Общие положения. Лабораторная работа № 2 (стенд № 9) поверка термопар

Лабораторная работа № 2 (стенд № 9) ПОВЕРКА ТЕРМОПАР

Цель работы

1) Ознакомиться с принципом действия и устройством термоэлектрических преобразователей.

2) Установить влияние температуры холодного спая на результат измерения.

3) Изучить способы устранения влияния температуры холодных спаев.

Общие положения

Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Для измерения температуры существует большое количество методов и технических средств.

Температурой называется статическая величина, характеризующая тепловое состояние тела и пропорциональная средней кинетической энергии молекул газа.

Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела (т.е. тепловое состояние тела).

Температурные шкалы - системы сопоставимых числовых значений температуры.

Все предлагаемые температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связанно с температурой.

Пересчёт температуры между основными шкалами приведен в табл.1.

Таблица 1

Пересчёт температуры между основными шкалами

в\из	Кельвин	Цельсий	Фаренгейт
Кельвин (K)	= K	= С + 273,15	= (F + 459,67) / 1,8
Цельсий (°C)	= K − 273,15	= C	= (F − 32) / 1,8
Фаренгейт (°F)	= K · 1,8 − 459,67	= C · 1,8 + 32	= F

Пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому в 1933 г. было принято решение о введении Международной температурной шкалы (МТШ).

Реперные точки шкалы МТШ-90 подразделяются на определяющие и вторичные. Определяющие реперные точки – это наиболее точно измеренные относительно тройной точки воды температуры, для которых результаты измерений в различных странах хорошо совпадают между собой. Список определяющих реперных точек шкалы МТШ-90 дан в табл. 2.

Таблица 2

Определяющие реперные точки шкалы МТШ-90

Реперная точка	Т,К	t°,C	Погрешность, К
Тройная точка равновесного водорода	13,81	- 259,34	0,01
Точка кипения равновесного водорода при давлении 3330,6 Па	17,042	-256,108	0,01
Точка кипения равновесного водорода	20,28	- 252,87	0,01
Точка кипения неона	27,102	- 246,048	0,01
Тройная точка кислорода	54,361	-218,789	0,01
Точка кипения кислорода	90,188	- 182,962	0,01
Тройная точка воды	273,16	0,01	Точно по определению
Точка кипения воды	373,15		0,005
Точка затвердевания цинка	692,73	419,58	0,003
Точка затвердевания серебра	1235,08	961,93	0,2
Точка затвердевания золота	1337,58	1064,43	0,2

Термоэлектрический метод измерения температур основан на строгой зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-э.д.с.) термоэлектрического термометра (термопары) от температуры.

Термоэлектрические явления – совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках.

Если составить цепь из двух разнородных проводников (или полупроводников) А и В и соединить их между собой концами, причем температуру T₁ одного места соединения сделать отличной от температуры Т₂ другого, в цепи появится ЭДС, называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.).

Принцип действия термопары основан на возникновении тока в цепи, составленной из двух разнородных проводников при нарушении теплового равновесия места их контактирования.

Рис. 1. Термопара

Термоэлектрические явления:

- явление Томсона;

- явление Зеебека;

- эффект Пельтье.

Явление Томсона относится к термоэлектрическим явлениям и заключается в следующем: при пропускании электрического тока через полупроводник (или проводник), вдоль которого существует градиент температуры, в нем, помимо джоулева тепла, в зависимости от направления тока будет выделяться или поглощаться дополнительное количество тепла (теплота Томсона).

Явление Зеебека объясняется тем, что средняя энергия электронов проводимости зависит от природы проводника и по-разному растет с температурой. Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие. Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в цепи создаёт одну из составляющих термоэдс, которую называют объёмной.

Эффект Пельтье́ — процесс выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока, то есть количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда:

Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт идет ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идет против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведет к его нагреву. Если же ток идет по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

Термопары широко применяются для измерения температур до 2500°С. Для измерения в области низких температур термопары получили меньшее распространение, чем термометры сопротивления.

К числу достоинств термопар можно отнести достаточно высокую точность измерения.

Способы введения поправки на температуру холодных концовтермопары

При измерении температуры термоэлектрическим термометром его свободные концы должны иметь постоянную температуру, так как колебания последней отражаются на показаниях вторичного прибора. В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 0°С, к показаниям вторичного прибора вводится соответствующая поправка. Поддержание постоянства температуры свободных концов термометра может производиться с помощью специальных термостатов, что значительно облегчает введение этой поправки, величина которой в этом случае остается постоянной.

В настоящее время широко применяется автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термометров при помощи специальных компенсирующих устройств, что не требует обеспечения постоянства этой температуры. Эти устройства располагаются отдельно или встраиваются во вторичный прибор.

Способы введения поправки:

1. Применение удлиняющих термоэлектродных проводов.

При прокладке соединительной линии между термоэлектрическим термометром и вторичным прибором свободные концы термометра, находящиеся на зажимах в его головке, будут расположены около нагретых поверхностей, т.е. в зоне переменной температуры. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной и более низкой температурой, применяются так называемые термоэлектродные удлиняющие провода.

Прокладывать термоэлектродные провода на такие большие расстояния не всегда рационально, особенно если термопара выполнена из благородных металлов. Кроме того, термоэлектродные провода обычно имеют значительное удельное электрическое сопротивление, что приводит к увеличению сопротивления цепи термопары. Поэтому для подключения термопар к измерительным приборам применяют удлинительные (так называемые компенсационные) провода, более дешевые, чем термоэлектродные, и имеющие меньшее сопротивление.

Основное требование к компенсационным проводам: они должны развивать в диапазоне температур (0…100)^°С такую же термоЭДС, как и термоэлектродные.

Компенсационные провода состоят из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термопары. Посредством удлиняющих проводов производится как бы наращивание термоэлектродов термометра, позволяющее отнести свободные концы от места его установки в более благоприятные условия.

Для термометров из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и термоэлектроды, тогда как для термометров из благородных металлов в целях удешевления удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паре между собой примерно ту же термоЭДс, что и термометр, для которого они предназначены.

2. Применение специального медного сопротивления в автоматических потенциометрах.

3. Термостатирование холодных концов, т.е. Т₂=const, при этом обычно используются термостаты или ванна с тающим льдом.

4. Применение компенсирующего моста для автоматического введения поправки. Схема представляет собой неуравновешенный мост с постоянными манганиновыми резисторами R₁, R₂, R₃ и медным резистором R₄, находящийся в равновесии при 0°С. При отклонении температуры свободных концов от нуля возникающий разбаланс моста U_ab компенсирует возможное снижение измеряемой ЭДС.

5. Введение поправки вручную.