12. Лабораторная работа «Измерение температуры термопарой и терморезистором»

Приборы и принадлежности: термопара, гальванометр, терморезистор, измерительный мост постоянного тока, жидкостный термометр, баня электрическая.

Цель работы: изучение принципа работы термопары и терморезистора, изучение способа измерения температуры с помощью термопары и терморезистора, градуировка термопары и терморезистора.

В настоящее время при измерениях температуры часто используют косвенные методы, т.е. методы измерения термометрических параметров. Термометрические параметры – это физические величины, измеренные непосредственно и зависящие от температуры. В качестве термометрических параметров используются электрические величины: термоэлектродвижущая сила различных пар проводников и полупроводников и сопротивление электрическому току проводников и полупроводников.

Рассмотрим возникновение термо-э.д.с. на контакте двух проводников или полупроводников и ее использование для измерения температуры.

Количество электронов в единице объема или концентрация их у различных металлов различается; различаются также и силы притяжения к положительным ионам, которые удерживают свободные электроны внутри металла. Поэтому, если два различных металла привести в соприкосновение, например путем сварки или спайки, то между ними будет происходить взаимный переход (диффузия) электронов. В зависимости от соотношения концентраций и сил, удерживающих электроны внутри металла, электроны из одного металла А (рис. 1, а), например, цинка, будут переходить во второй металл Б, например, медь, в большем количестве, чем обратно. В связи с этим в контактном слое со стороны цинка образуется недостаток электронов, и он заряжается положительно, а со стороны меди образуется их избыток и она заряжается отрицательно. В контакте между металлами образуется электрическое поле и возникает контактная разность потенциалов. Это поле противодействует дальнейшему переходу электронов. Спустя некоторое время наступает динамическое равновесие, количество электронов, переходящих через контактный слой вследствие диффузии, равняется количеству электронов, возвращающихся обратно под действием электрического поля.

Если замкнуть противоположные концы проводников А и Б (рис. 1, б), то между ними возникает такая же по величине, но противоположно направленная разность потенциалов и тока в цепи не будет.

Иной результат получится, если места соединения металлов А и Б имеют различную температуру. Поскольку диффузия электронов происходит в процессе теплового движения, то в спае с более высокой температурой она будет происходить более интенсивно и контактная разность потенциалов в нем увеличится. Теперь в общей цепи металлов появится результирующая разность потенциалов, равная разности контактных разностей потенциалов в нагретом и холодном спаях. Эта разность потенциалов называется термоэлектродвижущей силой E_t термопары. По величине она прямо пропорциональна разности абсолютных температур нагретого t и холодного t₀ спаев:

(1)

где k – коэффициент пропорциональности, который называется чувствительностью термопары. Он показывает, на сколько меняется термо-э.д.с. при изменении разности температур на один градус. Эта величина является табличной, она зависит от природы проводника или полупроводника, сильно различается для различных пар проводников или полупроводников и составляет несколько микровольт на градус.

П

1

од действием термоэлектродвижущей силы в замкнутой сети возникает термоток, который может быть измерен чувствительным измерительным прибором. Сила тока прямо пропорциональна термо-э.д.с. и может служить мерой разности температур спаев.

1

2

2

а)

б)

Рис. 2

Два спаянных между собой проводника из различных металлов называются термопарой. Термопара используется для измерения разности температур. Для этого один спай термопары приводится в соприкосновение со средой, температура которой измеряется, а второй спай термопары поддерживается при 0 ⁰С, комнатной или другой строго постоянной температуре, т. е. этот спай термостатируется (рис. 2, а, б). Свободные концы термопары (1 и 2) подключаются к чувствительному измерительному прибору. Отклонение стрелки прибора прямо пропорционально разности температур нагретого и холодного концов термопары. Недостатком термопары является то, что она не позволяет измерять непосредственно температуру среды. При измерении высоких температур температурой холодного спая можно пренебречь. При измерении невысоких температур пренебречь температурой холодного спая уже нельзя.

Если холодный спай помещают в термос с тающим льдом (0 ⁰С), шкала прибора может быть градуирована непосредственно в градусах температуры нагретого спая. В противном случае надо вносить поправку на температуру холодного спая.

Процессы, происходящие на контакте двух полупроводников, аналогичны процессам, происходящим на контакте двух проводников. Два спаянных между собой полупроводника называются полупроводниковой термопарой. Для изготовления полупроводниковой термопары используют полупроводники с различной проводимостью: электронной и дырочной. Различная проводимость полупроводников обеспечивает значительно большее значение термо-э.д.с. по справнению с темро-э.д.с. металлической темропары, следовательно, полупроводниковая термопара имеет больший коэффициент чувствительности.

Для измерения температур термопару предварительно градуируют. Градуировка термопары – это построение графика зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры. Градуировка термопары производится по известным температурам, например по температурам плавления и кипения различных веществ. Градуировка также производится по показаниям эталонной термопары, термометра или другого термодатчика, градуировка которого точно известна. Данные градуировки заносятся в таблицу, по которой строится график. По графику можно найти значения температур при последующем использовании термопары.

При изменении температуры среды изменяется не только э.д.с. термопары, но и сопротивление проводников и полупроводников, что может служить мерой температуры среды.

Основное различие между полупроводниками и металлами заключается в том, что они имеют различную пространственную решетку, и, следовательно, различную концентрацию свободных электронов. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высокая и практически не зависит от температуры. В полупроводниках, где физическими носителями зарядов также являются свободные электроны, их концентрация при обычных температурах в миллионы раз меньше, однако, внешние воздействия, особенно нагревание, повышает концентрацию свободных электронов в сотни и даже тысячи раз.

Движение зарядов под действием сил электрического поля (напряжения) начинается сразу по всей цепи, однако скорость движения зарядов в самих проводниках невелика и зависит от их природы. В металлах (проводниках) движение электронов тормозится столкновениями их с положительными ионами, расположенными в узлах пространственной решетки, которые находятся только в тепловом колебательном движении около среднего положения. При столкновении электроны теряют скорость, приобретенную под действием сил поля. Средняя скорость поступательного движения их уменьшается, а кинетическая энергия передается ионам и усиливает их тепловое движение (проводник нагревается). Это явление характеризуется как сопротивление проводника электрическому току. Следовательно, сила тока прямо пропорциональна средней скорости перемещения электронов, которая прямо пропорциональна напряжению, приложенному к концам данного участка проводника, и обратно пропорциональна величине сопротивления (закон Ома для участка цепи).

Сопротивление металлических проводников с повышением температуры увеличивается. При повышении температуры повышается интенсивность колебательного движения ионов, образующих пространственную решетку металла, и столкновения электронов с ними учащаются, что затрудняет их движение. Если обозначить R_t – сопротивление при температуре t, R₀ – при температуре t₀ и  - температурный коэффициент, показывающий, на какую часть исходной величины увеличивается сопротивление данного проводника при повышении температуры на 1⁰С, то:

(2)

При нагревании полупроводника сопротивление движению зарядов в нем несколько повышается вследствие тех же причин, как и у металлических проводников, но в то же время электропроводность увеличивается за счет увеличения количества носителей зарядов (вторая причина преобладает). Сопротивление полупроводника в отличие от металлов с повышением температуры уменьшается.

Проводник, в котором изменение сопротивления используется для измерения температуры, называется термометром сопротивления.

Полупроводник, в котором изменение сопротивления используется для измерения температуры, называется термистором (терморезистором). Термометры сопротивления и термисторы могут быть изготовлены в форме шарика, стержня или пластинки небольших размеров (порядка доли миллиметра).

Н аиболее часто для измерения температуры используют термисторы, для этого предварительно определяют сопротивление термистора. Для измерения сопротивления термистора применяется мост Уитстона, состоящий из четырех сопротивлений r₁ , r ₂ , r₃ , r₄, включенных между собой по схеме ромба (рис. 3). Стороны ромба, включающие в себя эти сопротивления, называются плечами моста. К точкам А и Г присоединяют источник напряжения, между точками Б и В включают чувствительный гальванометр. Если подобрать сопротивления так, чтобы выполнялось соотношение , то потенциалы точек Б и В будут равными и ток в гальванометре отсутствует. При нарушении этого соотношения в гальванометре появляется ток.

Термистор включается в одно из плеч моста Уитстона (например, на место сопротивления r₁). Для определения сопротивления термистора, необходимо знать сопротивления r₂, r₃, r₄, из которых одно или несколько для обеспечения равновесия должны быть регулируемыми. Так как измеряемое сопротивление определяется при значении тока в гальванометре I_г = 0, то такой мост называется уравновешенным. Сопротивление термистора при уравновешивании моста (при отсутствии тока в гальванометре) определится по формуле . При изменении температуры термистора равновесие моста нарушается, в гальванометре появляется ток, и поэтому мост для каждого измерения необходимо уравновешивать.

Для измерения температуры термометрами сопротивления и термисторами их предварительно градуируют аналогично градуировке термопары, т. е. строят график зависимости сопротивления R от температуры t. Термометры сопротивления имеют линейную характеристику R = f(t). Существенным недостатком термистора является нелинейность его характеристики R = f(t). Однако характеристики отдельных элементов отличаются высокой стабильностью во времени.

С помощью термисторов измерение температуры производится гораздо быстрее термометров сопротивления, они значительно чувствительнее, различные размеры термисторов позволяют измерять температуру не только на поверхности тела, но и в глубине тканей, что делает термисторы очень удобными для медицинских и биологических исследований. Термисторы применяются также для измерения температуры в местах, недоступных для измерения температуры ртутным термометром (в печах, в морозильных камерах и т. п.).

Внешний вид установки для определения температуры с помощью термопары и терморезистора изображен на рис. 4.

В

Рис.

крышку бани электрической 1 помещаются жидкостный термометр 2, один спай термопары 3 и терморезистор 4. Второй спай термопары 5 термоизолирован и находится при комнатной температуре. ЭДС термопары измеряется по гальванометру 6. Сопротивление терморезистора измеряется по мосту сопротивлений 7. Мост уравновешивается при нажатой кнопке 8 ручками 9 и 10 по стрелочному индикатору 11. Ручкой 9 выбирается множитель для определяемого сопротивления (при температурах ниже 50 ⁰С для терморезисторов ставится множитель 1000, при более высоких температурах – 100), а ручку 10 вращают до тех пор, пока стрелка индикатора 11 не установится на 0. Показание ручки 10, умноженное на множитель ручки 9 даст величину определяемого сопротивления (на верхней панели моста сопротивлений есть соответствующая формула).