Pomiar temperatury termoelementem

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami pomiaru temperatury termoelementem, opanowanie prawidłowego przygotowania termoelementu do pomiaru oraz zbadanie wpływu temperatury spoiny odniesienia na wskazywaną przez miernik wartość temperatury badanego ciała, mierzonej różnymi typami termoelementów.

2. Podstawy teoretyczne

A. Definicje

Temperatura jest jednym z parametrów stanu termodynamicznego ciała (układu) charakteryzującym stopień jego nagrzania.

Wielkość ta jest mierzona pośrednio, poprzez pomiar różnych właściwości zmieniających się z temperaturą - jak np. długość, objętość, gęstość, właściwości elektryczne.

Wartość temperatury określa się za pomocą skali temperatury, określonej przez tzw. stałe punkty termometryczne, którym odpowiadają pewne zjawiska - np. zmiana stanu fizycznego. Podział na części zakresu pomiędzy tymi stałymi punktami tworzy skalę termometryczną, np.:

Skala Celsjusza przyjmuje przy ciśnieniu p = 760 mm Hg = 1013.25 hPa:

0 ^o → dla temperatury topnienia lodu

100 ^o → dla temperatury wrzenia wody

przy podziale skali na 100 równych części, tj. co 1 ^oC.

Skala Fahrenheita przyjmuje :

32 ^oF→ dla temperatury topnienia lodu

212 ^o F → dla temperatury wrzenia wody

przy podziale skali na 180 równych części, tj. co 1 ^o F. Pomiędzy obiema skalami zachodzi zależność:

(1)

Bezwzględna skala temperatury - (termodynamiczna skala temperatury) przyjmuje:

0 → dla temperatury zera absolutnego, tj. temperatury w której ustaje ruch cieplny. Jednostką tej skali jest 1K (1 Kelvin). Pomiędzy skalą Celsjusza i skalą Kelvina zachodzi zależność:

(2)

W układzie jednostek SI ( System International) - jednostka 1K jest równa 1/273.16 temperatury bezwzględnej punktu potrójnego wody (temperatura punktu potrójnego wody wynosi 0.1 ^oC, czyli 273.16 K)

Międzynarodowa skala temperatury opiera się na sześciu powtarzalnych, odtwarzalnych punktach termometrycznych, określonych przy ciśnieniu p_o = 760 mm Hg (1013.25 hPa).

1. Temperatura równowagi między

ciekłym i gazowym tlenem -182.970 ^oC (temp. wrzenia tlenu)

2. Temperatura punktu potrójnego

wody 0.01 ^oC

3. Temperatura równowagi między

wodą i jej parą 100 ^oC (t. wrzenia wody)

4. Temperatura równowagi między

ciekłym i stałym srebrem 960.80 ^oC (t. topnienia srebra)

5. Temperatura równowagi między

ciekłym i stałym złotem 1063 ^oC (t. topnienia złota)

6. Punkt absolutny (zero bezwzględne) - 273.16 ^oC

( Przy temperaturze wyższej od 1063 ^oC skalę temperaturową określa się wykorzystując intensywności promieniowania złota i ciała doskonale czarnego)

B. Klasyfikacja mierników temperatury

A) Bezstykowe (pirometry) - wykorzystujące zjawisko wysyłania promieniowania cieplnego przez nagrzane ciało.

B) Stykowe - termometry - wymieniające ciepło z mierzonym ośrodkiem na drodze przewodzenia, konwekcji i promieniowania.

Termometry stykowe - nieelektryczne

1. Termometry rozszerzalnościowe

- termometry cieczowe (rtęciowe do temperatury max. 600 ^oC)

(galowe do temperatury max. 1000 ^oC)

- termometry bimetalowe.

2.Termometry ciśnieniowe (manometryczne)

- cieczowe, parowe, gazowe.

Termometry stykowe - elektryczne

1. Termometry rezystancyjne (o czułości do 10^{-4 o}C )

W termometrach tych wykorzystuje się zmianę rezystancji wraz z temperaturą:

(3)

gdzie:

- współczynniki,

R_o - oporność w 0 ^oC.

Najczęściej stosowane są w tych termometrach następujące metale: Pt, Ni i Cu, przy czym zakres stosowania tych termometrów do pracy ciągłej wynosi:

Platyna: - 200 ÷ 850 ^oC (dorywczo do 1000 ^oC)

Nikiel: - 60 ÷ 150 ^oC (dorywczo do 300 ^oC)

Miedź: - 50 ÷ 150 ^oC

Termometry rezystancyjne półprzewodnikowe (termistory)

Termometry te wykonuje się z mieszaniny tlenków (siarczanów, krzemianów) takich metali, jak Ni, Co, Cu, U, Fe, Zn, Ti, Al, Mg). Zakres temperatury ich pracy wynosi:

- 100 + 300 ^oC, a niektórych nawet do 1200 ^oC.

Zaletą termistorów jest ich duża czułość - do 0.001 K, natomiast wadą są ich zmienne właściwości w górnym zakresie temperatury pracy.

Termometry termoelektryczne

Czujnikiem termometru termoelektrycznego jest czujnik generacyjny, stanowiący ogniwo termoelektryczne, czyli termoelement (bądź termoparę od ang. thermocouple). Podstawę działania tych termometrów stanowi zjawisko odkryte w roku 1821 przez T. Seebecka, który stwierdził, iż w zamkniętym obwodzie, złożonym z dwóch różnych metali A i B, których złącza znajdują się w różnej temperaturze T₁ i T₂ - występuje przepływ prądu elektrycznego.

T₁

metal B metal A

T₂

 

Z kolei na styku dwóch różnych metali występuje kontaktowa różnica potencjałów E_AB, wywołana różną liczbą swobodnych elektronów po obu stronach styku. Wartość kontaktowej różnicy potencjałów jest zmienna z temperaturą:

(4)

gdzie:

L_A, L_B - prace wyjścia elektronów z metalu A i B,

n_A, n_B - liczba swobodnych elektronów w metalu A i B,

k - stała Boltzmanna,

e - ładunek elektronu.

Różnica kontaktowych różnic potencjałów na złączach metali A i B, umieszczonych w różnej temperaturze T₁ i T₂, powoduje powstanie siły termoelektrycznej ε , proporcjonalnej do różnicy temperatury (T₁ - T₂):

 

 

E₁, T₁ E₂, T₂

 

(5)

gdzie:

C - sta³a.

W praktyce przemysłowej wykorzystuje się następujące typy termoelementów:

TYP	Skład	Maksymalny zakres temperatury, ^oC	Maksymalny zakres napięcia, mV	Zalecany zakres temperatury, ^oC
R	PtRh13-Pt	0-1600	0-18.852	0-1300
S	PtRh10-Pt	0-1600	0-16.716	0-1300
B	PtRh30-PtRh 6	0-1800	0 13.488	0-1600
J	Fe-CuNi (żelazo-konstantan)	0-800	0-53.15	0-600
K	NiCr-NiAl0.5	0-1300	0-52.41	0-1100

 

3. Stanowisko badawcze

T₁ T₂

A B C

 

Schemat układu pomiarowego:

T₁ - temperatura mierzona,

T₂ - temperatura spoiny odniesienia: A: T₂ = 0^oC (woda destylowana w równowadze z lodem), B: T₂ = T_ot (atmosfera pomieszczenia), C: T₂ > T_ot (podgrzany olej silikonowy)

V - voltomierz cyfrowy V542.2, T - termoelement NiCr-NiAl0.5

4. Wykonanie ćwiczenia

- przygotować termoelement NiCr-NiAl0.5: zużyte spoiny pomiarowe odciąć, uzupełnić lub wymienić zużyte osłonki termiczne oraz osłonki igelitowe, termoelektrody skręcić ze sobą na długości ok. 5 mm, a następnie przetopić w łuku elektrycznym przy zastosowaniu boraksu jako topnika,

- przyłączyć termoelement do voltomierza cyfrowegoV542.2,

- rozgrzać piecyk elektryczny T₁,

- naczynie A napełnić mieszaniną wody z lodem, podgrzać olej silikonowy w naczyniu C,

- do piecyka T₁ wprowadzić spoinę pomiarową termoelementu T (tzw. spoinę gorącą),

- spoinę odniesienia T₂ (tzw. spoinę zimną) termoelementu T wprowadzić kolejno do naczyń A, B i C, odczytując każdorazowo wskazania voltomierza,

- wskazania voltomierza V przeliczyć na wartość temperatury wykorzystując tablicę charakterystyki napięciowej termoelementu NiCr-NiAl0.5,

- na podstawie dokonanych odczytów obliczyć temperaturę pomieszczenia T_ot oraz temperaturę oleju silikonowego T_c .

 

LITERATURA

1. Michalski L., Eckersdorf K.: Pomiary temperatury. WNT Warszawa, 1969

2. Staniszewski B.:Wymiana ciepła. Podstawy teoretyczne. PWN Warszawa, 1979

3. Karwacki J.: Technika cieplna. Laboratorium. Skrypt AGH nr 1218, Kraków, 1990

4. Pomiary cieplne - cz. I. Praca zbiorowa. WNT Warszawa, 1993