Opiekun: Dariusz Karp	Imię Nazwisko: Wydział/kierunek: SKP Termin zajęć: Piątek godz. 9:15
Temat: Skalowanie termopary.	Nr ćwiczenia: 20
Termin wykonania ćwiczenia: 26.03.2010r	Termin oddania sprawozdania: 27.04.2010r

1. Cel ćwiczenia.

-poznanie fizycznych podstaw zjawiska termoelektrycznego,

-zapoznanie się z techniką pomiaru temperatury za pomocą termopary.

2. Wstęp:

Zjawisko termoelektryczne polega na powstaniu siły elektromotorycznej między spojeniami dwóch różnych metali, jeżeli między tymi spojeniami występuje różnica temperatur. Zjawisko to wykorzystuje się do pomiaru temperatury. Zastosowanie termopar umożliwia zdalny pomiar temperatury, rejestrację zmian temperatury, automatyczną regulację procesów technologicznych oraz pomiar temperatury bardzo małych obiektów. Dodatkowymi zaletami termopar są: ich prosta konstrukcja, trwałość, bardzo duży zakres pomiarowy, dokładność i czułość pomiaru oraz mała bezwładność cieplna.

Metal jest zbudowany z jonów dodatnich tworzących sieć krystaliczną oraz elektronów swobodnych poruszających się między tymi jonami. Koncentracja elektronów swobodnych jest różna w różnych metalach, a ponadto zależy od temperatury. W miejscu styku następuje dyfuzja elektronów z metalu o większej koncentracji elektronów swobodnych do metalu o mniejszej koncentracji.

W obwodzie zamkniętym złożonym z dwóch różnych metali, gdy temperatury styków są jednakowe, następuje kompensacja napięcia Uab, powstałego na jednym ze styków, przez napięcie Uba na drugim styku. W obwodzie prąd nie płynie.

Jeżeli temperatury styków będą się różnić między sobą T1≠T2 , to napięcie kontaktowe Uab ≠Uba i w obwodzie popłynie prąd termoelektryczny. Na gruncie elektronowej teorii metali w złączu wykonanym z dwóch metali A i B ,to powstanie kontaktowa różnica potencjałów

,gdzie:

e - ładunek elektronu,

- energia Fermiego dla metalu A

- energia Fermiego dla metalu B.

W praktyce, dla niedużych różnic temperatur między spoinami można przyjąć liniową zależność siły termoelektrycznej od różnicy temperatur.

Stała α nazywa się współczynnikiem termoelektrycznym i oznacza wartość siły termoelektrycznej dla termopary wykonanej z danej pary metali przy różnicy temperatur między spojeniami równej 1 K.

3. Schemat pomiarowy

2. 
   4. Pomiary i obliczenia:

   1. Skalowanie termopary:

`	t	Δt	U	ΔU	α	Δα	Dα/α
Lp.	[^0C]	[^0C]	[mV]	[mV]	[mV/deg]	[mV/deg]
1	23,6	0,1	0,943	0,011	0,040	0,0004	0,01
2	25		0,989	0,012	0,040
3	27		1,060	0,012	0,039
4	29		1,120	0,013	0,039
5	31		1,188	0,014	0,038
6	33		1,287	0,015	0,039
7	35		1,381	0,016	0,039
8	37		1,461	0,017	0,039
9	39		1,550	0,018	0,040
10	41		1,622	0,018	0,040
11	43		1,686	0,019	0,039
12	45		1,772	0,020	0,039
13	47		1,864	0,021	0,040
14	49		1,959	0,022	0,040
15	51		2,039	0,022	0,040
16	53		2,134	0,023	0,040
17	55		2,204	0,024	0,040
18	57		2,293	0,025	0,040
19	59		2,269	0,025	0,038
20	61		2,437	0,026	0,040
21	63		2,535	0,027	0,040
22	65		2,623	0,028	0,040
23	67		2,722	0,029	0,041
24	69		2,811	0,030	0,041
25	71		2,911	0,031	0,041
26	73		2,995	0,032	0,041
27	75		3,095	0,033	0,041
28	77		3,178	0,034	0,041
29	79		3,270	0,035	0,041
30	81		3,338	0,035	0,041
31	83		3,452	0,037	0,042
32	85		3,540	0,037	0,042
33	87		3,644	0,038	0,042
34	89		3,710	0,039	0,042

1. Wyznaczenie temperatury krzepnięcia stopu

Lp	t	U	ΔU	Uk	ΔUk	Tk	ΔTk	ΔTk/Tk
	[s]	[mV]	[mV]	[mV]	[mV]
1	0	4,269	0,03	2,614	0,015	67,026	5,23	0,081
2	20	4,272
3	40	4,150
4	60	4,005
5	80	3,900
6	100	3,805
7	120	3,652
8	140	3,513
9	160	3,379
10	180	3,240
11	200	3,140
12	220	3,034
13	240	2,985
14	260	2,935
15	280	2,856
16	300	2,785
17	320	2,731
18	340	2,683
19	360	2,644
20	380	2,614
21	400	2,596
22	420	2,585
23	440	2,576
24	460	2,570
25	480	2,565
26	500	2,562
27	520	2,562
28	540	2,561
29	560	2,566
30	580	2,567
31	600	2,567
32	620	2,563
33	640	2,560
34	660	2,557
35	680	2,555
36	700	2,551
37	720	2,548
38	740	2,546
39	760	2,545
40	780	2,539
41	800	2,534
42	820	2,528
43	840	2,522
44	860	2,517
45	880	2,510
46	900	2,497

4. Wykresy:

   1. zależność napięcia na spojeniach termopary od temperatury wody

U=f(t)

1. zależność siły termoelektrycznej od czasu schładzania badanego stopu

U=f(t)

6. Przykładowe obliczenia i wzory:

• Dokładność miernika

[mV]

• Wyznaczenie współczynnika termoelektrycznego α termopary :

$\alpha = \frac{1,199}{0,014} = 0,039967 \approx 0,04$ [mV/deg]

• Wyznaczenie temperatury krzepnięcia stopu

$T_{k} = \frac{2,634}{0,0393} = 66,943$ [⁰C]

7. Wnioski :

Celem naszego ćwiczenia było wyznaczenie współczynnika termoelektrycznego badanej termopary i na podstawie wykreślonej charakterystyki określenie temperatury krzepnięcia metalu. Metalem tym prawdopodobnie była cyna, co można stwierdzić po charakterystycznej szarej barwie, niskiej temperaturze topnienia i równie niskiej temperaturze krzepnięcia tego metalu (około 67 °C). Na charakterystyce U=(t) początkowy duży narost wartości napięcia termoelektrycznego spowodowany jest procesem osiągania przez termoparę temperatury metalu. Dalej następuje spadek wartości napięcia wywołany ochładzaniem się metalu. Przy wartości 65-63 °C , co odpowiada napięciu 2.67 mV wykres przebiega prawie poziomo, to znaczy, że rozpoczął się proces krzepnięcia metalu. Dalsza część wykresu przedstawia ochładzanie się metalu do temperatury otoczenia.

Podczas skalowania termopary temperaturą odniesienia było 0 °C , którą uzyskaliśmy przez zmieszanie lodu z wodą.

• Przy cechowaniu termopary można zauważyć, że napięcie odczytywane na miliwoltomierzu cyfrowym rośnie wprost proporcjonalnie do wzrastającej temperatury

• Temperatura, w której jest obserwowane plateau jest równocześnie temperaturą przemiany fazowej.