Laboratorium z Podstaw Metrologii i Technik Eksperymentu
Pomiar Temperatury Metodami Stykowymi
Sekcja 1:
Jan Golec
Bartłomiej Rutczyk
Kamil Sadowski
Przemysław Samek
Marek Krysztofiak Maciej Kawaler
Wojciech Marcinkowski
Gliwice, 17.10,2014 Marcin Kempny
Wstęp teoretyczny
Temperatura jest termicznym parametrem stanu substancji charakteryzującym jej zdolność do przekazywania ciepła i równocześnie służącym do określania energii wewnętrznej danej substancji. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ.
Przyrządy pomiarowe temperatur opierają się na Zerowej Zasadzie Termodynamiki sformułowanej przez Maxwella.
Zerowa Zasada Termodynamiki- Jeżeli układ znajduje się w równowadze termodynamicznej z układem Z oraz układ Y znajduje się w równowadze termodynamicznej z układem Z,
to układ X znajduje się także w równowadze termodynamicznej z układem Y.
W konstrukcji przyrządów pomiarowych temperatur korzysta się z zależności, że prawie wszystkie właściwości ciała jak długość, objętość, gęstość oraz właściwości elektryczne
i magnetyczne zmieniają się wraz z zmianami temperatur. Pomiar można dokonać tylko gdy jest znana zależność funkcyjna danej właściwości ciała od temperatury.
Metody pomiaru temperatury możemy podzielić na metody stykowe i bezstykowe.
W przypadku metod stykowych by określić temperaturę konieczny jest kontakt z powierzchnią badaną, natomiast w drugim przypadku pomiar polega na pomiarze natężenia promieniowania cieplnego emitowanego przez dane ciało o temperaturze wyższej od 0 K.
Poniżej w skrócie zostanie omówione wykorzystane w ćwiczeniu stykowe przyrządy pomiarowe.
Termometr rozszerzalnościowy- w ich konstrukcji wykorzystuje się rozszerzalność cieplną ciał stałych i cieczy. W ćwiczeniu został wykorzystany termometr cieczowy. Podgrzanie cieczy termometrycznej w zbiorniczku termometru powoduje przyrost jej objętości na skutek rozszerzalności cieplnej. Nadmiar cieczy jest wypychany do długiej rurki o małym przekroju poprzecznym zwanej kapilarą wzdłuż której naniesiona jest skala temperaturowa.
Termometr rezystancyjny- zasada działania polega na wykorzystaniu zmienności rezystancji czynnego elementu czujnika pod wypływem temperatury. Większość metali wykazuje zwiększenie rezystancji wraz z wzrostem temperatury, natomiast półprzewodniki zmniejszają swoją rezystancję wraz z temperaturą. Ogólna zależność zmiany rezystancji wraz z zmianą temperatury ma postać:
RT=R0[1+α(T-T0)]
,gdzie R, R0- rezystancja czujnika w temperaturze T,T0; α- współczynnik stały
Termometr termoelektryczny- głównym elementem termoelektrycznego jest czujnik termoelektryczny zbudowany z ogniwa termoelektrycznego zwanego termoelementem. Ogniwo jest zestawem dwóch przewodników wykonanych z dwóch różnych metali. Termoelement powstaje po połączeniu końców dwóch przewodów i pozostawieniu wolnych pozostałych dwóch końców. Po umieszczeniu złącza przewodów w środowisku o innej temperaturze niż temperatura wolnych końców, między końcami powstanie różnica napięcia zwana siłą termoelektryczną. Wartość tej siły mierzy się odpowiednim przyrządem np. miliwoltomierzem lub kompensatorem.
Przebieg ćwiczenia „Pomiar temperatury za pomocą różnych metod”
Załączono zasilanie elektryczne, aby nagrzać mierniki temperatury do stanu ustalonego. Następnie za pomocą termometru rtęciowego zmierzono temperaturę powietrza w laboratorium, która wyniosła 292,65K. W kolejnej fazie do termosu pomiarowego nalano trochę ciepłej wody i umieszczono w niej przyrządy pomiarowe tj. termometr rtęciowy, wtyczki termoelementów i termometru rezystancyjnego. Temperaturę wody podnoszono o 5-10oC przez dolewanie ciepłej wody. Uzyskane Wyniki przedstawiono w tabelach poniżej:
| nr pomiaru | termometr | czujnik r. | Termoelement K | Termoelement J |
|---|---|---|---|---|
| C | K | |||
| 1 | 16,5 | 15,4 | 14,5 | 287,65 |
| 2 | 28 | 28 | 27,3 | 300,45 |
| 3 | 41 | 40,8 | 40,4 | 313,55 |
| 4 | 49,8 | 50,4 | 49,2 | 322,35 |
| 5 | 60,6 | 59,7 | 59,2 | 332,35 |
| termoelement k | termoelement j |
|---|---|
| współczynnik seebecka mV/K | współczynnik seebecka mV/K |
| -0,0198 | -0,0328 |
| 0,0508 | 0,0574 |
| 0,0431 | 0,0538 |
| 0,0424 | 0,0531 |
| 0,0418 | 0,0526 |
| termoelement k | termoelement j |
|---|---|
| współczynnik seebecka tablicowy 0,041 mV/K | współczynnik seebecka tablicowy 0,055 mV/K |
| T-T0 | T-T0 |
| 2,415 | 2,564 |
| 9,659 | 8,564 |
| 21,951 | 20,727 |
| 30,732 | 29,273 |
| 40,488 | 38,364 |
| T | T |
| 295,065 | 295,214 |
| 302,309 | 301,214 |
| 314,601 | 313,377 |
| 323,382 | 321,923 |
| 333,138 | 331,014 |
| róznica wartosci temp wyliczonej i zmierzonej | róznica wartosci temp wyliczonej i zmierzonej |
| 285,235 | 285,786 |
| 290,791 | 292,286 |
| 291,599 | 293,123 |
| 291,618 | 293,677 |
| 291,862 | 294,386 |
| średnia temperatura | średnia temperatura |
| 290,221 | 291,852 |
| różnica między średnią a temp. ot. | różnica między średnią a temp. ot. |
| 2,429 | 0,798 |
Przebieg ćwiczenia: „Pomiar temperatury z wykorzystaniem termoelementu odniesienia”
Na początku przygotowano termos odniesienia, w tym celu do termosu wrzucono koski lodu i zalano je wodą destylowaną, odczekano do ustabilizowania się temperatury mieszaniny. Następnie połączono termoelementy i milivoltomierz przewodami kompensacyjnymi. Jeden z nich umieszczono w termosie pomiarowym, a drugi w termosie odniesienia. Pomiarów dokonywano co kilka minut, podwyższając temperaturę o 5-100C poprzez dolewanie do termosu pomiarowego ciepłej wody. Wyniki przedstawiono w tabeli poniżej:
| nr. | Temperatura FT100 | Temperatura K | STE | Temperatura [°C] | α [mV/K] | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| termometr | czujnik | STE [mV] | ||||
| 1 | 19,1 | 16,4 | 16,8 | 0,232 | 16,976 | 0,696 |
| 2 | 29,5 | 28,4 | 28,4 | 0,385 | 28,171 | 1,155 |
| 3 | 40,8 | 39,9 | 40,2 | 0,545 | 39,878 | 1,635 |
| 4 | 52,4 | 51,3 | 51,6 | 0,702 | 51,366 | 2,106 |
| 5 | 56,4 | 55,3 | 54,5 | 0,747 | 54,659 | 2,241 |
Wnioski
Przy pomiarach termoelementami bez elementu odniesienia można zauważyć małą dokładność metody w zakresie mierzonych temperatur. Współczynniki Seebecka obliczone w wyniku pomiarów są różne od tablicowych o ok. 0,01 mv/K każdy. Otrzymano bowiem wyniki 0,0355 dla termoelementu K i 0,0455 dla elementu J prowadząc linie trędu na wykresie charakteryzującym siłę elektromotoryczną na zaciskach w zależności od różnicy temperatur. Współczynniki Seebecka liczone dla poszczególnych wskazań charakteryzowały się jeszcze większym rozrzutem (odchylenie standardowe będące tego samego rzędu co wielkość mierzona). Odejmując różnice temperatur obliczone dla zaobserwowanych STE i tablicowych współczynników Seebecka od wskazań mierników temperatury sprzęgniętych z termoelementami uzyskano wielkość bliską temperaturze otoczenia oraz porównywalną z nią. „Obliczona temperatura otoczenia” odbiegała od uprzednio zmierzonej o odpowiednio 2,42K i 0,79K dla termoelementów K i J. Pozwala to stwierdzić, że wielkości zmierzone nie odbiegają od rzeczywistych, szczególnie jeżeli wziąć pod uwagę możliwy błąd uprzedniego pomiaru temperatury otoczenia.
Wskazania sprzęgniętych z termoelementami mierników temperatury, miernika rezystancyjnego i termometru rtęciowego różniły się od siebie o niewielkie wartości, rzędu 1K co każe podejrzewać, że wszystkie metody cechują się podobną dokładnością.
Odchyłki przy pierwszej serii pomiarów można tłumaczyć zmianami w temperaturze otoczenia oraz niedokładnościami wynikającymi z rezystancji przewodów użytych w czasie pomiaru. Istniała też pewna niedokładność w pomiarze temperatury otoczenia; przyrząd do tego służący znajdował się na odległość kilku metrów od stanowiska badawczego.
Podczas pomiaru termoelementem K z termoelementem odniesienia odnotowano różnicę w pomiarach temperatór pomiędzy średnią z przyrządów rezystancyjnego i rtęciowego oraz samym termoelementem rzędu 0,1K. Pozwala to stwierdzić, że taki pomiar jest dokładniejszy od pomiaru bez elementu odniesienia, prawdopodobnie ze względu na niezależność od warunków otoczenia. Termoelement odniesienia znajdował się bowiem w zbiorniku gdzie utrzymywano stałą temperaturę (równowaga faz woda-lód).