Цель работы: построить градуировочную кривую термопары и опытным путем определить удельную термо Э.Д.С.
Литература: §§ 246, 247.
Приборы и материалы: термопара, смонтированная на специальном держателе; чувствительный гальванометр, термометр, электроплитка, два калориметра, магазин сопротивлений.
Рассмотрим контакт двух металлов с разной концентрацией свободных электронов: n1 > n2. При диффузии электронов произойдет заряд металлов и возникнет внутренняя контактная разность потенциалов Ui. Изменение энергии свободных электронов (Еэ) в приконтактной области при установившемся значении контактной разности потенциалов соответствует динамическому равновесию.
При динамическом равновесии потоки электронов в обоих направлениях одинаковы. Так как концентрация свободных электронов в металлах очень большая, переход отдельных электронов из одного металла в другой практически не изменит их концентрации, которые и в условиях динамического равновесия останутся прежними (n1 > n2). Величина контактной разности потенциалов зависит от температуры и определяется выражением: где k — постоянная Больцмана; е — заряд электрона.
Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух металлов с концентрациями электронов n1 > n2 и температурами спаев ТА > ТВ, на каждом из спаев возникает контактная разность потенциалов:
если обозначить буквой β удельную термоЭДС, то
(1.1)
Термоэлектричество находит три основные применения:
для создания генераторов тока с прямым преобразованием молекулярно-тепловой энергии в электрическую, КПД таких источников 10%;
для определения температуры, достоинством таких термометров являются дистанционность и микроконтакт;
для измерения мощности инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучений.
Термоэлектрические явления отражают связь между электрической и молекулярно-тепловой формами движения материи в металлах и полупроводниках.
Для измерения температуры необходимо один спай термопары поддерживать при постоянной температуре (например, 0°С), а второй поместить в тот объем, температуру которого хотят измерить. ЭДС, возникающая в термопаре, будет прямо пропорциональна температуре второго спая. О величине температуры можно судить по силе возникающего термотока, измеряемой гальванометром: Предварительно необходимо термопару проградуировать, т.е. установить соответствие между разностью температур спаев (tn — t0) и показаниями гальванометра an. В случае пропорциональности между показаниями прибора и разностью температур имеем an=y·(tn-t0). Зная y, можно легко измерить любые температуры с помощью гальванометра, т.к. y показывает величину отклонения стрелки гальванометра при нагревании на 1К:
(1.2)
Схема установки изображена на рисунке, где 1 — клеммы, к которым присоединяется гальванометр, 2 — перекладина, на которой укреплена термопара, 3 — зажим перекладины (может быть установлен на любой высоте стойки 4). Для измерения температур спаев служат термометры 5, спаи термопары и термометры помещены в пробирки 6. Пробирки, в свою очередь, опускаются в калориметры 7, наполненные водой комнатной температуры. В процессе работы температура одного спая остается постоянной, а другого изменяется с помощью подогрева воды на электроплитке 8.
Задание 1. Градуировка термопары.
Приступая к градуировке термопары, заполните оба калориметра водой комнатной температуры и отметьте по термометрам начальную температуру t0 обоих спаев, а также положение стрелки гальванометра α0. Включите электроплитку и при нагревании воды через каждые 5 0 записывайте значения температуры и показания гальванометра at. и запишите в табл. 1. Воду доведите до кипения. По полученным данным определите y по формуле (1.2) для каждого значения at и затем найдите yср. Результаты измерений и расчетов занесите в табл. 2. По данным измерений постройте график (градуировочную кривую), откладывая по оси абцисс значения (t — t0), по осиординат at.
№
t0
α0
t
αt
y
yср
Ед.изм.
1.
Задание 2. Определение удельной термо-ЭДС.
Величина удельной термо-ЭДС определяется следующим образом: обозначим через R0 неизвестное сопротивление цепи, состоящей из термопары, гальванометра и соединительных проводов, через i — цену деления гальванометра и через a1 — показание гальванометра, соответствующее какой-нибудь определенной разности температур. Тогда термо-ЭДС (ε) , возникающая в термопаре будет равна:
(1.3)
Если при этой же температуре ввести в цепь термопары последовательно с гальванометром известное добавочное сопротивление, то показание гальванометра изменится, станет α2. Тогда термо-ЭДС:
(1.4)
Исключая из равенств (1.3) и (1.4) неизвестное сопротивление R0, получим:
(1.5)
Из формулы (1.1) , следовательно,
(1.6)
Нагрейте воду в сосуде до кипения, заметьте показания гальванометра α1. Затем последовательно с гальванометром включите сопротивление R и отсчитайте новое положение стрелки гальванометра α2. Опыт проведите пять раз при различных сопротивлениях. По формуле (1.6) найдите значение С при пяти разных значениях α2. Результаты опыта занесите в табл.2. Определите, из чего изготовлена термопара.
Выбор градуировки термопары в зависимости от условий применения
Наиболее распространенные в промышленности датчики для измерения температуры это термопары. При изготовлении термопар используется термоэлектродная проволока из различных по составу металлов и сплавов. Материал термоэлектродной проволоки термопары определяет ее градуировку, диапазон измеряемых температур, чувствительность и особенности применения.
Особенности применения термопар из неблагородных металлов
Термопары типа К (хромель-алюмелевые термопары)
Имеют широкий диапазон измеряемых температур от – 100 °С до +1000 °С (рекомендуемый предел измеряемых температур зависит от диаметра термоэлектродной проволоки термопары);
В диапазоне от 200 до 500 °С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться — разница достигает ±5 °С;
Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода;
Легко загрязняться примесями при высоких температурах;
При термического старения показания термопары снижаются;
Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (эффект миграции). Термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру;
Атмосфера серы вредна для термопары.
Термопары типа J (железо-константановые термопары)
Не рекомендуется использовать ниже 0 °С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины;
Наиболее подходящий тип термопары для применения в разряженной атмосфере;
Максимальная температура применения +500 °С, т.к выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода термопары типа J быстро разрушаются в атмосфере содержащей серу;
Показания повышаются при термического старения.
Термопары типа Е (хромель-константановые термопары)
Обладают высокой чувствительностью;
Подходит для использования при низких температурах.
Термопары типа Т (медь-константановые термопары)
Может использоваться для измерения температур ниже 0 °С;
Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода;
Не рекомендуется использование при температурах выше 400 °С;
Не чувствительна к повышенной влажности.
Термопары типа N (нихросил-нисиловые термопары)
Предварительно «загрязненная» кремнием термопара типа К. Таким образом снижается риск дальнейшего загрязнения во время работы;
Рекомендуемая рабочая температура до 1200 °С (зависит от диаметра проволоки);
Кратковременная работа возможна при 1250 °С;
Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К);
Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.
В зависимости от диапазона измеряемых температур рекомендуется применение следующих типов термопар:
Для измерения температур ниже нуля – термопары типа Е, Т;
Для измерения комнатных температур – термопары типа К, Е, Т;
Для измерения температур до 300 °С – термопары типа К;
Для измерения температур от 300 до 600°С – термопары типа N;
Для измерения температур выше 600 °С – термопары типа К или N.
Термопары из неблагородных металлов дешевы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении. Преимуществом термопар из неблагородных металлов является высокая чувствительность.
Существенным недостатком является образование термоэлектрической неоднородности в зоне максимального градиента температур, что может привести к ошибке в градуировке более 5 °С. Этот недостаток делает очень сомнительной саму возможность периодической поверки термопар в лабораторных условиях. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Наименьшая термоэлектрическая неоднородность характерна для термопары нихросил/нисил (тип N).
Особенности применения термопар из благородных металлов
Термопары типы S и R (платнородий-платиновые и платнородий-платиновые термопары)
Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350 °С;
Кратковременное применение возможно при 1600 °С;
Загрязняется при температурах выше 900 °С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200 °С и 1,5 мВ (160 °С) при 1600 °С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой;
Может применяться в окислительной атмосфере;
При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия;
Не рекомендуется применять ниже 400 °С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне не линейна.
Термопары типа В (платнородий-платинородиевые термопары)
Рекомендуемая максимальная температура рабочего диапазона 1500 °С (зависит от диаметра проволоки);
Кратковременное применение возможно до 1750 °С;
Может загрязняться при температурах выше 900 °С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R;
При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия;
Может использоваться в окислительной среде;
Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где ТЭДС очень мала и не линейна.
Наиболее точные термопары – с термоэлектродами из благородных металлов: платинородий-платиновые ПП: тип S ( Pt-10%Rh / Pt) и тип R (Pt-13%Rh / Pt), платинородий-платинородиевые ПР тип В (Pt-30%Rh / Pt-6%Rh). Преимуществом является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, устойчивость к окислению, вследствие чего высокая стабильность.
Преимуществом термопары типа ПР также является практически нулевой выходной сигнал при температурах вплоть до 50 °С, таким образом устраняется необходимость термостатирования холодных спаев и возможность применения медных соединительных проводов. Недостатком является высокая стоимость и малая чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000 °С). Хотя платинородиевые термопары превосходят по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100 °С составляет 0,2-0,3 °С. Причины нестабильности термопар связаны с загрязнением, окислением и испарением материалов термоэлектродов. При температурах 500-900 °С формируется стабильный окисел родия. Недостаток родия изменяет состав платино-родиевого термоэлектрода, что приводит к изменению зависимости ЭДС от температуры и к возникновению термоэлектрических неоднородностей.
