Лабораторна робота № 7

Тема: дослідження термоелектричних перетворювчів

Мета: Ознайомлення з роботою термоелектричних термо-метрів

Технічне забезпечення пеом Короткі теоретичні відомості

Первинним перетворювачем термоелектричного термометра служить термопара, яка складається з двох різнорідних провідників (рис. 7.1).

1 – показуючий пристрій, 2 – з’єднувальні провідники

3, 4 – термоелектроди

Рисунок 7.1 – Термоелектричне коло з двох різнорідних провідників

Принцип дії термопари заснований на термоелектричному ефекті, який заключається в тому, що в замкнутому колі з двох чи декількох різнорідних провідників виникає електричний струм, якщо хоча б два місця з’єднання (спаю) провідників мають різну температуру.

Спай з температурою t називається гарячим чи робочим, а спай з постійною температурою t₀ – холодним чи вільним. Провідники А і В називаються термоелектродами. Термоелектричний ефект пояснюється наявністю в металі вільних електронів, число яких в одиниці об’єму різне для різних металів. Припустимо, що у спаї з температурою t електрони з металу А дифундують в метал В в більшій кількості, ніж у зворотному напрямку. Тоді метал А заряджається додатно, а метал В – від’ємно.

Електричне поле, що виникає в місці дотику провідників, перешкоджає цій дифузії, і, коли швидкість дифузії електронів стане рівна швидкості їх зворотнього переходу під впливом встановленого електричного поля, настає стан рухливої рівноваги. При такому стані між провідниками А і В виникає деяка різниця потенціалів.

Якщо спаяні однорідні провідники В і В, кінці яких нагріті до різних температур, то вільні електрони дифундують з більш нагрітих частин провідника в менш нагріті з більшою інтенсивністю, ніж у зворотному напрямку. Більш нагріті кінці првідників заряджаються додатньо до того часу, поки не настане стан рівноваги через різницю потенціалів, що утворилася, яка діє в напрямку, зворотному до напрямку теплової дифузії електронів.

Електронна теорія дає лиш фізичне (якісне) пояснення термоелектричного ефекта. Кількісне визначення термо електрорушійної сили (ТЕРС) на основі цієї теорії неможливо, оскільки число вільних електронів на одиницю об’єму не піддається кількісному обліку і невідомий закон їх зміни із зміною температури.

Зі сказаного вище випливає, що в простому термоелектричному колі, що складається з двох різнорідних провідників А і В (див. рис. 7.1), виникають чотири різних ТЕРС: дві ТЕРС в місцях спаїв провідників А і В; ТЕРС на кінці провідника А і ТЕРС на кінці провідника В.

Враховуючи обидва фактори, які визначають сумарну ТЕРС замкнутого кола, яке складається з двох провідників А і В, спаї яких нагріті до температур t i t₀ (див. рис.7.1), і обходячи коло проти годинникової стрілки, одержимо

,

де E_AB(tt₀) – сумарна ТЕРС, яка визначається дією обох факторів;

e_AB(t),e_BA(t₀) – ТЕРС, які обумовлені контактною різницею потенціалів і різницею температур кінців провідників А і В.

Якщо температура спаїв однакова, то ТЕРС у колі рівна нулю, оскільки в обидвох випадках виникають ТЕРС, рівні за величиною і напрямлені назустріч одна одній. Відповідно, при t= t₀ ; .

Отже, одержимо:

.

З даного рівняння випливає, що ТЕРС являє собою складну функцію двох змінних величин t i t₀, тобто температур обох спаїв.

Підтримуючи температуру одного з спаїв постійною, наприклад, припускаючи , одержимо

.

Якщо для даної термопари експериментально, тобто шляхом градуювання, знайдена дана залежність, то вимірювання температури зводиться до визначення ТЕРС термопари.

Хід роботи

Запустити схему дослідження (рисунок 7.2). Записати значення вихідного сигналу для різних значеннях температури. Побудувати графік залежності ТЕРС від температури.

Рисунок 7.2 – Схема проведення лабораторної роботи

Повторити дослідження для двох різних типів термопар.

Контрольні питання

1 Принцип дії термопар

2 Способи зняття вихідного сигналу з термопари

3 Матеріали які застосовуються для виготовлення термопар

4 Температурний діапазон термопар різного типу

5 Похибки термопар

6 Способи компенсації температури холодних кінців