Министерство Образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет

Физический факультет

Кафедра энергофизики

Методические указания к циклу лабораторных работ

Изучение эффекта Зеебека и градуировка термопар.

Изучение термометров сопротивления

и их градуировка

Минск 2006

Авторы-составители:

Карбалевич Нина Александровна, кандидат физ.-мат. наук, доцент;

Мазаник Александр Васильевич, кандидат физ.-мат. наук, ст. н. сотр.;

Волохов Георгий Михайлович, кандидат физ.-мат. наук, доцент;

Костин Алексей Николаевич, ассистент.

Утверждено на заседании Совета физического факультета

2 марта 2006 года, протокол №

Изучение эффекта Зеебека и градуировка термопар

Изучение термометров сопротивления

Целью данных лабораторных работ является изучение эффектов, положенных в основу контактных методов измерения температуры, принципов определения основных метрологических характеристик датчиков температуры контактного типа (термопар, термометров сопротивления); исследование температурных зависимостей электропроводности и термоЭДС для материалов, применяемых в активных элементах термодатчиков; градуировка термопар и термосопротивлений разных типов.

В современных энергетических системах очень важным является постоянный и максимально точный контроль температуры. Это касается систем производства, передачи и использования не только тепловой энергии, для которых температура является одним из основных параметров, но и электрической энергии, а также разнообразных систем управления, в которых многие компоненты рассеивают большую тепловую мощность, и постоянный контроль температуры важен для поддержания таких систем в работоспособном и наиболее эффективном состоянии.

Важным являются и точные измерения температуры при внедрении новых энергосберегающих технологий, для точной оценки их эффективности.

Температура — важнейший параметр теплотехнических систем, однако ее величина не может быть определена непосредственно. При изменении теплового состояния тела кроме температуры изменяются и другие его физические характеристики (например, объем). По количественному изменению этих характеристик (объема, электродвижущей силы, электрического сопротивления) можно судить об изменении температуры тела.

По характеру взаимодействия измерителя температуры и объекта исследования методы измерения делятся на контактные и бесконтактные.

Контактные измерители температуры широко используются для измерения температур твердых, жидких и газообразных сред. Высокая точность и широкий предел измеряемых температур позволяют использовать эти датчики также и при исследовании различных физических процессов и явлений (например, эффектов Холла, Зеебека и др.).

К контактным датчикам температуры относятся термометры сопротивления, термопары, различного рода термометры и др., к бесконтактным - пирометры, интерферометры, фотометры.

Термометры сопротивления

Применение термометров сопротивления в качестве датчиков температуры базируется на зависимости электрического сопротивления металла (полупроводника) от температуры. Эти зависимости имеют принципиально различный вид для металлов и полупроводников.

Проводимость любого кристалла пропорциональна двум величинам: концентрации свободных носителей заряда и их подвижности (отношению приобретенной под действием внешнего электрического поля дрейфовой скорости к напряженности поля). В металлах концентрация свободных носителей практически не зависит от температуры. Вместе с тем, с повышением температуры увеличивается интенсивность теплового движения ионов кристаллической решетки (иными словами, возрастает число фононов в кристалле). Это приводит к росту числа столкновений электронов проводимости с фононами, в результате чего с ростом температуры подвижность носителей уменьшается, а сопротивление кристалла - возрастает. Эксперименты показывают, что для металлов удельное сопротивление возрастает с увеличением температуры по степенному закону. В сравнительно узком температурном диапазоне эта зависимость близка к линейной.

В полупроводниках увеличение температуры, как и в металлах, приводит к уменьшению подвижности носителей. Однако в отличие от металлов, в полупроводниках при увеличении температуры происходит ионизация атомов вследствие их теплового движения с возникновением электронов (дырок) проводимости. Для разных полупроводников энергия ионизации валентных электронов лежит в пределах от 0,1 до 5 эВ. Концентрация носителей в полупроводниках при повышении температуры резко увеличивается по экспоненциальному закону, в результате чего проводимость полупроводников с ростом температуры увеличивается, несмотря на уменьшение подвижности.

На свойстве металлов и сплавов изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры основано действие термометров сопротивления. Термосопротивление - это проводник, включенный в электрическую цепь и находящийся в состоянии теплообмена с окружающей средой. Его сопротивление зависит от температуры и определяется тепловым равновесием между проводником и средой. Теплообмен проводника с исследуемой средой может осуществляться конвекцией, теплопроводностью среды, теплопроводностью самого проводника и излучением.

К материалам, применяемым в качестве терморезисторов, предъявляются требования стабильности характеристики R=f(Т) и достаточно высокое значение температурного коэффициента сопротивления , определяемого выражением

(1)

Для большинства чистых металлов при комнатной температуре температурный коэффициент приблизительно равен 410 ^-3 град ^-1. В некоторых случаях чувствительность термометров сопротивления позволяет измерять температуры с точностью 0,001 град.

Наибольшее распространение для изготовления преобразователей термометров сопротивления получили платина, медь, никель; известно использование железа, бронзы, пирографита, некоторых сплавов, а также полупроводников, изготовленных из смеси окислов различных металлов.

Наилучшим материалом является чистая платина, которая в широком диапазоне температур не вступает в химические реакции и устойчиво сохраняет величину удельного сопротивления (приблизительно в пять раз большего, чем у меди, серебра или золота).

Кроме платиновых, серийно изготовляются также технические медные термометры сопротивления с номинальными значениями R_o = 50 и 100 Ом, предназначенные для работы в диапазоне температур от—50 до +180° С. В этом интервале температур электрическое сопротивление медных термометров определяется по формуле

(2)

где —температурный коэффициент, в среднем равный 4,2610 ^-3 град ^-1. При более высоких температурах медь окисляется; недостатком меди также является ее малое удельное сопротивление.

Для измерения температур 300° С первым заменителем платины служит никель. Он имеет большое удельное сопротивление (~810^-8 Омм) и высокий температурный коэффициент = 6,410 ^-3 град ^-1, но при температуре 370°С в никеле происходят структурные преобразования, и функция R = f(Т) становится неоднозначной. До температуры 100^оС может применяться железо ( = 6,510 ^-3 град-¹).

Полупроводниковые терморезисторы изготовляются из смеси окислов или сульфидов различных металлов или редкоземельных элементов. Полупроводниковые терморезисторы обладают очень высоким значением отрицательного температурного коэффициента сопротивления, доходящим до 4 10^-2—5 10 ^-2 град.^-1 . Они имеют малую инерционность и могут применяться для исследований нестационарных тепловых процессов.

Полупроводниковые термометры сопротивления обладают нелинейной зависимостью сопротивления от температуры, приближенно подчиняющейся экспоненциальному закону

(3)

где А_Т и В — коэффициенты, зависящие от физических свойств и геометрии полупроводника; при значительном изменении температуры коэффициент А_т является функцией температуры и может считаться постоянным только в малых интервалах изменения Т. Существенным недостатком полупроводниковых терморезисторов является невысокая стабильность их характеристик, усиливающаяся с увеличением температуры; поэтому область их применения ограничивается температурами, не превышающими 300°С.

Наиболее широко полупроводниковые терморезисторы используются в криогенной технике.