Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет

им. И. И. Ползунова»

Меняев к.В. Измерение температуры термоэлектрическим методом

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплинам «Автоматическое регулирование энергоустановок», «Управление техническими системами»

для студентов специальности 140502 «Котло- и реакторостроение» и направления 141100 «Энергетическое машиностроение»

Барнаул 2013

УДК 621.182.12 (075.8)

Меняев К.В. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ. Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Автоматическое регулирование энергоустановок» и «Управление техническими системами» для студентов специальности 140502 «Котло- и реакторостроение» и направления 141100 «Энергетическое машиностроение» / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И.Ползунова - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2006.- с.12.

В методических указаниях изложены основы теории измерения температуры тел термоэлектрическим методом, требования к материалам для изготовления термоэлектрических термометров и удлиняющих термоэлектрических проводов, способы изготовления термоэлектрических термометров и подключения их к измерительным приборам. Приведены литература для самостоятельной подготовки и приложения.

Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Котло-и реакторостроение»

Протокол № 5 от 16.01.2013г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1. Основы теории термоэлектрических термометров 4

2. Включение измерительного прибора в цепь

термоэлектрического термометра 9

3. Поправка на температуру свободных концов

термоэлектрического термометра 9

4. Термоэлектрические термометры: материалы, изготовление 10

5. Удлиняющие термоэлектродные провода 12

6. Порядок выполнения работы 13

7. Содержание отчета 15

8. Вопросы для проработки 156

Литература для самостоятельной подготовки 17

Приложение А – Протокол измерений 178

Приложение Б – Номинальная статическая характеристика

преобразования 19

Приложение В – Стандартные термоэлектрические

термометры с металлическими термоэлектродами 21

Приложение Г – Зависимость сопротивления стандартных

термометров общего назначения от температуры 23

ВВЕДЕНИЕ

Целью лабораторной работы является ознакомление с различными видами термоэлектрических термометров, способами их подключения к измерительному прибору и правилам измерения температуры тел этими термометрами; научиться пользоваться номинальной статической характеристикой преобразователя (НСХ) для различных видов термоэлектрических термометров.

1. Основы теории термоэлекрических термомеров

Термоэлектрический метод измерения температур основан на строгой зависимости термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) термоэлектрического термометра от температуры.

Термоэлектрические термометры широко применяются для измерения температур до 2500°С в различных областях техники и в научных исследованиях. Они могут использоваться для измерения температуры от - 200 °С (специальные от - 270 °С), но в области низких температур термоэлектрические термометры получили меньшее распространение, чем термометры сопротивления. В области высоких температур (выше 1300 - 1600°С) термоэлектрические термометры находят применение главным образом для кратковременных измерений; для длительного же измерения высоких температур они применяются только в отдельных особых случаях.

К числу достоинств термоэлектрических термометров следует отнести достаточно высокую степень точности, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термоэлектрических термометров через переключатель к одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора, возможность раздельной градуировки измерительного прибора и термоэлектрического термометра.

В основу измерения температур с помощью термоэлектрических термометров положены термоэлектрические явления, открытые Зеебиком в 1821 г. ТермоЭДС возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников при неравенстве температур в местах соединения этих проводников (рисунок 1).

а) из двух разнородных проводников; б) из трех однородных проводников

Рисунок 1 – Термоэлектрические цепи

а) в разрыв спая; б) в разрыв термоэлектрода

Рисунок 2 – Включение третьего проводника в термоэлектрическую цепь

а) в разрыв спая; б) в разрыв термоэлектрода

Рисунок 3 – Включение измерительного прибора в термоэлектрическую цепь

Современная физика объясняет термоэлектрические явления следующим образом. С одной стороны, согласно закону Вольта, у различных металлов при их соприкосновении возникает контактная разность потенциалов. С другой стороны, в различных металлах плотность свободных электронов (число электронов в единице объема) неодинакова. Вследствие этого в местах сопри­косновения двух разнородных металлов, например, в спае 1, электроны будут диффундировать из металла А в ме­талл В с меньшей плотностью свободных электронов в большем количестве, чем обратно из металла В в металл А. Возникающее при этом в месте соединения электрическое поле будет препятство­вать этой диффузии, и когда скорость диффузионного перехода элек­тронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося определенного поля, наступит состояние подвиж­ного равновесия. При таком состоянии между металлами А и В возникает некоторая контактная разность потенциалов.

Таким образом, термоэлектродвижущая сила слагается из суммы скачков потенциала в контактах (спаях) термопары и суммы изменений потенциала, вызванных диффузией электронов.

Так как плотность свободных электронов зависит также и от температуры места соединения металлов А и В, то в месте соприкосновения этих проводников при любых температурах возникает ЭДС.

_{, (1.1)}

называемая контактной термоЭДС, значение и знак которой зависят от природы металлов А и В и температуры t места их соприкосновения.

При подогреве спая 1 (рисунок 1, а) в термоэлектрической цепи появляется электрический ток. Если проводники А и В изготовлены, например, из меди и платины, то в более нагретом спае 1 ток будет направлен от платины В к меди А, а в холодном спае 2 от меди к платине. При подогреве спая 2 ток получает обратное направление. Такие токи называются термоэлектрическими, а создающий их преобразователь термоэлектрическим первичным преобразователем или термометром (термопарой).

При t > t₀ направление термотока в спае 2 определяет знак как самого проводника, так и термоЭДС. Положительным называют тот термоэлектрод, от которого идет ток в спае, имеющем температуру t₀ < t (в спае 2), а отрицательным, - к которому ток идет в том же спае. В рассматриваемой цепи термоэлектрод А – термоположительный, а В – термоотрицательный.

Порядок написания термоэлектродов АВ в индексе символа контакт­ной термоЭДС е_АВ указывает на направление тока в холодном спае (спае 2) и поэтому термоэлектрод, написанный в индексе первым – поло­жительный, а вторым – отрицательный.

На основании закона Вольта в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников А и В, когда температуры мест их соединения одинаковы (t₀ = t) и отсутствуют посторонние ЭДС, термотока не возникает. Вследствие этого необходимо принять, что возникающие при этом контактные термоЭДС в местах соеди­нения 1 и 2 равны между собой, но различны по знаку, и поэтому суммарная термоЭДС цепи равна нулю:

или

_{. (1.2)}

Для цепи из трех различных однородных проводников А, В и С (рисунок 1, б), места соединений которых имеют одну и ту же температуру t, будем иметь:

_(1.3)

т. е. сумма контактных термоЭДС в замкнутой цепи из трех различных однородных проводников при одной и той же темпера­туре их спаев равна нулю. Из этого также следует, что

_{, (1.4)}

т. е. если известна контактная термоЭДС двух проводников по отношению к третьему, то этим самым определяется и контакт­ная термоЭДС между первыми двумя.

Закон Вольта можно распространить также и на замкнутую цепь, состоящую из любого числа различных однородных проводников А, В, С,… М, N. Тогда при одинаковой температуре t мест их соединения сумма кон­тактных термоЭДС равна нулю:

_(1.5)

Следует отметить, что этот закон является прямым следствием второго закона термодинамики, так как если бы сумма контактных термоЭДС в подобной цепи не равнялась нулю, то в цепи был бы термоток. Если бы в цепи имелся термоток, то часть цепи стала бы нагреваться, а другая – охлаждаться, это означало бы, что отвод и подвод тепла осуществляется без затраты работы. Это противоречит второму закону термодинамики и приводит к выводу, что сумма контактных термоЭДС в такой цепи равна нулю, т.е. термоток отсутствует.

В незамкнутом однородном проводнике, если он неравномерно нагрет, на его концах может возникнуть разность потенциалов Δе:

_{, (1.6)}

которая зависит только от температур концов проводника и не за­висит от распределения температуры по его длине.

На основании вышеизложенного мы можем написать основное уравнение термоэлектрического термометра, выражающее в общем виде зависимость суммарной термоЭДС, возникающей в цепи из двух разнородных термоэлектродов А и В, от температуры мест их соединения:

_(1.7)

или

_{. (1.8)}

т. е. термоЭДС термоэлектрического термометра (цепи из разнородных; проводников, места соединений которых имеют равные температуры) равна разности контактных термоЭДС.

Выясним, как влияет на значение термоЭДС термоэлектри­ческого термометра третий проводник, включенный в его цепь. Для этой цели рассмотрим термоэлектрический термометр, состоя­щий из термоэлектродов А и В, в цепь которого включен проводник С (рисунок 2, а). При этом температура спая 1 равна t, а темпера­тура мест соединения (2 и 3) равна t₀. Определим термоЭДС Е для этой цепи. В соответствии с принятыми условиями

_(1.9)

Принимая во внимание уравнение (1.3), получаем из (1.9):

_(1.10)

Это уравнение полностью совпадает с (1.8).

Рассмотрим теперь термоэлектрическую цепь, изображенную на рисунке 2, б. Полагая, что температуры мест соединений 3 и 4 равны между собой, будем иметь:

_(1.11)

_{Полученное уравнение} легко приводится к виду (1.8), если учесть, что _и

Из этого следует, что термоЭДС термоэлектрического тер­мометра не изменяется от введения в его цепь третьего проводника, если температуры концов этого проводника одинаковы.