Лабораторная работа № 9 Тема: измерение температуры температурными датчиками

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомление с принципом работы, градуировкой и использованием термопары, термометр сопротивления и терморезистора (термистора).

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: дифференциальная хромель-копелевая термопара, батарея термопар, платиновый термометр сопротивления, полупроводниковое сопротивление, универсальный цифровой вольтметр В7-16А, калориметр, нагреватель, ртутный термометр, коммутирующий ключ и потенциометр КСП-4.

Краткая теория:

Измерение температуры обычно производится косвенным путем, т.е. основывается на зависимости от температуры таких физических параметров, которые могут быть измерены непосредственно.

При измерении температуры в качестве термометрических параметров очень широко используются термоэлектродвижущая сила различных пар проводников и полупроводников и сопротивление электрическому току проводников и полупроводников. В связи с этим кроме термометров, основанных на зависимости изменения объема жидкости от температуры (например, ртутные термометры), применяют термопары, термометры сопротивления. Преимущества при использовании термопар, термометров сопротивления и термисторов заключаются в повышении точности и быстроты измерений температуры. При изменении температуры изменяется проводимость чистых металлов, сплавов и полупроводников. Сопротивление металлов при увеличении температуры увеличивается, так как подвижность носителей зарядов уменьшается вследствие возрастания числа столкновений их с атомами кристаллической решетки, т.е. уменьшения средней длины свободного пробега. У полупроводников при нагревании увеличивается концентрация свободных носителей заряда, что приводит, несмотря на уменьшении их подвижности, к уменьшению сопротивления по экспоненциальному закону. Сопротивление металлов при изменении температуры на один градус изменяется примерно на 0,4 - 0,6%, у полупроводников соответствующее изменение сопротивления в 8 - 10 раз больше, чем у металлов. Это свойство металлов и полупроводников используется для измерения температуры. Приборы, основанные на зависимости сопротивления металлов от температуры, называются термометрами сопротивления, в случае полупроводников - терморезисторами или термисторами. Они представляют собой температурные датчики, входной величиной которых является температура, а выходной - сопротивление.

Термометры сопротивления изготавливаются из тонкой металлической проволоки, намотанной на каркас из изолирующего материала. Они имеют линейную характеристику R = f(t). Чувствительным элементом терморезистора является кристаллический полупроводник, имеющий очень малые размеры, что делает терморезисторы очень удобными для медицинских и биологических исследований. Вследствие малых размеров термисторы обладают малой теплоемкостью, что значительно повышает точность измерения температуры. Существенным недостатком терморезистора является нелинейность его характеристики. Однако характеристики отдельных элементов отличаются высокой стабильностью во времени.

Если привести в плотное соприкосновение (сварить) два конца проволочек из различных металлов, то в области их соединения возникнет контактная разность потенциалов (рис. 1). Рассмотрим причину этого явления. Концентрация свободных

рис.1

электронов и силы, связывающие электроны с кристаллической решеткой, различны для диффузии электронов из одного металла в другой. Так как концентрация электронов в этих проводниках неодинакова (n01>n02), то диффундирующие

потоки будут разными. Это приведет к тому, что один проводник зарядится положительно, а другой отрицательно, т.е. возникнет скачок потенциала на границе проводников. При воздействии этой разности потенциалов диффузия электронов прекратится, установится некоторое подвижное равновесие между числом электронов, переходящих из одного проводника в другой и обратно, а между проводниками появиться контактная разность потенциалов. Если из двух таких проводников составить замкнутую цепь и поддерживать точки контактов при одинаковой температуре, то тока в цепи не будет, так как скачки потенциалов на обоих контактах одинаковы и направлены навстречу друг другу. Результирующая ЭДС в цепи равна нулю. Если температуры t₁ и t₀ контактов разные, причем t₁ > t₀ , то в горячем спае потенциал будет больше, чем в холодном. В цепи возникает электродвижущая сила, равная разности потенциалов горячего и холодного спая, т.е. измеряемая электродвижущая сила

Е = φ₁ - φ₀ (1)

При небольшой разности температур можно считать, что

Е = (t₁ - t₀) (2)

где  - чувствительность термоэлектрического датчика, показывающая, на сколько меняется термо-ЭДС при изменении разности температур на один градус Цельсия. Эта величина сильно различается для различных пар проводников и составляет несколько микровольт на градус.

Термопарой можно измерить только разности температур между спаями. Если температура одного из спаев постоянна, то термо-эдс будет зависеть только от температуры другого спая. Обычно один спай поддерживается при 0 ⁰С, комнатной или другой, но строго постоянной и точно известной температуре, т.е. этот спай термостатируется. Он называется холодным спаем. Другой спай называется горячим или измерительным.

Существуют различные схемы включения термопар. Простейшая схема: термопара подключается непосредственно к клеммам измерительного прибора или через удлинительные провода, обычно медные (рис.2).

Рис. 2

а и b - термоэлектроды, с - удлинительные провода, 1-горячий спай, 2 и 3 холодные спаи, П - потенциометр.

Для более точных измерений температуры используют дифференциальную термопару, которая представляет собой цепь последовательно соединенных термопар.

Градуировка термопары производится по показаниям эталонной термопары, термометра или другого термодатчика, градуировка которого точно известна. Данные градуировки заносятся в таблицу, по которой строится график. По графику можно найти значения температур при последующем использовании термопары.

ХОД РАБОТЫ

I. ГРАДУИРОВКА ТЕРМОМЕТРА СОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЕРМИСТОРА:

а) включите омметр в сеть и прогрейте прибор в течение 5 минут;

б) поместите термометр сопротивления и термистор в сосуд с водой, нагретой до t=90 ⁰С;

в) переведите ключ в положение «Металл» и снимите показания омметра (R_м) для термометра сопротивления;

г) переведите ключ в положение «Полупроводник» и снимите показания омметра (R_п/п) для термистора при той же температуре;

д) повторите пункты (в) и (г) при следующих значениях температуры: 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 0 градусов Цельсия;

е) результаты измерений запишите в таблицу 1;

ж) по полученным данным постройте графики зависимости сопротивления металлического и полупроводникового датчиков от температуры;

з) используя полученные значения определите чувствительность термометра сопротивления и термистора по формуле:

ТАБЛИЦА 1

t, 0С	90	80	70	60	50	40	30	20	10	0
Rм, Ом
Rп/п, Ом

II. ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ:

а) поместите измерительный спай термопары в сосуд с водой, нагретой до t=90⁰С. Второй спай термопары поместить в калориметр с тающим льдом;

б) проведите измерения ЭДС термопары (Е);

в) проведите измерения термо-ЭДС при следующих значениях температуры: 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10 и 0 градусов Цельсия;

г) результаты измерений занесите в таблицу;

д) по полученным данным постройте график зависимости термо-ЭДС термопары от температуры;

з) по полученным данным определите чувствительность термопары, используя формулу

ТАБЛИЦА 2

t, 0С	90	80	70	60	50	40	30	20	10	0
Е, мВ

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Укажите известные вам методы измерения температуры и их физические основы (ртутный термометр, термометр сопротивления, термистор и термопара).

2. Что является входной и выходной величинами термоэлектрического датчика?

3. Объясните зависимость сопротивления металлов и полупроводников от температуры.

4. Что такое контактная разность потенциалов? Какие причины обуславливают ее возникновение?

5. Что называется термоэлектродвижущей силой?