6_Vimiryuvannya_parametriv_materialiv

5

Лабораторна робота №3

Вимірювання коефіцієнта термоЕРС та електропровідності

злитків та пластин термоелектричного матеріалу

1. Теоретична частина

Для характеристики добротності термоелектричного матеріалу використовують коефіцієнт термоЕРС α і електричний параметр – питомий опір або електропровідність σ.

Коефіцієнт термоЕРС. Розрізняють диференціальну величину термоЕРС або коефіцієнт термоЕРС

і інтегральну величину термоЕРС (повне значення ЕРС) при перепаді температур (Т_г-Т_х)

На рис.1 наведена принципова схема визначення диференціальної величини термоЕРС.

Рис.1 Принципова схема визначення коефіцієнта термоЕРС:

1.2,3,4 – проводи термопар; 5 і 6 – зовнішній і допоміжні нагрівачі відповідно;

7 – зразок.

За рахунок зовнішнього нагрівача зразок термоелектричного матеріалу знаходиться при середній температурі Т. За допомогою допоміжного нагрівача створюється невеликий перепад температур на зразку ΔТ. Цей перепад повинен бути порівняно невеликим, щоб вважати α сталим з заданим ступенем точності. Якщо температура на кінцях зразка вимірюється металевими термопарами (холодний спай при температурі Т₀), необхідно враховувати вплив на точність вимірювання власної термоЕРС проводів термопар. З врахуванням цього диференціальна термоЕРС матеріалу р- типу

де V_1,3 і V_2,4 – відповідно напруги між позитивними 1 і 3 и негативними 2 і 4 термопарними проводами; і – коефіцієнти термоЕРС відповідно позитивного і негативного термопарних проводів; Т₁-Т₂ – перепад температур на зразку.

У випадку матеріалу n-типу:

Приймають, що Т₁>Т₂. Незначні похибки у визначенні температури можуть суттєво вплинути на точність визначення ΔТ, а відповідно і α.

Інтегральна термоЕРС визначається простіше. В цьому випадку один торець зразка підтримується при постійній температурі (наприклад, 20°С), а інший нагрівається до необхідної температури Т. Вимірюючи інтегральну ЕРС зразка і температуру гарячого спаю, можна побудувати залежність інтегральної термоЕРС від температури.

Коефіцієнт електропровідності. Термоелектричні матеріали мають малу величину питомого опору (10^-2-5·10^-4 Ом см). Тому, зазвичай, використовують чотирьохзондовий метод вимірювання, принципова схема якого показана на рис.2.

Рис.2. Чотирьохзондовий метод вимірювання електроопору.

За допомогою двох зондів через зразок прямокутної або циліндричної форми пропускається струм. Два інших зонда розташовані на боковій поверхні. Служать для зняття падіння напруги на фіксованій довжині Розрахунок питомого опору здійснюється за відомою формулою

,

де S – площа перерізу зразка; l – відстань між зондами; І – сила струму, що проходить через зразок.

При пропусканні струму через зразок поряд з омічною складовою падіння напруги на зразку V_ρ з’являється складова V_α, обумовлена термоЕРС і перепадом температур. Часова картина зміни падіння напруги на зразку при ввімкненні і увімкненні струму наведена на рис.3.

Рис.3. Залежність напруги на зразку при ввімкненні і увімкненні струму.

Поява складової V_α призводить до погіршення точності вимірювань. Для зменшення похибки використовують мало інерційні реєстраційні прилади, щоб уловити початковий момент, коли V_α =0. Іноді використовують вимірювання на змінному струмі, коли внаслідок теплової інерції і швидкої зміни напряму струму V_α =0.

Мета роботи

• Провести вимірювання коефіцієнта термоЕРС (α) і питомої електропровідності (σ) злитків термоелектричного матеріалу для подальшого відбору за необхідними параметрами α та σ;

2. Перелік обладнання, інструментів та матеріалів

При проведенні вимірювань використовуються засоби вимірювань наведені в таблиці 1.

Таблиця 1

№	Засоби вимірювань	Шифр	Кількість
1	Блок живлення	ВИП-009	1
2	Прилад комбінований цифровий	Щ-300	2
3	Блок керування	РSI-1	1
4	Блок зондів*	нестанд.	1

* Максимальна довжина злитка – до 500 мм, максимальний діаметр злитка до 40 мм

При проведенні вимірювань використовуються інструменти та матеріали, наведені в таблиці 2.

Таблиця 2

	Штангенциркуль ШЦ–II–250–0,05	ГОСТ 166-80	1
	Спирт ізопропиловий	ТУ У 6-09-402-87	1
	Пінцет медичний прямий	ГОСТ 21241-77	1
	Калькулятор		1
	Лінійка – 300	ГОСТ 427-75	1
	Голка швейна ручна технічна	ГОСТ 8030-75	1

Допускається використання інших ЗВТ, інструментів та матеріалів, що забезпечують вимірювання параметрів із заданою точністю.

Перелік параметрів, що вимірюються

При проведенні вимірювань визначаються параметри термоелектричного матеріалу, наведені в таблиці 3.

Таблиця 3

№ за/п	Параметри	Одиниця вимірювання	Точність вимірювання
1	Коефіцієнт термоЕРС (α)	мкB/К	± 1,0
2	Питома електропровідність (σ)	Ом-1·см-1	± 1,0

Метод вимірювання

Вимірювання коефіцієнта термоЕРС і діаметра злитка здійснюються безпосереднім зчитуванням показів зі шкали приладу (прямим методом).

Вимірювання питомої електропровідності здійснюється непрямим методом.

3. Умови проведення вимірювань

• температура навколишнього середовища – від 20±5 ˚С;

• відносна вологість повітря – від 45 до 80 %;

• атмосферний тиск ‑ (730 – 760) мм. рт. ст.

4.Підготовка до вимірювань

1. Встановити робочий стіл із ЗВТ у місці, де відсутні локальні теплові потоки в повітрі (протяги від вентиляторів, витяжки, дія потужної лампи розжарювання і т. ін.).

2. Підготувати установку до роботи згідно з Інструкцією по експлуатації:

– візуально перевірити наявність заземлення приладів та відсутність пошкоджень їх корпусу та ізоляції;

– увімкнути вимірювальні прилади для їх прогріву впродовж 5-10 хв.

4.3. Відрегулювати напругу живлення нагрівача зонда за допомогою ручки на блоці ВИП-009 установки так, щоб прилад Щ-300 показував напругу 0,65 мВ, що відповідає ΔТ=10°С.

5. Порядок та вимоги проведення вимірювань

5.1 Вимірювання коефіцієнта термоЕРС злитка термоелектричного матеріалу

5.1.1 Перед початком вимірювань одягти гумові рукавички.

5.1.2 Перед початком вимірювань протерти робочі поверхні диска і зонда для вимірювання, злитка ТЕМ мадаполамом, змоченим ізопропиловим спиртом.

5.1.3 Виміряти діаметр злитка штангенциркулем в серединній частині в 3-4 місцях і визначити середнє значення з точністю до 0,05мм. Записати в журнал середнє значення діаметру.

5.1.4 Написати голкою на початку злитка його номер.

5.1.5 Закріпити злиток на блоці зондів за допомогою притискних контактів.

5.1.6 Встановити перемикач виду вимірювань блока управління у положення U_α .

5.1.7 Встановити термозонд на початку злитка, забезпечуючи щільний контакт.

5.1.8 Виміряти термоелектрорушійну силу U_α за допомогою приладу Щ-300 та записати значення U_α в таблицю 4.

5.1.9 Розрахувати коефіцієнт термоЕРС α за формулою:

α=U_α /ΔТ (мкB/град.),

де ΔТ – перепад температури у місці вимірювання, що дорівнює 10⁰С.

Записати значення α в таблицю.

5.1.10 Перемістити термозонд на 1,5 см вправо і повторити п.п. 5.1.8, 5.1.9.

5.1.11 Повторити п. 5.1.10 в інших точках злитка, переміщуючи термозонд вздовж злитка на крок, що дорівнює 1,5 см.

5.2 Вимірювання питомої електропровідності σ злитка термоелектричного матеріалу

5.2.1 Встановити перемикач виду вимірювань блока управління у положення σ.

5.2.2 Подати на злиток струм 0,5 А за допомогою приладу ВИП-009.

5.2.3 Встановити зонд для вимірювання σ на початку злитка.

Примітка. Точка вимірювання α має знаходитись посередині між обома контактами зонда.

5.2.4 Встановити перемикач напряму струму в положення «-».

5.2.5 Виміряти напругу U₁ між контактами зонда і занести в таблицю4.

5.2.6 Змінити полярність струму, встановивши перемикач напряму струму в положення «+».

5.2.7 Виміряти напругу U₂ між контактами зонда і занести в таблицю 5.

5.2.8 Обчислити середнє значення напруги U_c за формулою:

U_c = (U₁ + U₂) / 2.

5.2.9 Обчислити значення питомої електропровідності σ у даній точці за формулою:

,

де I – струм через злиток, що дорівнює 0,5 А,

l – відстань між контактами зонда, що дорівнює 1,015 см,

S – площа попереднього перерізу злитка, що розраховується за формулою:

,

де d – діаметр злитка, виміряний згідно п. 5.1.1.

5.2.10 Занести значення питомої електропровідності σ в таблицю 4.

5.2.11 Повторити п.п. 5.2.3 – 5.2.10 в інших точках злитка, переміщуючи термозонд вздовж злитка на крок, що дорівнює 1,5 см.

5.2.12 Результати вимірювань злитків заносяться в журнал у вигляді таблиці даних:

Таблиця 4

№ злитка, діаметр злитка, мм	Uα, мB	ΔТ0, 0С	α мкB/град.	U1, мB	U2, мB	Uс, мB	σ Ом-1 см-1

За даними таблиці будується графік залежності α та σ по довжині злитка.

Контрольні запитання до лабораторної роботи

1. Наведіть схему визначення коефіцієнту термоЕРС.

2. Яким методом визначають питомий коефіцієнт електропровідності ТЕМ?

3. Наведіть схему визначення питомого електроопору.

4. Який перепад температур ΔТ задають при вимірюванні термоЕРС і опору?

5. Як розрахувати коефіцієнт термоЕРС і питому електропровідність ТЕМ?