Ćw. nr: 22
Cechowanie termopary
Zagadnienia do samodzielnego opracowania.
Temperatura- jest to jedna z podstawowych wielkości fizycznych. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii. Pomiar temperatury możemy wykonać na wiele sposobów. W zależności od interakcji pomiędzy badanym obiektem pomiarowym a czujnikiem pomiarowym wyróżnić można:
pomiar kontaktowy - czujnik (termometr) styka się z obiektem, którego temperaturę mierzymy
pomiar bezkontaktowy - poprzez pomiar parametrów promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez rozgrzane ciało (promieniowanie cieplne) np. długości fali, ilości emitowanej energii przez obiekt.
Kontaktowa różnica potencjałów - między stykającymi się ośrodkami (dielektrykami) wytwarza się określona różnica potencjału, którą nazywamy napięciem kontaktowym. Powierzchnia styku o niższym potencjale ładuje się ujemnie, powierzchnia styku ośrodka o wyższym potencjale ładuje się dodatnio, czyli na powierzchni styku wytwarza się podwójna warstwa elektryczna. Powstawanie napięcia kontaktowego można tłumaczyć różnicą sił przyciągania ładunków dodatnich i ujemnych przez cząsteczki różnych ciał. W jednym ciele rodzaj cząstek jest ten sam w całym ciele i wobec tego ładunki są równomiernie przyciągane. W przypadku zbliżenia dwóch ciał na odległość działania sił międzycząsteczkowych, ciało, którego cząsteczki wykazują większą siłę przyciągania dla ładunków dodatnich, nagromadzi ich na swej powierzchni więcej niż drugie ciało, które dzięki temu będzie miało przewagę ładunków ujemnych. Wskutek nierównomiernego podziału ładunków na powierzchniach styku obu ciał wytwarza się różnica potencjałów, równoważąca działanie sił między cząsteczkowych obu ciał. Siły wywołujące tę różnicę potencjałów są nazywane siłami elektromotorycznymi.
Siła termoelektryczna - w zamkniętym obwodzie złożonym z dwóch z dwóch różnych metali płynie prąd elektryczny, jeżeli jedno miejsce styku jest ochłodzone, a drugie ogrzewane. Siła termoelektryczna jest proporcjonalna do różnicy temperatur styków. Połączoną w ten sposób parę metali nazywamy termoelementem. Najprostsze wytłumaczenie powstawania prądu termoelektrycznego można podać zakładając, że przy ogrzaniu zmienia się wartość napięcia kontaktowego stykających się metali.
Termopara i termoogniwo są elementami obwodu elektrycznego składającego się z dwóch różnych materiałów i wykorzystujący zjawisko Seebecka zachodzące na ich styku. Termopara jest wykorzystywana jako czujnik temperatury. Główną zaletą tych urządzeń jest przetwarzanie bezpośrednio wielkości nieelektrycznej - temperatury, na wielkość elektryczną - napięcie. Pozwala to przesyłać sygnały na duże odległości, przetwarzanie i gromadzenie danych o temperaturze badanego obiektu, a także sterowanie różnymi procesami. Ponadto termopary są niezawodne, proste i tanie.
Tabele pomiarowe oraz obliczenia
| L.p. | T0 [ 0C ] | T1[0C ] | T1-T0[0C ] | ε [mV] | α [mV/0C] | u(α) [mV/0C] |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0,08 | - |
|
| 2 | 0 | 5 | 5 | 0,24 | 0,0480 | |
| 3 | 0 | 10 | 10 | 0,4 | 0,0400 | |
| 4 | 0 | 15 | 15 | 0,62 | 0,0413 | |
| 5 | 0 | 20 | 20 | 0,8 | 0,0400 | |
| 6 | 0 | 25 | 25 | 1,01 | 0,0404 | |
| 7 | 0 | 30 | 30 | 1,23 | 0,0410 | |
| 8 | 0 | 35 | 35 | 1,42 | 0,0406 | |
| 9 | 0 | 40 | 40 | 1,61 | 0,0403 | |
| 10 | 0 | 45 | 45 | 1,8 | 0,0400 | |
| 11 | 0 | 50 | 50 | 2,0 | 0,0400 | |
| 12 | 0 | 55 | 55 | 2,22 | 0,0404 | |
| 13 | 0 | 60 | 60 | 2,42 | 0,0403 | |
| 14 | 0 | 65 | 65 | 2,62 | 0,0403 | |
| 15 | 0 | 70 | 70 | 2,84 | 0,0406 | |
| 16 | 0 | 75 | 75 | 3,0 | 0,0400 | |
| 17 | 0 | 80 | 80 | 3,2 | 0,0400 | |
| 18 | 0 | 85 | 85 | 3,42 | 0,0402 | |
| 19 | 0 | 90 | 90 | 3,6 | 0,0400 | |
| 20 | 0 | 95 | 95 | 3,84 | 0,0404 | |
| 21 | 0 | 100 | 100 | 3,98 | 0,0398 |
Współczynnik termoelektryczny „ k ” dla poszczególnych pomiarów obliczamy korzystając ze wzoru :
$$\varepsilon = \alpha\left( \right)\alpha = \frac{}{\left( \right)}$$
np. $\alpha = \frac{0,8}{20} = 0.04\ \lbrack\frac{\text{mV}}{_{o}^{o}C}$]
Bezwzględna niepewność pomiaru napięcia:
$$\Delta U = \frac{\text{kl}}{100} Z_{p}$$
np. $\text{ΔU} = \frac{0,5}{100} 0,02 = 0,0001\left\lbrack V \right\rbrack$
$$\alpha_{sr} = \frac{1}{n}\sum_{i = 1}^{n}\alpha_{i} = 0,0407$$
Niepewność obliczam z odchylenia średniej:
$$u\left( \alpha_{sr} \right) = \frac{1}{n}\sum_{}^{}{|\alpha - \alpha_{sr}|}$$
u(αsr) = 0, 0008
Obliczenia zostały wykonane w arkuszu kalkulacyjnym.
Wnioski
Po dokonaniu pomiarów i obliczeń doszedłem do wniosku, że mieliśmy do czynienia z termoparą
z grupy pierwszej według normy PN-EN 60584-2. Jest to typ „K” gdzie termoelementy wykonane są z niklu
i chromu (NiCr-Ni). Typ ten charakteryzuje się tym, iż zależność SEM od temperatury jest prawie liniowa,
a jego czułość wynosi 41µV/°C, co zostało poparte wynikami pomiarów. Niepewność pomiarowa jest wynikiem niedokładnego wyzerowania termometrów. W ćwiczeniu ważne było to aby utrzymywać cały czas temperaturę 0oC, trzeba było również uważać aby termometr w naczyniu podgrzewanym nie stykał się bezpośrednio z lodem przez co zaburzałby pomiary.