Лабораторна робота №

Тема: Вивчення будови термоелектричних термометрів. Здійснення калібрування і повірки термопари

Мета роботи: Ознайомлення з принципом дії і будовою термоелектричних приладів. Здійснення калібрування і повірки термопари та приладу для вимірювання температури.

Прилади і обладнання: рідинний термостат, контактний термометр, термопара, мілівольтметр.

Загальні теоретичні відомості

Принцип дії термоелектричних термометрів оснований на ефекті виникнення електрорушійної сили в колі, зібраному з різнорідних провідників, якщо місця їх з’єднання мають різну температуру (рис. 1). Такі провідники називаються термопарами, а електрорушійна сила, яка виникає на холодних кінцях термопари – термоЕРС.

Виникнення термоЕРС пояснюють дифузією вільних електронів з металу, де густина вільних електронів більша, в метал, де густина вільних електронів менша.

Електричне поле, яке виникне в місці спаю двох різнорідних металів, буде перешкоджати цій дифузії. Коли швидкість дифузійного переходу електронів стане рівною швидкості їх зворотнього переходу під впливом електричного поля, наступить стан рухомої рівноваги. При такій рівновазі між металами виникає деяка різниця потенціалів:

(1)

– сумарна термоЕРС, яка визначається дією двох факторів.

– термоЕРС, зумовлені контактною різницею потенціалів і різницею температур кінців провідників А і В.

При :

(2)

Підтримуючи температуру одного із спаїв постійною, отримаємо:

(3)

ТермоЕРС термопари не змінюється від введення в її коло третього провідника, якщо кінці цього провідника мають однакову температуру це означає, що в коло термопари можна включати з’єднуючі провідники та вимірювальні прилади. Принципова схема термоелектричного термометра показана на рисунку 2 при цьому термоелектродні провідники повинні мати ті ж термоелектричні властивості, що і з’єднуючі з їх допомогою електроди термопари, в противному випадку в місцях з’єднання провідників з електродами термопари може появитись термоЕРС, яка може бути причиною систематичної похибки.

Згідно гост - 3044 - 77 прийнято такі типи технічних термоелектричних перетворювачів (теп) з металічними термоелектродами:

1. Платинородій (90% Pt + 10% Rh) – платинові (тип ТПП). Нормальний режим роботи до 1000⁰С в міжнародній шкалі. Платина повинна бути настільки чистою, щоб виконувалася умова: (4)

Тут R₁₀₀, R₀ - опір провідника при температурі відповідно 100⁰ і 0⁰С.

ТПП надійно працюють в нейтральному і окислюючому середовищах, але швидко виходять з ладу у відновлюючому середовищі. ТЕП типу ТПП по жорсткості і постійності термоЕРС кращі з усіх, що випускаються.

ТПП поділяються на еталонні, зразкові, робочі.

2. Платинородій (30% родія) – платинородієві (6% родія) ТЕП (ТИП, ТПР). Особливістю ТПР є те, що вони розвивають дуже малу термоЕРС (0,04мВ при 120⁰С і 0,002мВ при 20⁰С). Завдяки цьому відпадає необхідність у введенні поправки на температуру вільних провідників.

3. Хромель (89%Nі+9,8%C₂+0,2%P) - алюмелеві (94%Ni+2%Al+2,5%Mn +0,5%Fe+1%Si) ТЕП (тип ТХА). Границі вимірювання (-50⁰1000) ⁰С. Великий вміст нікелю в сплаві забезпечує стійкість ТЕП проти окислення і корозії. Відновлююче середовище погано впливає на ТЕП типу ТХА.

4. Хромель - копелієві (56% Cu + 44% Ni) ТЕП (тип ТХК). Границі вимірювання –(50⁰600)⁰С. Із усіх стандартних ТЕП розвиває найбільшу термоЕРС, що дає змогу виготовляти термоелектричні термометри з вузькою температурною шкалою.

5. Вольфрам - реній (5% ренія) - вольфрам - ренієвий (20% ренія) (тип ТВР) і вольфрам - реній (10% ренія) - вольфрам ренієвий (20% ренія) ТЕП використовується для вимірювання температур до 23000С в нейтральному і відновлюючому середовищах, а також у вакуумі. Дані ТЕП використовують для вимірювання температури розплавлених металів.

Для вимірювання термоЕРС в комплектах термоелектричних термометрів використовують магнітоелектричні мілівольтметри і потенціометри.

Принцип дії магнітоелектричних мілівольтметрів оснований на взаємодії провідника, по якому тече струм, і магнітного поля постійного магніту.

Принцип потенціометричного методу вимірювання оснований на зрівноваженні (компенсації) термоЕРС, яку вимірюють відомою різницею потенціалів, що утворена додатковим джерелом струму.

Мілівольтметри – магнітоелектричні прилади; їх робота заснована на взаємодії провідника, через який протікає струм, і магнітного поля постійного магніта.

  Рисунок 3 -  Магнітна  та  рухома  система  мілівольтметра

1-постійний магніт; 2-полюсний наконечник; 3-сердечник; 4-рамка; 5-стрілка; 6-керн; 7-стійка; 8-агатовий підп’ятник; 9-пружина; 10-коректор нуля; 11-зажим; 12-додатковий опір; 13-противага

        Магнітна система мілівольтметра (рисунок 3) складається з підковоподібного магніту, полюсних наконечників та циліндричного сердечника. У кільцевому повітряному зазорі між полюсними наконечниками та сердечником обертається рамка з мідного (рідше алюмінієвого) ізольованого проводу. Найчастіше рамки кріпляться на кернах, які опираються на підп’ятники з агату або рубіну. Момент, що протидіє обертанню рамки, створюється спіральними пружинками, які служать водночас і для підводу струму до рамки. Струм, що протікає через рамку, викликає появу двох однакових сил, направлених в різні боки і обертаючих рамку.

        Обертальний момент, що створюється цими силами, дорівнює:

                                                      (5)

де К₁ - коефіцієнт, залежний від ширини, активної довжини (висоти) рамки та числа її витків; В - магнітна індукція; І - сила струму.

        Величина протидіючого пружного моменту для спіральних пружин пропорціональна модулю пружності матеріалу та куту повороту рухомої системи j. Отже:

                          або                 (6)

Де К₂-постійний множник, що залежить від геометричних розмірів пружної деталі; Е- модуль подовжньої пружності (при врівноважуванні пружною спіральною пружиною); G-модуль зсуву (при врівноважуванні закручуванням стрічкового підвісу).В момент рівноваги:

        =         або        К₁ ВІ= К₂ Еj   (7)

Звідси кут рухомої системи:

                      (8)

Зміни В і Е при зміні температури навколишнього середовища не впливає на показання мілівольтметра, так як обидві величини змінюються майже однаково. Тому залежність кута повороту рамки від величини струму може бути виражена наближеною формулою:

                                                        (9)

Потенціометричний метод виміру оснований на врівноважуванні (компенсації) вимірюваної е.р.с. відомою різницею потенціалів, утвореною допоміжним джерелом струму. На схемі (рисунок 4) струм від допоміжного джерела Б сухого елементу з різницею потенціалів Е_Б проходить по ланцюгу, в який між точками А і В включений калібрований дротяний резистор R_АВ, який називається реохордом.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4-  Принципова  схема  потенціометра

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Принципова  схема  потенціометра  з  постійною  силою  струму  в  компенсаційному  ланцюзі

 

 

  Рисунок 6 – Принципова  схема  електронного  автоматичного  потенціометра

Для останнього справедливе  співвідношення:

                                           (10)