Słapiński Mariusz                                                                                                                               Białystok 03.18.1999

Elektronika i Telekomunikacja

Grupa C5

Ćwiczenie E-7

Cechowanie termopary i wyznaczanie współczynnika czułości termopary

Przyrządy:

              Termopara żelazo-konstantan, galwanometr, naczynia na lód i wodę, źródło ciepła, termometr, dodatkowy rezystor.

Wprowadzenie:

              Ogniwo termoelektryczne stanowią dwa odcinki drutu sporządzone z różnych metali, spojone końcami. W przypadku wywołania różnicy temperatur między spojeniami w obwodzie płynie prąd. Siła elektromotoryczna, która ten prąd wywołuje nosi nazwę siły termoelektrycznej. Powstawanie siły termoelektrycznej tłumaczy teoria elektronowa metali. Zakłada ona, że w metalach pewna liczba elektronów jest niezwiązana z atomami, tworząc tzw. gaz elektronowy. Liczba swobodnych elektronów w jednostce objętości czyli ich koncentracja jest różna dla różnych metali. Jeśli więc zetkniemy dwa metale o różnej koncentracji swobodnych elektronów, nastąpi przechodzenie elektronów z jednego metalu do drugiego, tak długo aż w warstwach najbliższych zetknięcia, koncentracja ich się nie wyrówna Metal zawierający więcej elektronów traci je na korzyść uboższego i dzięki temu w miejscu zetknięcia wytwarza się skok potencjału hamujący dalszy przepływ elektronów. Gdy obydwa spojenia mają tę samą temperaturę, skoki potencjałów na obydwu spojeniach są takie same tylko skierowane w przeciwne strony. Z chwilą gdy ogrzejemy jedno ze spojeń energia kinetyczna elektronów wrasta i więcej ich przechodzi do metalu uboższego w elektrony. Napięcie na ogrzewanym spojeniu staje się wyższe niż na spojeniu zimnym i zaczyna płynąć prąd.

              Na termoelementy mogą być stosowane praktycznie wszystkie metale, ale w praktyce wykorzystuje się grupę metali dobranych parami tak aby otrzymać możliwie duże napięcia i powtarzalną charakterystykę termometryczną . Do częściej stosowanych termoelementów można zaliczyć:

-          platynarod – platyna

-          niklochrom – nikiel

-          żelazo – konstantan

-          miedź – konstantan

Poprawny pomiar wymaga utrzymywania wolnych końców w stałej temperaturze odniesienia, najlepiej w 0˚C. W celu oddalenia wolnych końców od miejsca pomiaru temperatury stosuje się przewody kompensacyjne.

              Przewody kompensacyjne do termoelementów powinny być wykonane z tego samego materiału co termoelement, z którym mają być połączone lub z materiałów zastępczych. Charakterystyki termometryczne przewodów kompensacyjnych muszą być jednak zgodne z charakterystykami odpowiednich termoelementów.

              Dokładniejsze pomiary temperatury wymagają eliminowania zmian temperatury wolnych końców. Jedną z podstawowych metod jest termostatyzacja. Wymaga ona stosowania termoelementu o dwóch spoinach: spoinie pomiarowej i spoinie odniesienia.

              Wielkość siły termoelektrycznej powstającej w obwodzie termopary zależy od różnicy temperatur obu spojeń. Dla niektórych metali zależność ma w przybliżeniu charakter liniowy i może być zapisana jako:

                                          (1)

gdzie: t0 – temperatura jednego spojenia

t1 – temperatura drugiego spojenia

α – współczynnik charakterystyczny dla każdej pary materiałów określający czułość termopary (wartość α określa jaka siła termoelektryczna powstaje w obwodzie przy różnicy temperatur między spojeniami wynoszącej 1˚

Jak wiadomo SEM występującą w obwodzie można zapisać jako:

                                          (2)

gdzie I- natężenie płynącego prądu

R0 – rezystancja całkowita obwodu (rezystancja termopary, galwanometru i przewodów łączących)

Widać, że jeśli rezystancję R0 przyjmiemy za wielkość stałą to natężenie płynącego prądu I jest proporcjonalne do siły termoelektrycznej i tym samym do różnicy temperatur między spojeniami.

Jeśli do obwodu dołączymy dodatkowy rezystor R1 to natężenie prądu zmieni się do wartości I1. Można zapisać wówczas:

                                          (3)

Z równań (2) i (3) mamy:

                                                        (4)

Porównując równania (4) i (1) można obliczyć współczynnik termopary:

                                          (5)

Wykonanie ćwiczenia:

·         Cechowanie termopary:

-                                  jedno spojenie termopary umieścić w naczyniu z wodą, drugie w naczyniu z lodem

Naczynie z lodem

Termometr

Naczynie z wodą

G

Grzejnik

-                                  do naczynia z wodą włożyć termometr

-                                  stopniowo podgrzewać wodę i co 10˚ notować wskazania galwanometru