Методика эксперимента

В данной работе проводится градуировка медь-константановой термопары (константан - это сплав никеля и меди с добавкой марганца, отличающийся слабой зависимостью сопротивления от температуры). Термопара, проволоки которой изолированы в двухканальной фарфоровой трубке, прикреплена к дюралевой планке, в свою очередь укрепленной на штативе. Эдс термопары измеряется потенциометром (принцип работы потенциометра и его устройство изложены ниже).

В работе используются три реперные точки: 0C, 100C, 231,97C. Реперная точка0C- это температура тающего льда (смеси льда с водой). Реперная точка100C- температура кипящей воды, точнее, паров над кипящей водой. Реперная точка231,97C- температура, при которой твердое олово плавится или жидкое олово отвердевает. Иначе, это температура олова, когда оно плавится, но еще не полностью расплавилось, или когда жидкое олово твердеет, но еще не полностью отвердело. Словом, температура плавления олова (как и всякого другого металла) - это температура, при которой олово находится, как говорят, в двухфазном состоянии - жидкое олово соседствует с твердым. Пока есть еще такое соседство, температура олова остается постоянной. Причина та же, из-за которой постоянна и равна0Cтемпература тающего льда, когда лед тоже соседствует с жидкой водой - выделение теплоты при отвердевании и поглощении теплоты при плавлении кристалла.

Чтобы измерить термоэдс термопары именно при температуре плавления (отвердевания) олова, снимают кривую охлаждения или кривую нагревания. Это график зависимости термоэдс от времени при охлаждении жидкого или при нагревании твердого олова. Это, в то же время, и график зависимости температуры от времени. Для олова, как и для любого другого кристаллического вещества, график имеет вид, показанный на рис.3, где представлена кривая охлаждения. Участок 1 представляет собой монотонное понижение температуры жидкого олова. Начиная с момента времени, соответствующего точкеa,температура перестает понижаться, несмотря на то, что отвод тепла продолжается. Это и означает, что начался процесс отвердевания, который продолжается до момента времени, соответствующего точкеb. Температура, соответствующая этой второй ветви кривой, то есть ее горизонтальному участку, и есть температура отвердевания олова. После этого температура, теперь уже твердого олова, снова монотонно уменьшается (ветвь3). В случае олова, температура, соответствующая горизонтальному участку, равна231,97C.Это одна из реперных точек МПТШ-68.

Эдс термопары измеряется потенциометром - прибором, который реализует компенсационный метод измерения эдс. Как известно, электродвижущая сила любого источника тока равна разности потенциалов на концах (полюсах) разомкнутого источника тока. Но можно измерить эдс и в том случае, когда источник включен в замкнутую цепь. При этом ток через источник должен быть равен нулю, что возможно лишь, если в электрическую цепь помимо источника, эдс которого должна быть измерена, включен другой, вспомогательный источник, и включен так, чтобы ток от него был направлен против тока от измеряемого источника эдс и компенсировал его. Именно таким, компенсационным методом, всегда и измеряют электродвижущую силу.

Компенсация токов осуществляется с помощью, так называемой, потенциометрической схемы. Она представляет собой сопротивление R (обычно большое), на которое замкнут источник токаЕ(см. рис.4). (В простейшем варианте сопротивлениеRможет быть просто длинной проволокой).

Если снабдить эту схему подвижным контактом, скользящим вдоль R, то между ним и одним из концов, напримерA, можно получить любую часть разности потенциалов на концахR. Поэтому описанное устройство называется также делителем напряжения: оно позволяет делитьЕна части. Можно выделить и такую часть, чтобы ею скомпенсировать эдс измеряемого источника. Нужно только, чтобы эдс вспомогательного источника, включаемого в схему потенциометра, была больше измеряемой, т.к. для компенсации используется часть эдс вспомогательного источника.

На применении потенциометра основан компенсационный метод измерения эдс. Сущность метода поясняет рис.5. На этой схеме Е - вспомогательный источник, включаемый в цепь потенциометра, аЕ_х- источник тока, эдс которого нужно измерить. В цепь этого источника включен гальванометрG, присоединяемый к потенциометру подвижным контактомa. Источник токаE_n- это источник тока с хорошо и точно известным значением эдс. Называется он нормальным элементом Вестона. Эдс его известна с точностью до 5-го знака после запятой и отличается большим постоянством. Это как бы эталон эдс. Значение эдс нормального элемента при 20C лежит в пределах1,01850 - 1,01870В. Последние два знака определяются по паспортным данным элемента с учетом температуры окружающей среды. Первые три знака гарантированы у каждого исправного элемента.

С помощью переключателя в цепь потенциометра может быть включен либо источник измеряемой эдс (Е_x), либо нормальный элемент (E_n). Оба эти источника включаются так, чтобы ток от них был направлен против тока от источникаЕ.

Измерение эдс источника Е_хпроводится так: включается сначала измеряемая эдс, т.е. источникЕ_х. Перемещая подвижный контакт вдоль сопротивленияR, добиваются того, чтобы ток в гальванометре был равен нулю. Тогда для контура, включающего гальванометр иЕ_х, можно написать:

E_x = IR_x , (3)

где I- так называемый рабочий ток, т.е. ток, текущий по сопротивлениюR, аR_x - та часть сопротивленияR,которая оказалась включенной в цепь после компенсации эдсЕ_х.

Затем включается нормальный элемент Е_n и, снова перемещая подвижный контакт, опять добиваются отсутствия тока в гальванометре, т.е. компенсации эдс нормального элемента, как прежде компенсировалась эдс исследуемого источника. Теперь для контура, включающегоE_nи гальванометр, можно написать:

E_n = IR_n. (4)

Здесь I- тот же рабочий ток, посколькуRоставалось таким же, как и прежде, аR_n- та часть сопротивленияR, которая включена в контур после компенсации нормального элемента. Разделив (3) на (4), получим:

. (5)

Итак, чтобы определить неизвестную эдс, необходимо знать соотношение сопротивлений R_x иR_n, т.к. эдсE_nхорошо известна. Таков принцип компенсационного метода измерений эдс. Он сводится к сравнению измеряемой эдс с известной эдс нормального элемента.

На практике используется несколько иная схема (рис.6). Она состоит из трех контуров. Верхний контур содержит вспомогательный стабилизированный источник питания Е, регулировочный реостатR_р, установочные резисторы с общим сопротивлениемR_у и набор компенсирующих резисторовR(магазин сопротивлений). В этом контуре создается рабочий токI_р,значение которого должно быть стабильным и поддерживаться с высокой точностью. Левый нижний контур, включающий в себя установочные резисторыR_у, нормальный элементE_nи нуль-индикаторНИ(обычно гальванометр), служит для точной установки заданного значения рабочего тока. Правый нижний контур включает в себя некоторую часть компенсирующих резисторовR_к, нуль-индикатор и источник неизвестной эдсЕ_х.

Рис.6. Рис.7.

Для правильной работы схемы необходимо строгое соблюдение полярности включения источников Е, Е_nи неизвестной эдсЕ_х. Перед измерением производится установка рабочего токаI_р (в большинстве компенсаторов рабочий ток имеет значениеI_р=10^-3-10^-4A). ЗнаяI_р(из паспорта прибора), вычисляют значения сопротивления установочного резистораR_у=E_n/I_ри выставляют это значение на приборе. Очевидно, что при токеI_р=0,001AзначениеR_у=1018,65Ом. Поставив ключПв положение1, с помощью реостатаR_р устанавливают нужное значение рабочего токаI_р, доводя показания нуль-индикатора до нуля. При этомI_р=E_n/R_у.

Измерения Е_х производится в положении2ключаП, для чего изменяя положение движка потенциометраR, снова добиваются компенсации. Тогда при нулевом показанииНИполучаетсяE_x=U_к=R_кI_р, гдеU_к- компенсирующее напряжение.

Очевидно, что процесс компенсации можно автоматизировать, используя вместо НИусилитель У(рис.7) В положении1переключателяПна вход усилителя поступает сигнал рассогласованияU=E_n- R_уI_р. С выхода усилителя сигнал подается на обмотку управления реверсивного двигателяРД. Такой двигатель может вращаться в разные стороны в зависимости от знакаU. ДвигательРДизменяет положение движка реостатаR_рдо тех пор, пока значениеUне станет равным нулю. При этом в цепи устанавливается рабочий токI_р=E_n/R.

В положении 2переключателяПавтоматически компенсируется измеряемая эдсЕ_х путем воздействия напряжения разбалансаUна реверсивный двигательРД, который механически связан с движком потенциометраR, положение которого изменяет значение компенсирующего сопротивленияR_к. В то же времяРД перемещает указатель отсчетного устройстваОУи перо, регистрирующее процесс на диаграммной ленте, равномерно перемещаемой двигателемДВлентопротяжного механизма.

Современные автоматические потенциометры для измерения температуры снабжаются стабилизированным источником питания, но не имеют нормального элемента и режима автоматической установки рабочего тока.

В данной работе используются автоматический потенциометр КСП-4 Класс точности прибора 0,5, причем за нормирующее значение принимается сумма абсолютных конечных значений диапазона измерения, так как нулевое значение находится внутри диапазона.

Включение прибора и лентопротяжного механизма производится переключателем, расположенным справа на лицевой панели. Термопара подключается к прибору через разъем, расположенный на задней стенке прибора.

Потенциометр КСП-4 может быть одно- и многоточечным, т.е. работать либо с одной термопарой (в этом случае для записи эдс используется простое перо), либо с несколькими термопарами. В последнем случае запись производится циклично отпечатываемыми цифрами, указывающими номер термопары. Следует отметить, что подобные автоматические потенциометры широко используются для регулирования температуры.