Измерение температуры с помощью терморезистора и градуировка термопары

 

Цель работы

Целью работы является изучение способов измерения температуры в стационарных условиях, градуировка термопары с помощью терморезистора (платинового термометра сопротивления), а также поверка цифрового и ртутного термометров.

 

Введение

Измерение температуры объектов является важной практической задачей. Температура – это физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Прямое измерение температуры невозможно, поэтому все существующие методы определения температуры являются косвенными и основаны на использовании зависимости между температурой и другой физической величиной, определяемой непосредственно (объем, давление, ЭДС, сопротивление, характеристика теплового излучение и др.)[1]. В работе изучаются методы измерения температуры с помощью терморезистора и термоэлектрического преобразователя (термопары).

Принцип измерения температуры с помощью терморезистора основан на зависимости электрического сопротивления проводника R от температуры T, которую можно представить следующим образом:

 

                         ,                              (2.1)

 

где R ₀ - сопротивление проводника при температуре T ₀, выбранной за начало отсчета, a-температурный коэффициент электрического сопротивления. Для проведения измерений температуры T вещества терморезистор приводят в состояние теплового равновесия с веществом, измеряют сопротивление резистора R и рассчитывают температуру вещества по известному градуировочному уравнению T (R).

Принцип действия термопары основан на термоэлектрических явлениях, которые приводят к возникновению термо-ЭДС в цепи, состоящей из двух разнородных проводников А и В  в случае, если температуры мест соединения (спаев) проводников отличаются (эффект Зеебека). Для измерения температуры одно из мест соединения разнородных проводников (горячий спай) помещают в измеряемую среду, а место соединения с измерительной цепью (холодные спаи) помещают в среду с заранее известной и стабильной температурой (например, в сосуд Дьюара с тающим льдом). В этом случае термо-ЭДС E, возникающая в цепи зависит только от разности температур между спаями и от материала проводников:

 

                         ,                                                   (2.2)

 

где - коэффициент Зеебека для пары проводников А и В; D T = T - T ₀, где T – температура горячего спая, T ₀ – температура холодного спая (для тающего льда T ₀ = 273,15 K).

При известной температуре холодных спаев T ₀ термо-ЭДС термопары является однозначной функцией температуры вещества , называемой «градуировочной характеристикой». Она выбирается в форме полинома:

 

                         ,                          (2.3)

 

где a ₀, a ₁, a ₂,... - коэффициенты, определяемые также с помощью статистической обработки результатов градуировочных опытов.

Температуру T среды при известном значении термо-ЭДС определяют по зависимости T (E), которая может быть получена из 2.2. На практике для расчета температуры используется «градуировочное уравнение» в форме полинома:

 

                         ,                            (2.4)

 

Входящие в него коэффициенты (b ₀, b ₁, b ₂...) находятся с помощью статистической обработки результатов градуировочных опытов.

В данной лабораторной работе необходимо осуществить градуировку термопары и выполнить поверку цифрового и ртутного термометров.

Во время опытов терморезистор, термопара, цифровой и ртутный термометры приводятся в состояние теплового равновесия со средой, находящейся в термостате при неизменной температуре. В заданном стационарном режиме измеряют электрическое сопротивление терморезистора и термо-ЭДС E термопары, показания цифрового  и ртутного  термометров.

Электрическое сопротивление терморезистора находят с помощью измерений падения напряжения U _т  на нем и падения напряжения U _к на образцовой катушке, сопротивление R _к которой известно:  

                         ,                                         (2.5)

Градуировка термопары предусматривает серию измерений (Е _i, U _тi ,U _кi) в нескольких стационарных i - режимах. По первичным данным на основании градуировочного уравнения терморезистора T (R) вычисляют значения температуры среды (Т _i), а затем находят градуировочную характеристику  и градуировочное уравнение T (E) термопары.

В процессе поверки цифрового термометра для каждого стационарного режима вычисляют поправку к его показаниям по формуле:

 

                         ,                                          (2.6)

 

где Т – температура среды, рассчитанная по показаниям терморезистора.

Значения D _цифр сравнивают с паспортными данными цифрового термометра. Аналогично находят поправки для ртутного термометра.

Градуировка термопары и поверка термометров проводятся на экспериментальной установке.