ГМИ методичка

4.2. Потенциометр ПП-63 (раздел для группы «И»)

Потенциометр ПП-63 позволяет измерить ЭДС термопары или термобатареи с большой точностью. Его упрощенная схема приведенанарис.4.4.Источникомкомпенсирующегонапряженияслужит батарея постоянного тока. В цепи R1–R2 создается рабочий ток, равный 2 мА.

Его можно регулировать с помощью сопротивления R2. Для регулировки рабочего тока к схеме подключается нормальный элемент (НЭ) переключателем К. Так как напряжение, снимаемое с нормального элемента, всегда строго постоянно, то происходит сравнение токов, даваемым нормальным элементом, и током, даваемым батареей (потенциометр R1 в этом случае должен быть полностью выведен). Сопротивлением R2 добиваются нулевого тока через гальванометр G, это означает, что рабочий ток через контур R1–R2 отрегулирован. Далее ключ К переключают в верхнее положение, т. е. подключают к схеме источник измеряемого напряжения εх – например, термопару. После этого с помощью потенциометра снова добиваются нулевого показания гальванометра, а затем снимают данные со шкалы. В приборе ПП-63 потенциометр состоит из нескольких резисторов со ступенчатым переключением. Величины этих резисторов рассчитаны так, что с первого резистора снимаются единицы вольт, со второго – десятые доли вольта, с третьего – сотые и т. д. Специальный переключатель дает возможность переключать полярность напряжения, подаваемого на схему с потенциометра, с учетом направления тока в измерительной цепи.

Рис. 4.4. Упрощенная схема потенциометра ПП-63

51

4.3. Выполнение работы

Для выполнения работы необходимы:

––термопара, термобатарея (рис. 4.5-1, 2);

––термостат и кипятильник для подогрева воды;

––термометр для измерения температуры воды в термостате;

––прибор Р-4833 (рис. 4.5-3) или его аналог;

––две соединительные перемычки (рис. 4.5-4);

––зеркальный гальванометр (рис. 4.5-5).

1.Воспользуйтесь готовой термопарой и термобатарей (n = 5). Запишите их параметры – материалы, из которых они изготовлены

изначение табличной термоЭДС e (см. стенд рядом с установкой).

2.Измерьте сопротивление термопары и термобатареи при комнатной температуре. Для этого воспользуйтесь одним из имеющихся в лаборатории приборов для измерения сопротивления – например, измерительным прибором Р-4833. Порядок работы с прибором Р-4833 приведен в Приложении 5. Учтите, что измеренное сопротивлениевключаетвсебяисопротивлениеподводящихпроводов

Рис. 4.5. Приборы для выполнения лабораторной работы № 4: 1 – термопара; 2 – термобатарея; 3 – прибор Р-4833;

4 – соединительные перемычки; 5 – зеркальный гальванометр

52

вформулах4.2–4.3.ТакимобразомВыизмеряетесуммусопротивле- ний – (Rn + r ) или (n Rn + r ) .

3.Соберите схему, изображенную на рис. 4.1, подключив термопару к зеркальному гальванометру для измерения малых токов. Подготовьте термостат с водой 40–50° С. Затем включите вилку гальванометра в сеть. Замкните накоротко измерительные клеммы гальванометра. Указатель – т. е. световое пятно с темной полоской посередине – должен находиться на нулевой отметке шкалы. Если это не так, скорректируйте его положение механическим корректором, расположенным на правой боковой стенке прибора. Запишите также внутреннее сопротивление гальванометра (см. стенд рядом

сустановкой).

4.Опустите в термостат один термоспай, а другой оставьте при комнатной температуре и наблюдайте отклонение указателя гальванометра. В случае если отклонение окажется слишком сильным (прибор зашкалит), уменьшите температуру воды в термостате до значения, позволяющего проводить наблюдения.

5.Приступайте к градуировке термопары. Для этого измерьте комнатную температуру с помощью термометра. Запишите ее значение. Затем поместите термометр в «теплый» термостат. Запишите значение температуры и показания гальванометра в микроамперах. Для перевода показаний в микроамперы используйте цену деления шкалы гальванометра (см. стенд рядом с установкой). Измените температуру воды в «теплом» термостате, запишите новые значения температуры воды и показаний гальванометра. Снова измените температуру воды, и так далее, пока температура воды в «теплом» термостате не станет равной комнатной температуре. Рекомендуется изменять температуру воды не более, чем на 3–4 градуса, а перед очередным отсчетом выждать 1–2 минуты, пока показания термометра и гальванометра не установятся. В результате у Вас в рабочей тетрадидолжнабытьтаблицазависимостиJ(t),гдеJ –значениетер- мотока, t – температура «теплого» спая. Необходимо снять не менее 8–10 отсчетов.

6.Проградуируйте термобатарею, подключив еек гальванометру и повторив операции по п. 5.

7.Подключите термопару к прибору Р-4833 (или другому аналогичномуприбору)ипроведитеградуировку,осуществляякаждый раз компенсацию тока термопары внешним током (Приложение 5) и записывая полученные значения ЭДС. Затем подключите к прибору

53

термобатарею и проградуируйте ее, проведя с ней те же операции. В результате у Вас должны быть таблицы градуировки термобатареи и термопары с помощью Р-4833, где записаны значения температур «теплого» спая и соответствующие значения измеренной термоЭДС.

8. Выключите все приборы и слейте воду из термостатов. Уберите свое рабочее место.

4.4.Обработка результатов

1.Пользуясь известными значениями термоЭДС термопары и термобатареи, а также значениями величин сопротивления термопары, термобатареи и гальванометра, рассчитайте по формуле (4.3) значения чувствительности термопары и термобатареи при измерениях с гальванометром.

2.Пользуясь известным значением цены деления гальванометра (мкА/дел), переведите показания гальванометра в значения термотока. Постройте график зависимости термотока от разности температур между спаями для термопары и термобатареи. Определите по графикам значения чувствительности термопары и термобатареи, пользуясь методом графического дифференцирования (рис. 3.6). Сравните их с расчетными значениями, а также между собой. Как Вы считаете, в Ваших опытах чувствительность пропорциональна числу термопар, или нет? Почему? Объясните ответ.

3.По результатам работы постройте график зависимости термоЭДС от разности температур спаев для термопары и термобатареи.Определитечувствительностьтермопарыитермобатареиметодом графического дифференцирования, имея в виду значение про-

собой чувствительность термопары и термобатареи.

4.5. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1.Краткие сведения из теории. Схемы подключения термопары и термобатареи. Компенсационные схемы.

2.Пояснения всех операций, сделанных Вами при выполнении работы с последовательным представлением результатов в виде

54

таблиц. При этом должны быть пояснены буквенные значения всех величин и указаны их размерности.

3.Графики зависимостей термотока от разности температур,

атакже термоЭДС от разности температур – для термопары и термобатареи.

4.Формулы для расчета чувствительности и рассчитанные значения чувствительности термопары и термобатареи – как по формулам, так и методом графического дифференцирования.

5.Анализ результатов. Обратите внимание на вопрос, поставленный в п. 2 раздела «Обработка результатов».

4.6.Контрольные вопросы

1.Поясните причины возникновения термоэлектричества.

2.Какие термоэлектрические явления Вы знаете? Напишите формулы для термоЭДС и термотока.

3.Что такое явление Пельтье? Объясните обратимость явлений Зеебека и Пельтье.

4.Докажите, что при возникновении термотока теплый спай термопары несколько охлаждается, а холодный – нагревается.

5.Как изображается на схемах термопара?

6.Как правильно пользовать таблицами для термоЭДС при определении величины e для пары из заданных материалов?

7.Нарисуйте схему термобатареи и объясните, как ее следует собирать.

8.Что такое чувствительность термопары и термобатареи? Дайте определение словами и формулой.

9. Сравните чувствительность термопары и термобатареи. В каких случаях чувствительность термобатареи пропорциональна числу термопар, а в каких – не зависит от их числа?

10.Перечислите все известные погрешности термопары (термобатареи).

11.Нарисуйте компенсационную схему и объясните ее работу.

12.Почему компенсационная схема ликвидирует все погрешности термопары?

13.Каким образом в компенсационной схеме можно избежать употребления двух гальванометров и обойтись лишь одним?

14.Что такое рабочий ток, и как правильно его установить перед измерением?

55

16.Объясните употребление кнопок «точно» и «грубо» в компенсационных потенциометрах МО-62, ПП-63 и Р-4833.

17.Каков порядок градуировки термопары и термобатареи?

18.Почему при градуировке термопары необходимы два термостата?

19.Какие величины Вы должны измерить, чтобы рассчитать чувствительность термопары и термобатареи по формулам?

20.Как определить чувствительность термопары и термобатареи по градуировочным графикам?

21.Термобатарея состоит из трех термопар. Означает ли это, что ее чувствительность должна быть в три раза больше, чем чувствительность одной термопары?

22.Каков порядок градуировки термопары и термобатареи

спомощью компенсационных потенциометров?

23.Вы включили термопару к компенсационному потенциометру. Однако, несмотря на все Ваши усилия, Вам не удается добиться компенсации. Стрелка нуль-индикатора все время резко отклоняется в одну сторону. Каковы возможные причины этого, и каковы будут Ваши дальнейшие действия?

24.Какие графики по результатамработыскомпенсационными потенциометрамиВыдолжныпостроить?Каковпорядокобработки этих графиков при написании отчета?

4.7.Литература

1.Григоров Н.О., Саенко А.Г., Восканян К.Л. Методы и сред-

ства метеорологических измерений. Метеорологические приборы. Учебник по курсу. 2012. С. 46–53.

2.Григоров Н.О. Презентации курса лекций «Гидрометеоро-

логические измерения». http://gmi.rshu.ru. Тема 1.8.

5.Исследование психрометра. Лабораторная работа № 5

Цель работы – исследовать динамику температуры ртутного термометра после его смачивания; изучить принцип действия электрического аспирационного психрометра, в котором в качестве

56

чувствительных элементов использованы терморезисторы. Определить психрометрический коэффициент и его зависимость от скорости аспирации.

5.1. Общие сведения

Коротко напомним основные положения психрометрического метода.

Испарение воды с поверхности термометрического тела связано с затратами тепла, что вызывает охлаждение термометра. В установившемся состоянии затраты тепла компенсируются притоком тепла из окружающего воздуха, а также от частей термометра, имеющих другую температуру (стеклянный стержень, металлическая шкала и др.). Психрометрическая разность, т. е. разность температур между сухим и смоченным термометрами зависит от влажности воздуха. Содержание водяного пара в воздухе (его парциальное давление) вычисляется по психрометрической формуле:

где e – парциальное давление водяного пара в воздухе, E' – давление насыщенного пара при температуре смоченного термометра t', t – температура окружающего воздуха (сухого термометра), p – атмосферное давление, A – психрометрический коэффициент.

Значение A зависит от конструкции термометра, а также от скорости теплообмена между термометрическим телом и средой. В свою очередь, скорость теплообмена определяется скоростью воздушного потока V. Зависимость A(V) обычно аппроксимируется формулой:

где A∞ – значение коэффициента A при V → ∞, a – размерный пара-

метр, зависящий от конструкции термометра.

Из сказанного следует, что значение относительной влажности f может быть определено лишь при условии, что психрометрический коэффициент A заранее известен. Для стандартных термометров, применяемых обычно в метеорологических измерениях, психрометрический коэффициент определен достаточно точно. При составлении психрометрических таблиц скорость воздушного

57

потока принята равной 0,8 м/с для ртутных метеорологических термометров ТМ-4, применяемых попарно в жалюзийных будках. Для таких условий A = 7,947 × 10–4 К–1. Для ртутных термометров ТМ-6, применяемых в аспирационных психрометрах типа МВ-4 М, М-34, скорость аспирации составляет 2,0 м/с, тогда A = 6,62 × 10–4 К–1. Если же для определения влажности применяются другие термометры, то для них необходимо заранее определить психрометрический коэффициент.

При выполнении лабораторной работы студенты обязаны определить психрометрический коэффициент A для психрометра, состоящего из пары терморезисторов, помещенных в корпус специального датчика (рис. 5.1). Смачивание термометра происходит автоматически, а аспирация осуществляется с помощью малогабаритного электровентилятора.

При постоянном напряжении питания, подаваемом на электровентилятор, скорость аспирации также постоянна. Терморезисторы включенывспециальнуюсхему(рис.5.2)дляопределениятемпературы сухого термометра и психрометрической разности.

Схема представляет собой неуравновешенный мост сопротивлений. При переключении ключа РS в нижнее положение возникает сигнал разбаланса, зависящий только от температуры сухого терморезистора. Резистор R5 позволяет регулировать одно из плеч моста. С его помощью задается начало измерения температуры t. В данной схеме диапазон измерения выбран от +10 до +30° С.

При переключении ключа PS в верхнее положение образуется дифференциальный термометр сопротивления. Сигнал разбаланса определяется разностью температур сухого и смоченного терморезисторов t–t’. Поскольку в схеме применены абсолютно одинаковые терморезисторы (сопротивление каждого из них равно 11 кОм при 0 °С), то схема уравновешена при нулевой разности температур.

ПеременныйрезисторR4 представляетсобоймалоомноесопротивление, необходимое для настройки моста и ликвидации разбаланса при нулевой разности t – t’.

Далеесигналразбалансаусиливаетсядифференциальнымусили­ телем, собранным на микросхемах (рис. 5.3).

ПеременныйрезисторR6 служитдлянастройкинулевогозначе- ниявыходногосигнала–онодолжносоответствоватьнулевомузна- чению входного сигнала. Эта настройка производится до подключения мостовой схемы к усилителю. Резистор R8 включен последовательно с микроамперметром и позволяет регулировать выходной

58

Рис. 5.1. Электрический психрометр с автоматическим смачиванием: а – схематичное изображение; б – внешний вид; 1 – электровентилятор;

2 – крыльчатка; 3 – смоченный терморезистор; 4 – батист; 5 – сосуд с водой, пополняемый автоматически, 6 – накидная гайка для съема смоченного терморезистора, 7 – накидная гайка для съема сухого терморезистора

Рис. 5.2. Принципиальная схема электрического психрометра: Rt – сухой терморезистор, Rt’ – смоченный терморезистор,

R1; R2; R3 – постоянные резисторы, R4 и R5 – переменные резисторы

Рис. 5.3. Принципиальная схема усилителя сигнала разбаланса

ток. С его помощью регулируется цена деления, а следовательно – верхнее значение измеряемого диапазона температур.

Данная схема настроена таким образом, что диапазон изменения температур составляет 20° С. Следовательно, температура сухого терморезистора может быть измерена в пределах от +10° до +30 °С, а психометрическая разность t = t – t’– от 0° до 20° С. Соответствующие значения t и t нанесены на шкалу измерительного прибора.

5.2. Выполнение работы

Для выполнения работы необходимы:

––аспирационный психрометр (рис. 5.4);

––барометр;

––психрометрические таблицы;

––секундомер;

––электрический психрометр (рис. 5.4);

––градуировочные графики.

1. Исследуйте зависимость от времени температуры смоченного термометра. Для опытов в этой части работы воспользуйтесь аспирационным психрометром. Заранее составьте таблицу, в которую через определенные промежутки времени записывайте температуру смоченного термометра.

60