Лабораторная работа «Исследование характеристик термоэлектрического преобразователя»

1.1. Цель и содержание работы

Работа предназначена для ознакомления студентов с различными типами термоэлектрических преобразователей и методом их градуировки. В работу входит:

1. Снятие градуировочной характеристики термоэлектрических преобразователей.

2. Оценка погрешности измерения температур за счет нестабильности температуры нерабочего спая .

1.2. Принцип действия термоэлектрических преобразователей. Основные соотношения

В основе построения термоэлектрических преобразователей лежит явление термоэлектричества, открытое в начале XIX века русским академиком Эпинусом. Оно заключается в следующем: если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис.1.1), причем температуру ; одного места соединения сделать отличной от температуры другого, то в цепи появляется ЭДС, вызываемая термоэлектродвижущей силой (термоЭДС) и являющаяся разностью функций температур мест соединения проводников: . Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем; проводники, составляющие термоэлектрический преобразователь - термоэлектродами, а места их соединения – спаями.

Термоэлектрический преобразователь может быть применён для измерения температуры. Если один спай термоэлектрического преобразователя, называемый рабочим спаем, поместить в среду с температурой , подлежащей измерению, а температу­ру другого - нерабочего спая поддерживать постоянной, то:

при = const.

Последняя взаимосвязь и положена в основу измерения температур при помощи термоэлектрических преобразователей. Таким образом, естественной входной вели­чиной термоэлектрического преобразователя является температура ее рабочего спая, выходной величиной - термоЭДС, которую развивает термоэлектрический преобразователь при строго постоянной температуре нерабочего спая.

Приборы, представляющие собой сочетание термоэлектрического преобразователя и указателя, используемые для измерения температуры, называются тер­мометрами, или термоэлектрическими пирометрами. Включить ука­затель в цепь термоэлектрического преобразователя можно как по наиболее часто применяе­мой схеме (рис.1.2, здесь два нерабочих спая), так и по схеме (рис.1.3). Для того чтобы включение в цепь термоэлектрического преобразователя указателя (т.е. треть­его проводника) не изменило значение термоЭДС, места соединения указателя с термоэлектродами должны иметь одинаковую темпера­туру.

Термоэлектроды термоэлектрического преобразователя, помещенные в защитную трубу, обычно выполняются жесткими, а соединения их с последующими ча­стями измерительной цепи для удобства монтажа осуществляются гибкими проводами с надлежащей изоляцией. Соединительные прово­да А₁В₁ и А₂B₂ (рис.1.4), идущие от зажимов головки термоэлектрического преобразователя до места соединения с термоэлектрических преобразователей с нерабочим спаем (до места соединения с проводами указателя) называются удлинительными термоэлектродами. Удлинительные термоэлектроды для термоэлектрических преобразователей из неблагородных металлов и других материалов выполняются из тех же материалов, что и термоэлектроды.

Для термоэлектрических преобразователей из благородных металлов удлинительные термоэлектроды изготовляют из неблагородных металлов. Чтобы при включении удлинительных термоэлектродов из материалов, отличных от материалов основных термоэлектродов, не изменялась термоЭДС термоэлектрического преобразователя, необходимо выполнить два условия:

1. Удлинительные термоэлектроды должны быть термоэлектри­чески идентичными с основной термоэлектрического преобразователя в диапазоне рабочих температур нерабочего спая и места соединения термоэлектродов в головке термоэлектрического преобразователя, т.е. удлинительные термоэлектроды в ука­занном интервале температур должны иметь такую же термоЭДС как и электроды главного термоэлектрического преобразователя.

2. Места присоединения удлинительных термоэлектродов к ос­новным термоэлектродам в головке термоэлектрического преобразователя должны иметь одина­ковую температуру.

Большое значение при измерении температуры с помощью термоэлектрических преобразователей имеет их инерционность, определяемая как время, за кото­рое показания термоэлектрического преобразователя при переносе из среды с нормальной тем­пературой (15-20°С) в среду с температурой +100°С достигает 97 - 98°С.

Для уменьшения инерционности стремятся обеспечить наилучший тепловой контакт между рабочим спаем термоэлектрического преобразователя и средой, температуру которой подлежит измерить.