻地浸入硫酸銅溶液(CuSO4:250 g/L，H2SO4:60 g/L，T:36℃)后，電流密度設(shè)為10 A/dm2，時(shí)間設(shè)為20 min，運(yùn)行電化學(xué)工作站，開(kāi)始電鍍［5］。熱電堆電鍍好之后，用蒸餾水清洗，烘干，均勻的涂上防水絕緣漆見(jiàn)圖2，這樣可以防止熱電堆因氧化而導(dǎo)致電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間而下降。

2.2 考察熱電堆電動(dòng)勢(shì)與匝數(shù)的關(guān)系

研究熱電堆匝數(shù)對(duì)輸出電動(dòng)勢(shì)的影響，電鍍參數(shù)同 2.1。匝數(shù)分別取 10、20、30、40、50、60、100，用電位差計(jì)分別測(cè)出其同等條件下的輸出電動(dòng)勢(shì)。

表1 不同匝數(shù)的熱電堆輸出電動(dòng)勢(shì)

圖3 熱電堆匝數(shù)與電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系曲線

不同匝數(shù)的熱電堆輸出電動(dòng)勢(shì)如表1所示，關(guān)系曲線如圖3所示，對(duì)曲線圖進(jìn)行線性擬合，得到相關(guān)系數(shù)為0.948 07，電動(dòng)勢(shì)與熱電堆基本成正比關(guān)系，比例系數(shù)為0.085 72 mV/匝。相對(duì)于10匝時(shí)的電動(dòng)勢(shì)1.18 mV來(lái)說(shuō)，其它匝數(shù)的電動(dòng)勢(shì)并沒(méi)有完全標(biāo)準(zhǔn)的倍數(shù)關(guān)系，電動(dòng)勢(shì)的倍數(shù)總是比匝數(shù)的倍數(shù)稍微低，這是因?yàn)樵诰唧w的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)匝數(shù)比較小時(shí)，線圈與熱面緊密接觸的比例比匝數(shù)大時(shí)更高一些，匝數(shù)越大，懸空的線圈越多，這類似于虛焊的效果，使得實(shí)際輸出電動(dòng)勢(shì)放大倍數(shù)要稍微小于匝數(shù)的倍數(shù)。從各匝數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，匝數(shù)為40時(shí)，所得數(shù)據(jù)距離擬合直線較遠(yuǎn)，此樣品誤差較大，其它各點(diǎn)數(shù)據(jù)均與擬合直線非?？拷?，整體來(lái)看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性比較高，很好地證明了電動(dòng)勢(shì)與匝數(shù)成正比關(guān)系［6］。

2.3 電焊法與電鍍法輸出電動(dòng)勢(shì)的對(duì)比

傳統(tǒng)的熱流傳感器采用熱電偶或級(jí)數(shù)較少的熱電堆，在制備時(shí)多采用焊接法。本實(shí)驗(yàn)為使實(shí)驗(yàn)過(guò)程快捷簡(jiǎn)便，采用鍍銅法制備熱電堆。為了檢驗(yàn)電鍍法是否具有與傳統(tǒng)焊接法同等的效果，特設(shè)計(jì)電焊法和電鍍法制備的熱電偶輸出電動(dòng)勢(shì)與溫差關(guān)系對(duì)比的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。用電焊法和電鍍法分別制備一個(gè)熱電堆，在同等條件下進(jìn)行對(duì)比，圖4、圖5分別為電焊法和電鍍法的電動(dòng)勢(shì)與溫差關(guān)系曲線，由圖可知，電焊法的線性相關(guān)系數(shù)為0.9 97 73，電鍍法的為0.998 61，說(shuō)明電鍍法制備的熱電堆輸出電動(dòng)勢(shì)與溫度之間同樣具有非常好線性關(guān)系。從溫差系數(shù)來(lái)看，國(guó)標(biāo)中T型熱電偶(銅-康銅)的為0.042 8 mV/℃，本實(shí)驗(yàn)采用純銅和康銅絲利用電焊法制成的熱電偶溫差系數(shù)為0.036 6 mV/℃，較接近國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而電鍍法的溫差系數(shù)為0.039 4 mV/℃，更加接近，其原因主要是因?yàn)殡姾阜〞?huì)不可避免的導(dǎo)致焊點(diǎn)部位比金屬絲直徑粗，使得熱電偶在測(cè)量時(shí)與熱面的接觸不夠充分，相對(duì)來(lái)說(shuō)，電鍍法能夠使熱電偶沒(méi)有焊點(diǎn)，表面更加平整，與熱面接觸更加緊密，因此溫差系數(shù)更高一些。

圖4 電焊法電動(dòng)勢(shì)與溫差關(guān)系曲線

圖5 電鍍法電動(dòng)勢(shì)與溫差關(guān)系曲線

3 電位差計(jì)和熱電堆在熱流測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 用導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀標(biāo)定熱電堆系數(shù)

采用JW-3型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀標(biāo)定60匝銅-康銅熱電堆，該方法的實(shí)質(zhì)是用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的熱流密度通過(guò)該平板狀熱電堆，用電位差計(jì)測(cè)出其輸出電動(dòng)勢(shì)，由此可以計(jì)算出傳感器系數(shù)［7］。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。導(dǎo)熱儀測(cè)得熱端輸出電動(dòng)勢(shì)為58.41 mV，冷端輸出電動(dòng)勢(shì)為53.88 mV，電位差計(jì)測(cè)得傳感器輸出電動(dòng)勢(shì)為1.94 mV，查導(dǎo)熱儀用戶手冊(cè)可知熱、冷端熱流計(jì)系數(shù)分別為5.61 W/(m2·mV)和5.8 5 W/(m2·mV)，可得傳感器系數(shù)為:K=q/E=［(5.61 ×58.41+5.85 ×53.88)/2］/1.94=165.68 W/(m2·mV)。標(biāo)定裝置JW-3型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀本身的系統(tǒng)誤差5%是該標(biāo)定法最主要的誤差來(lái)源，考慮到標(biāo)定費(fèi)用及便利性，此方法在本科生熱流測(cè)量實(shí)驗(yàn)中仍具有較大的實(shí)用價(jià)值［8］。

表2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀標(biāo)定結(jié)果

3.2 用電位差計(jì)測(cè)量墻面熱流密度

測(cè)試條件:西南科技大學(xué)西3附樓，普通石灰砂漿墻面，室內(nèi)安裝有立式空調(diào)。

測(cè)試步驟:緊閉門(mén)窗，空調(diào)溫度設(shè)為25℃，2 h后，室內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定。在熱電堆與墻面之間涂導(dǎo)熱硅脂，選擇盡量遠(yuǎn)離門(mén)窗的平整墻面安裝熱電堆［9-10］，如圖 6。

圖6 用電位差計(jì)和熱電堆測(cè)墻面熱流密度

測(cè)試結(jié)果:當(dāng)熱流密度達(dá)到穩(wěn)定之后，用電位差計(jì)測(cè)得平板式熱電堆輸出的電動(dòng)勢(shì)為0.17 mV，q=KE=165.68·0.17=28.17 W/m2。由此測(cè)得該房間每平方米每秒鐘向外損失熱能為28.17焦耳。

4 結(jié) 論

用電鍍法制備級(jí)數(shù)較高的熱電堆，快速簡(jiǎn)便，鍍面平整，質(zhì)量較高;熱電堆電動(dòng)勢(shì)與級(jí)數(shù)成較好的正比關(guān)系;電鍍法與傳統(tǒng)電焊法制備熱電堆的效果差別不明顯，相對(duì)來(lái)說(shuō)電鍍法能夠使熱電偶沒(méi)有焊點(diǎn)，表面更加平整，與熱面接觸更加緊密，溫差系數(shù)稍高一些;用熱電堆來(lái)測(cè)量熱流密度，標(biāo)定過(guò)程簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，測(cè)量方法快速方便，結(jié)果較為準(zhǔn)確，能很好地滿足一般熱流測(cè)量場(chǎng)合的精度需求。對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行內(nèi)容拓展后，能拓寬學(xué)生關(guān)于熱流測(cè)量的視野，提高學(xué)生電位差計(jì)的應(yīng)用能力。這些內(nèi)容可以部分加入到本科生的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中，也可以全部選用，作為一個(gè)綜合設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

［1］周自剛，趙福海.新編大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.科學(xué)出版社，2013.

［2］孫增桂，王成霞，李碩.熱流計(jì)法在建筑節(jié)能檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.建設(shè)科技，2003(6).

［3］戴自祝.熱流測(cè)量與熱流計(jì)［M］.中國(guó)計(jì)量出版社，1986.

［4］廖亞非，張清文，何容盛.自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)熱流計(jì)的研究［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(2).

［5］羅浩，彭同江，孫紅娟.硫酸銅酸性鍍銅法制備銅-康銅熱電堆的最佳實(shí)驗(yàn)條件研究［J］.西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(1).

［6］羅浩，彭同江.一種多級(jí)式熱電堆型微量熱流傳感器的設(shè)計(jì)與制備［J］.西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014(3).

［7］史強(qiáng)林.熱電堆型熱流計(jì)制作及測(cè)試誤差分析［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2009(3).

［8］李斌，李安桂.熱電堆型熱流計(jì)的一種標(biāo)定方法［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2008(6).

［9］錢(qián)美麗，楊玉忠.熱流測(cè)量傳感器在建筑節(jié)能檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.建設(shè)科技，2008(12).

［10］王婷.基于能量換測(cè)法的熱電偶與DS181320測(cè)溫系統(tǒng)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013(4):27-29.