SPRAWOZDANIE
Z
ĆWICZENIA NR 20
SKALOWANIE TERMOPARY
WSTĘP TEORETYCZNY.
Zjawisko termoelektryczne polega na powstawaniu 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.
W obwodzie zamkniętym, składającym się z dwóch różnych metali, płynie prąd, jeżeli temperatury styków tych metali różnią się między sobą. Zjawisko to nosi nazwę zjawiska termoelektrycznego. W celu jego wyjaśnienia odwołujemy się do elektronowej budowy metali. 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, powstanie kontaktowa różnica potencjałów:
UAB=(EaF - EbF)/e
gdzie: e - ładunek elektronu,
EaF- energia Fermiego dla metalu A,
EbF- energia Fermiego dla metalu B.
W praktyce, dla niedużych różnic temperatur między spoinami, można przyjąć liniową zależność siły termoelektrycznej od różnicy temperatur:
Uab=α(T1 - T2)
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.
POMIARY.
Przed przystąpieniem do pomiaru temperatury należy przeprowadzić skalowanie termopary. Z pomiarów możemy wyznaczyć współczynnik termoelektryczny α , lub dysponując wykresem zależności siły termoelektrycznej od temperatury, możemy przez pomiar siły termoelektrycznej wyznaczyć temperaturę.
schemat pomiarowy
A) SKALOWANIE TERMOPARY .
Układ zmontowany był, jak na rysunku wyżej. Termos napełniłyśmy mieszaniną wody z lodem. Do naczynia 6 (miejsca na umieszczenie spojeń termopary) dodałyśmy kilka kropel gliceryny. W naczyniu 3 uzupełniłyśmy poziom wody do 2/3 objętości.
Następnie włączyłyśmy woltomierz, mieszadło i kuchenkę elektryczną (do sieci).
Przeprowadzałyśmy skalowanie termopary, wyznaczając zależność Ut = f (t).
Wartości temperatury odczytywałyśmy na termometrze co 20C, aż do uzyskania wartości temperatury ok. 900C.
Uzyskane wyniki:
(temperaturę odczytywałyśmy na dwóch termometrach, wartość uśredniłam)
temp(l) |
temp(p) |
temp(śr) |
U |
[ 0C ] |
[ 0C ] |
[ 0C ] |
[ mV ] |
21,5 |
21,0 |
21,3 |
0,758 |
24,0 |
23,0 |
23,5 |
0,836 |
26,0 |
25,0 |
25,5 |
0,924 |
28,0 |
27,0 |
27,5 |
1,008 |
30,0 |
29,0 |
29,5 |
1,091 |
32,0 |
31,2 |
31,6 |
1,176 |
34,0 |
33,1 |
33,6 |
1,260 |
36,0 |
35,1 |
35,6 |
1,345 |
38,0 |
37,1 |
37,6 |
1,427 |
40,0 |
39,3 |
39,7 |
1,515 |
42,0 |
41,2 |
41,6 |
1,602 |
44,0 |
43,5 |
43,8 |
1,694 |
46,0 |
45,5 |
45,8 |
1,780 |
48,0 |
47,5 |
47,8 |
1,871 |
50,0 |
49,5 |
49,8 |
1,963 |
52,0 |
51,6 |
51,8 |
2,049 |
54,0 |
53,6 |
53,8 |
2,138 |
56,0 |
55,6 |
55,8 |
2,234 |
58,0 |
57,6 |
57,8 |
2,315 |
60,0 |
59,6 |
59,8 |
2,408 |
62,0 |
61,6 |
61,8 |
2,492 |
64,0 |
63,5 |
63,8 |
2,579 |
66,0 |
65,5 |
65,8 |
2,669 |
68,0 |
67,5 |
67,8 |
2,763 |
70,0 |
69,6 |
69,8 |
2,849 |
72,0 |
71,6 |
71,8 |
2,942 |
74,0 |
73,6 |
73,8 |
3,028 |
76,0 |
75,5 |
75,8 |
3,123 |
78,0 |
77,5 |
77,8 |
3,217 |
80,0 |
79,5 |
79,8 |
3,326 |
82,0 |
81,6 |
81,8 |
3,396 |
84,0 |
83,5 |
83,8 |
3,492 |
86,0 |
86,0 |
86,0 |
3,593 |
88,0 |
87,4 |
87,7 |
3,688 |
90,0 |
89,6 |
89,8 |
3,785 |
Błędy odczytywanych wielkości:
Δt = 0,5 [0C]
ΔU = 0.001 [mV]
B) WYZNACZANIE TEMPERATURY KRZEPNIĘCIA STOPU METALU.
Spojenie termopary wyjęłyśmy z probówki naczynia 3 i umieściłyśmy w probówce naczynia 7. Następnie tygiel ze stopem położyłyśmy na kuchence elektrycznej i ogrzewałyśmy do uzyskania płynnego stopu w całej objętości. Wówczas zdjęłyśmy tygiel z kuchenki i umieściłyśmy go na metalowej płycie. W czasie chłodzenia notowałyśmy wskazania woltomierza w funkcji czasu Ut = f (t), co 20s.
Uzyskane wyniki:
- napięcie mierzyłyśmy w równych odstępach czasu, co 20s
t |
U |
|
|
t |
U |
[ s ] |
[ mV ] |
|
|
[ s ] |
[ mV ] |
0 |
3,565 |
|
|
400 |
2,532 |
20 |
3,410 |
|
|
420 |
2,522 |
40 |
3,225 |
|
|
440 |
2,514 |
60 |
3,114 |
|
|
460 |
2,506 |
80 |
2,999 |
|
|
480 |
2,494 |
100 |
2,899 |
|
|
500 |
2,478 |
120 |
2,807 |
|
|
520 |
2,467 |
140 |
2,723 |
|
|
540 |
2,455 |
160 |
2,664 |
|
|
560 |
2,445 |
180 |
2,620 |
|
|
580 |
2,432 |
200 |
2,590 |
|
|
600 |
2,417 |
220 |
2,573 |
|
|
620 |
2,393 |
240 |
2,563 |
|
|
640 |
2,365 |
260 |
2,559 |
|
|
660 |
2,350 |
280 |
2,560 |
|
|
680 |
2,307 |
300 |
2,559 |
|
|
700 |
2,256 |
320 |
2,560 |
|
|
720 |
2,205 |
340 |
2,557 |
|
|
740 |
2,162 |
360 |
2,547 |
|
|
760 |
2,113 |
380 |
2,541 |
|
|
780 |
2,052 |
WNIOSKI .