Politechnika Wrocławska	Jakub Kliszcz	23.10.2010
Laboratorium Podstaw Fizyki
Wydział Elektryczny	Skalowanie termopary i wyznaczanie temperatury krzepnięcia stopu

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie fizycznych podstaw zjawiska termoelektrycznego i zapoznanie z techniką pomiaru temperatury za pomocą termopary.

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 U_ab, powstałego na jednym ze styków, przez napięcie U_ba na drugim styku. W obwodzie prąd nie płynie.

Jeżeli temperatury styków będą się różnić między sobą T1≠T2 , to napięcie kontaktowe U_ab ≠U_ba 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.

2. Pomiar zależności siły termoelektrycznej od temperatury.

1. Schemat układu pomiarowego

Woda z lodem Podgrzewana woda Termometr

V

2. Tabela wyników

Temperatura	Napięcie
[̊c]	[mV]
20	0,786
30	1,132
40	1,545
50	1,959
60	2,360
70	2,821
80	3,276
90	3,745

1. Wykres zależności U = f (t). Napięcia w funkcji temperatury.

2. wzory i obliczenia

1. stała termopary z regresji liniowej

Temperatura - xk	Napięcie - yk
[̊c]	[mV]
20	0,786
30	1,132
40	1,545
50	1,959
60	2,360
70	2,821
80	3,276
90	3,745

y = ax+b

Prosta musi przechodzić przez punkty :

Analiza błędów:

α+Δα=a+Δa

2

3. Wyznaczanie temperatury krzepnięcia metalu

1. Tabela pomiarów

Czas t	Napięcie
[s]	[mV]
20	4,260
40	4,123
60	3,798
80	3,501
100	3,281
120	3,060
140	2,895
160	2,777
180	2,720
200	2,701
220	2,677
240	2,648
260	2,622
280	2,601
300	2,578

320	2,555
340	2,520
360	2,461
380	2,401
400	2,328
420	2,230
440	2,142
460	2,080
480	2,021
500	1,972
520	1,937
540	1,904
560	1,875
580	1,847
600	1,826
620	1,807
640	1,790

660	1,775
680	1,763
700	1,750
720	1,740
740	1,730

2. Wykres zależności U = f (t). Napięcia w funkcji czasu

3. Wzory i obliczenia

Wyznaczanie temperatury krzepnięcia metalu.

*

* ze względu że wykres na przedziale A-B przyjmuje linię prostą obliczyłem wartość średnią napięcia na tym przedziale.

4. Analiza błędu

Przyjmując wartości: ΔU = 0,001 mV i Δt = 0,5 °C

1. Błąd względny temperatury

2. Błąd względny napięcia:

WNIOSKI:

Główne zalety termopar to prosta konstrukcja, trwałość, bardzo duży zakres pomiarowy, dokładność i czułość pomiaru oraz mała bezwładność cieplna. Stosuje się je tam gdzie jest potrzebny zdalny pomiar wysokich temperatur. Pomiary termopara są pomiarami dokładnymi.

Wykres zależności U=f(T) otrzymany w wyniku skalowania termopary jest prawie linia prosta , o niezbyt dużych odstępstwach od prostego charakteru . Wpływają na to błędy pomiaru, wynikające z niedokładności urządzeń pomiarowych oraz z niedokładności odczytu pomiarów. Błędy te można zmniejszyć stosując precyzyjniejsze urządzenia pomiarowe.

Z wykresu krzepnięcia stopu metalu możemy dokładnie odczytać temperaturę przy której następuje zjawisko krzepnięcia .W chwili krzepnięcia stopu metalu temperatura nie ulega zmianie. Przeprowadzone pomiary potwierdzają, ze badany stop metalu jest to stop Wooda gdyż żaden stop metali o takich właściwościach fizycznych nie ma tak niskiej temperatury topnienia.

---