Опис експериментальної установки

Виходячи з найбільшої величини температури, що очікується і отримання більшого значення ТЕРС, вибирають матеріал термопари і приступають до її виготовлення, яке проводиться методом електрозварювання (рис.1.2).

Рис.1.2. Схема пристрою для виготовлення термопари

1-фарфоровий тигель, 2-дріт, з якого виготовлена термопара, 3-лабораторний автотрансформатор, 4-електрод, 5-контактор.

Фарфоровий тигель 1, в якому відбувається зварювання термопари, заповнений порошком графіту. Один з електродів автотрансформатора занурений у графіт, який служить для створення змінного опору в ланцюгу та виключає виникнення короткого замикання і дозволяє регулювати температуру в зоні зварювання термопари. Дріт 2, з якого виготовляється термопара, приєднується до другого електроду лабораторного автотрансформатора 3. Автотрансформатором регулюється подача напруги на електроди при зварюванні термопари в залежності від матеріалу і діаметра дроту термопари. Оптимальна величина напруги на електродах при зварюванні підбирається дослідним шляхом.

Скручені кінці дротів, з яких виготовляється термопара, повільно занурюють у графітовий порошок, що знаходиться в тиглі, стежачи за тим, щоб не сталося зіткнення термопари з електродом 4, поміщеним на дно тигля. Потім контактором 5 замикається ланцюг і відбувається зварювання термопари. Тривалість зварювання визначається дослідним шляхом, виходячи з умови отримання на кінці скручених дротів однорідного гладкого спаю у вигляді кульки.

Тарування термопари проводиться згідно зі схемою на рис.1.3. Виготовлена термопара 1 разом з ртутним термометром 2 (ціна поділки 0,1ºС) занурюються в ємність 3 з мінеральним маслом або тигельну піч. Потім включають підігрів ємності. З підвищенням температури через кожні 10…30ºС роблять відлік показань ТЕРС термопари по мілівольтметру 4. Результати дослідів заносяться в протокол експериментальних даних наведений нижче.

Рис.1.3. Принципова схема установки для тарування термопари.

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з експериментальною установкою, конструкцією і правилами користування приладами.

2. Виходячи з діапазону вимірювання температури визначитися з матеріалом для дротів термопари.

3. Виготовити термопару та провести її тарування.

4. За результатами дослідів побудувати тарувальну криву термопари

Е = f(Δt).

Протокол експериментальних даних

Роботу виконав студент _______________ групи №__________

Результати вимірювань при таруванні термопари

№	Температура гарячого спаю t1, 0С	Температура холодного спаю t0, 0С	Різниця температур спаїв термопари Δt, 0	ТЕРС термопари Е, мВ
1
2
3…

Звіт по роботі

1. Короткі відомості по принципу дії термопари і способам внесення поправки на температуру холодного спаю термопари.

2. Принципова схема установки із зазначенням її елементів.

3. Протокол досліджуваних даних.

4. Розрахунки з обробки результатів досліду.

5. Тарувальна крива термопари Е = f(Δt).

6. Висновки.

Контрольні питання

1. Які матеріали використовуються для виготовлення термопар?

2. Який принцип вимірювання температури за допомогою термопари?

3. Які діапазони вимірювання температури різними термопарами?

Література [2],[4],[6]

Лабораторна робота

Тарування термометра опору

Мета роботи: вивчення будови та принципу дії термометрів опору, установок і приладів для тарування термометрів опору, вибір матеріалу термометрів опору в залежності від діапазону вимірювання температур .

Короткі відомості з теорії

Термометри опору ( терморезистори ) засновані на зміні електричного опору провідників і напівпровідників при нагріванні ( охолодженні ). Вони застосовуються для вимірювання температури від 10 до 1000 К.

Термометри опору складаються з чутливого елемента 1 у вигляді обмотки з тонкого дроту або напівпровідникового стержня ( рис.2.1 ) , з'єднувальних проводів 2 , електровимірювального приладу 4 і джерела струму 3 . Більшість металів мають позитивний температурний коефіцієнт електричного опору, досягаючий 0,4 - 0,6 % K ^{- l} . Концентрація вільних електронів в провіднику велика - порядку 10²² у кубічному сантиметрі; в напівпровідниках вона на 6 - 10 порядків менше. Зі зростанням температури рухливість вільних електронів в провідниках падає, що викликає зростання їхнього опору. У напівпровідниках підвищення їх температури супроводжується зростанням концентрації вільних електронів внаслідок підвищення їх енергії. В результаті цього опір напівпровідників при збільшенні температури падає. Чутливі елементи технічних термометрів опору виконують з платини або міді. Ці матеріали найбільш повно задовольняють вимоги по хімічній стійкості та по відтворюваності значень електричного опору в інтервалі робочих температур.

Рис 2.1 Ланцюг електричного термометру опору.

1-чутливий елемент термометру, 2-з’єднувальні провідники, 3-джерело струму,

4-електровимірювальний прилад.

Платинові термометри опору використовують в якості технічних та зразкових приладів. Опір платини виражається залежностями:

• в межах від 0 до 650º С R_t == R₀ ( l + аt +bt²) ;

• в межах від - 200 до 0ºС R_t = R₀ (1 + аt + bt²+с(t-100)t³).

де R_t і R₀ - опори при t і 0ºС; а, b, c - постійні коефіцієнти , відповідно рівні 3,96847∙10^-3; -5,847∙10^-7; -4,22∙10^-12.

В технічних платинових термометрах опору (ТОП) чутливі елементи виконують з дроту діаметром 0,07 мм. Неізольований дріт 2 біфілярно намотується на слюдяну пластинку 1 з зубчастими краями (рис.2.2, а). Це різко знижує їх індуктивний опір . Кінці дроту приварюють до срібних провідників 5 діаметром 1 мм. Вони ізольовані фарфоровими бусами і виведені до затискачів головки термометра. Пластинка з платиновим дротом захищається з двох сторін слюдяними накладками 4, скріплюється срібною стрічкою 3 та поміщається в алюмінієву трубку. Ця трубка встановлюється в захисний чохол термометра. Є інші конструкції чутливих елементів, наприклад, дріт намотують на кварцевий стержень, а потім вставляють у трубку і кінець оплавляють.

Платинові тepмометри виконують трьох градуювань, що розрізняються початковим опором Ro при 0º С. Технічні дані цих термометрів наведено в табл. 2.1 .

Таблиця 2.1 Характеристики платинових термометрів опору
Позначення градуювання	опір R0, при 0ºС, Ом	Межа вимірювання, ºС		Допустимі відхилення від R0, %
		нижня	верхня	термометри класу І	термометри класу ІІ
Гр 20	10	0	650	±0,05	±0,1
Гр 21	46	-200	500
Гр 22	100	-200	500

Для кожного градуювання встановлені таблиці з інтервалом температури 1ºС. Незначні домішки в платині викликають відхилення опору від градуювальної залежності. Дoпустимі відхилення вказані в табл. 2.1. При таких допустимих відхиленнях похибка вимірювання позитивних температур не повинна перевищувати:

для термометрів класу І Δt=±(0,15+3,0∙10^-3∙t),

для термометрів класу ІІ Δt=±(0,3+4,5∙10^-3∙t).

П охибка для від’ємних температур дещо вища.

Рис 2.2 Чутливі елементи термометрів опору:

а-платиновий, б-стержневий терморезистор, в-бусинковий терморезистор.

Мідні термометри опору (ТОМ) застосовують для вимірювання. температури від - 50 до 180ºС. Чутливий елемент виконують з ізольованого мідного дроту діаметром 0,1 мм. Дріт біфілярно намотується на пластмасову колодку у кілька шарів і покривається лаком. Кінці дроту припаюють до підвідних мідних проводів діаметром 1-1,5 мм. Чутливий елемент встановлюють в трубочку, а потім в захисний чохол. Мідні термометри випускають двох градуювань, що розрізняються початковим опором R_o при 0ºС. Для кожного градуювання є градуювальні таблиці. Технічні дані ТОМ представлені в табл.2.2.

Таблиця 2.2 Характеристики мідних термометрів опору
Позначення градуювання	опір R0, при 0ºС, Ом	Межа вимірювання, ºС		Допустимі відхилення від R0, %, для термометрів класу ІІ і ІІІ
		нижня	верхня
Гр 23	53	-50	180	±0,1
Гр 24	100	-50	180

Допустима похибка вимірювання температури за рахунок відхилень від градуювальної залежності не повинна перевищувати:

для термометрів класу ІІ Δt=±(0,3+3,5∙10^-3∙|t|),

для термометрів класу III Δt=±(0,3+6∙10^-3∙|t|),

Напівпровідникові термометри опору (НТО) або терморезистори, виготовляють із сумішей оксидів міді, марганцю, магнію, нікелю, кобальту і інших металів. Суміші із зв'язуючими добавками спікають і обпалюють, надаючи їм різну форму (циліндрів, бусинок, шайбочок). В торці чутливих елементів 1 вварюють електроди 2, які з'єднуються з виводами 3. Чутливий елемент укладений в захисну оболонку 4. Великий температурний коефіцієнт (до 8% K^-1) і високий питомий електричний опір дозволяє створювати чутливі елементи малих розмірів.

Характерною особливістю НТО є експоненціальна залежність опору від температури, тобто Rt==Aexp(В/Т). Де А і В - сталі, значення яких визначаються властивостями матеріалів.

При відомому опорі при початкових умовах (R₀ при Т₀) рівняння залежності опору від температури набуває вигляду

Промисловість випускає кобальтомарганцеві (КМТ) і мідно-марганцеві (ММТ) терморезистори. Вони мають високу чутливість, з їх допомогою можна вимірювати найменші різниці температур (до 0,0005К). Напівпровідникові термометри опору використовуються для вимірювання температури від -100 до 300º С. Основною перешкодою, що обмежує широке впровадження НТО, є погана відтворюваність їх властивостей. Це виключає їх взаємозамінність. Навіть для одного типу терморезисторів стала у формулі неоднакова. Тому кожен НТО проходить індивідуальне градуювання.

Між електричним опором термометрів і температурою існує строго визначений зв'язок. Вимірювання опору проводиться компенсаційним і мостовим методами і за допомогою логометра. Вимірювальний ланцюг включає джерело струму. При вимірюванні струм частково проходить через чутливий елемент, викликаючи його додатковий нагрів. Щоб виключити вплив струму, енергія, що виділяється повинна бути дуже малою. Так, у провідникових термометрах опору вона не повинна перевищувати 10 мВт, в напівпровідникових 0,3-0,2 мВт.