ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА «ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ»
ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Методические указания по лабораторной работе
РПК "Политехник"
Волгоград 2007
УДК 621.317.39 (1.74)
ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ: метод. указ.
к лабораторной работе / сост. В.В.Ласенко, М.С. Маркина, Волгоград. гос. техн. ун-т – Волгоград, 2007. – 28 с.
Методические указания помогут студентам освоить принцип работы
термоэлектрических преобразователей, определять возможность использования тех или иных типов термопар, виды их соединений и оценивать погрешности их работы. Предназначены для студентов очной (по направлению 550500 «Металлургия») и очно-заочной (по специальности 150105 «Металловедение и термическая обработка металлов») форм обучения.
Ил. 11. Табл. 7. Библиогр.: 7 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
Р е ц е н з е н т А.В.Васильев
Волгоградский государственный
т
СОДЕРЖАНИЕ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ ……………………………………….………….......4
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ……………………………….……..…...4
3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ………………………………………...4
3.1. Принцип работы термоэлектрических преобразователей….……4
3.2 Требования, предъявляемые к материалу термоэлектродов.…….6
3.3 Виды и назначение соединения термопар………………………..11
3.4 Устройство термоэлектрического преобразователя……………..13
3.5 Устройство термоэлектрических термометров…………………..17
4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
И УСТАНОВКИ……………………………………………………..…18
5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ……………………………….….…19
6. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ………………………………………...19
6.1. Подготовка к работе……………………………………………….19
6.2. Измерение сечения и сопротивления термопар…………………20
6.3. Испытание изоляции термопар…………………………….……..20
6.4. Проведение поверки термопар…………………………...……….20
6.5. Изучение влияния температуры свободных концов
термопары на ее показания……………………………………….……21
6.6 Обработка результатов поверки термопар……………………….21
6.7 Измерение температуры термопарами, включенными
по разным схемам измерения…………………………………….……23
7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ………………………………………….26
8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ………………………………..….…27
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ………………………….……..27
1. Цель работы
Целью работы является ознакомление с устройством и принципом действия термоэлектрических преобразователей ТП (термопар) для получения практических навыков их использования при измерении температур.
2. Содержание работы
2.1. Ознакомить студентов с различными типами термопар, их принципом действия, правилами обращения и со схемами их включения.
2.2. Рассчитать и осуществить сборку термопары из предложенных преподавателем термоэлектродов, измерить их сопротивление. Подобрать к ним компенсационные провода.
2.3. Провести градуировку термопар и определить пригодность их к работе.
2.4. Измерить температуру с помощью ТП по разным схемам включения
2.5. Определить и оценить погрешности измерения температуры.
2.6. Рассчитать отдельные элементы измерительной цепи.
2.7.Составить отчет по лабораторной работе.
3. Теоретическая часть
3.1. Принцип работы термоэлектрических преобразователей
К термоэлектрическим преобразователям (ТП) относятся термопары, которые являются устройствами, предназначенные для измерения температуры на основе термоэлектрического эффекта. Они получили наибольшее применение в промышленности, так как обладают высокой точностью (погрешность измерения термоэлектродвижущей силы составляет несколько процентов), надежностью и широким диапазоном измерений (от –200 С до более 2500 С); могут работать в автоматических системах контроля и регулирования любого промышленного агрегата. Термопары незаменимы в случаях, когда требуется измерить температуру в локальной зоне (горячий спай термопары имеет диаметр доли миллиметра), а также при измерении температуры вращающихся деталей. Кроме того, для измерения температур в диапазоне + 700...2000 °С им практически нет альтернативы. Схема термоэлектрической цепи приведена на
Явление термоэлектричества, открытое в 18 веке, заключается в том, что в замкнутом контуре, состоящем составленной из двух разнородных проводников а и б (рис. 3.1) непрерывно течет электрический ток (еще его называют термоток), если места спаев этих проводников имеют различные температуры (t и t0). Это явление можно объяснить следующим образом. С одной стороны, вследствие различия уровней Ферми различные металлы имеют различную работу выхода электронов, поэтому при соприкосновении двух разнородных металлов возникает контактная разность потенциалов. С другой стороны концентрация свободных электронов зависит от наличия перепада температуры, что вызывает их диффузию, приводящего к образованию разности потенциалов на концах проводников.
Рис. 3.1 − Схема термоэлектрической цепи
При соприкосновении одинаково нагретых концов двух проводников из разнородных материалов, из которых в первом количество свободных электронов в единице объема больше, чем во втором, последние будут диффундировать из первого проводника во второй в большем числе, чем обратно. Таким образом, первый проводник станет заряжаться положительно, а второй отрицательно. Образующееся при этом в месте соприкосновения (спае) электрическое поле будет противодействовать этой диффузии, вследствие чего наступит состояние подвижного равновесия, при котором между свободными концами указанных проводников появится некоторая разность потенциалов, называемая термоэлектродвижущей силой (ТЭДС). Таким образом, ТЭДС равна сумме скачков потенциалов в контактах термоэлектродов и сумме изменения потенциала, вызванного диффузией электронов. Она зависит от химического состава проводников и температуры их спаев и не зависит от геометрических размеров термопары и размера спаев. С увеличением температуры проводников величина этой ТЭДС также увеличивается. Следует также подчеркнуть, что ТЭДС в цепи из однородных проводников равна нулю.
Развиваемая термопарой термоэлектродвижущая сила определяется уравнением (основное уравнение ТП)
Eab (t, t0 ) = eab (t) – eab (t0) ≠ 0, (3.1)
где eab (t) – разность потенциалов при температуре t; eab (t0) – то же, при температуре t0
Таким образом, ТЭДС термопары является функцией температуры ее рабочего и свободного концов. ТЭДС, возникая при переходе от проводника (a) к (b) с температурой t0, противоположна по знаку ТЭДС, возникающей при переходе от (b) к (a) и не равны между собой. При размыкании цепи на ее концах можно измерить ТЭДС по величине в (м В).
Следует отметить, что в явном виде зависимость (3.1) для конкретных используемых термоэлектродных материалов пока не может быть получена аналитически с достаточной точностью. Поэтому при измерении температур эта зависимость для различных используемых ТП устанавливается экспериментально путем градуировки и последующего табулирования или построения графика зависимости ТЭДС от температуры, при этом температура свободных концов ТП должна поддерживаться постоянной на уровне t0 = 0C, при которой зависимость EAB (t, t 0) = f (t). Практически температуру t0 поддерживают постоянной (градуировку проводят при t0 = 0C), поэтому выражение Е(t, t0) = f (t) называется градуировочной характеристикой термопары. Ее получают экспериментально, измеряя ТЭДС при известной температуре рабочего конца с поддержанием свободных концов при 0 °С. Градуировочные характеристики для различных ТП показаны на рисунке 3.2.
Рис. 3.2. − Градуировочные характеристики термопар