POLITECHNIKA WROCŁAWSKA		Spraw. wyk.: Łukasz Surowiec	Wydział Informatyki i Zarządzania
LABORATORIUM Z FIZYKI Rok:2 Semestr:3
Data 1997.10.08	Temat: Skalowanie termopary i wyznaczanie temperatury krzepnięcia stopu			Ocena:
Nr lab. :2 Nr ćw. : 20

1. Cel ćwiczenia

- poznanie zjawisk termoelektrycznych, przykładów ich zastosowań

- zapoznanie się z budową, zasadą działania i pomiarem temperatury za pomocą termopary

- wyznaczenie temperatury krzepnięcia stopu

Zjawisko termoelektryczne polega na powstawaniu siły elektromotorycznej między spojeniami dwóch różnych metali, jeżeli między tymi spojeniami występuje różnica temperatur. Zjawisko to wykorzystuje się w przyrządach służących do pomiaru temperatur (zwykle do 2000K) oraz do przetwarzania ciepła na energię elektryczną.

Metal jest zbudowany z jonów dodatnich tworzących sieć krystaliczną oraz elektronów swobodnych poruszających się między tymi jonami. Koncentracja swobodnych elektronów 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. Wskutek dyfuzji elektronów jeden z metali jeden naładuje się dodatnio a drugi ujemnie. Między metalami powstanie kontaktowa różnica potencjałów, która utrudnia dalszą dyfuzję elektronów. Ustala się więc stan równowagi dynamicznej, zależny od rodzaju stykających się metali oraz od temperatury styku.

Jeżeli temperatury styków będą się różnić między sobą, to napięcie kontaktowe także będą różne i w obwodzie popłynie prąd termoelektryczny.

Jeżeli w obwód termopary włączymy inne przewodniki, tak aby dodatkowe spojenia miały tę samą temperaturę, to siła termoelektryczna nie ulegnie zmianie. Siła termoelektryczna zależy od ilości i rodzaju domieszek oraz od obróbki mechanicznej metalu.

Przed przystąpieniem do pomiaru temperatury należy przeprowadzić skalowanie termopary polegające na doświadczalnym wyznaczeniu zależności siły termoelektrycznej od temperatury, co będzie celem naszego ćwiczenia.

2. Przydatne wzory:

gdzie: współczynnik termoelektryczny

napięcie kontaktowe

temperatury poszczególnych styków

3. Układ pomiarowy:

Układ do skalowania termopary składa się z dwóch naczyń, termopary, grzejnika, woltomierza i termometru. Jedno ze spojeń termopary umieszczone jest w mieszaninie wody z lodem, drugie zaś w pojemniku, którego temperaturę można zmieniać w kontrolowany sposób, a jej wartość wyznacza się za pomocą termometru wzorcowego. Napięcie wyznaczone przez woltomierz uznajemy za siłę termoelektryczną.

4. Tabele pomiarowe:

1. skalowanie termopary:

ΔT [°C]	U [mV]	ΔU [mV]	δU	δT
24	1.003	0.002	0.15	4.167
26	1.045	0.002	0.146	3.846
28	1.1	0.002	0.141	3.571
30	1.167	0.002	0.136	3.333
32	1.207	0.002	0.133	3.125
34	1.255	0.002	0.13	2.941
36	1.3	0.002	0.127	2.778
38	1.341	0.002	0.125	2.632
40	1.404	0.002	0.121	2.5
42	1.477	0.002	0.118	2.381
44	1.578	0.002	0.113	2.273
46	1.658	0.002	0.11	2.174
48	1.684	0.002	0.109	2.083
50	1.793	0.002	0.106	2
52	1.849	0.002	0.104	1.923
54	1.954	0.002	0.101	1.852
56	2.054	0.002	0.099	1.786
58	2.154	0.002	0.096	1.724
60	2.247	0.002	0.095	1.667
62	2.34	0.002	0.093	1.613
64	2.435	0.002	0.091	1.563
66	2.525	0.002	0.09	1.515
68	2.634	0.002	0.088	1.471
70	2.722	0.002	0.087	1.429
72	2.283	0.002	0.085	1.389
74	2.922	0.002	0.084	1.351
76	3.022	0.003	0.083	1.316
78	3.119	0.003	0.082	1.282
80	3.229	0.003	0.081	1.25
82	3.328	0.003	0.08	1.22
84	3.413	0.003	0.079	1.19
86	3.524	0.003	0.078	1.163
88	3.628	0.003	0.078	1.136
90	3.724	0.003	0.077	1.111
92	3.834	0.003	0.076	1.087
94	3.938	0.003	0.075	1.064

Wartość średnia współczynnika termoelektrycznego
mV/°C
0,042

b) wyznaczanie temperatury krzepnięcia stopu

t [s]	U [mV]	t [s]	U [mV]
0	4	460	2.756
20	3.843	480	2.754
40	3.7	500	2.748
60	3.57	520	2.739
80	3.449	540	2.725
100	3.336	560	2.706
120	3.23	580	2.68
140	3.133	600	2.643
160	3.044	620	2.589
180	2.962	640	2.522
200	2.892	660	2.463
220	2.835	680	2.405
240	2.799	700	2.357
260	2.779	720	2.308
280	2.769	740	2.261
300	2.764	760	2.22
320	2.757	780	2.178
340	2.752	800	2.141
360	2.749	820	2.105
380	2.752	840	2.068
400	2.756	860	2.041
420	2.756	880	2.012
440	2.758	900	1.98

6. Rachunek błędów

ΔU- błąd bezwzględny pomiaru napięcia U

δU- błąd względny pomiaru napięcia U

δT- błąd względny pomiaru temperatury

Δk- błąd dyskretyzacji=0,001 mV

δP- błąd podstawowy miernika 0,05%

14. ilość pomiarów

ΔU=δP * U + Δk

δU=ΔU/U * 100%

δT=ΔT/T * 100%

N=36

Średni błąd kwadratowy wynosi:

S_x=0,153 mV

7. Uwagi i wnioski :

Celem naszego ćwiczenia było wyznaczenie współczynnika termoelektrycznego badanej termopary i na podstawie wykreślonej charakterystyki określenie temperatury krzepnięcia stopu.. Na charakterystyce U=*(t) początkowy duży narost wartości napięcia termoelektrycznego spowodowany jest procesem osiągania przez termoparę temperatury metalu. Dalej następuje spadek wartości napięcia wywołany ochładzaniem się metalu. Wykres U=f(t) jest w przybliżeniu linią prostą, jednak widoczne są pewne odstępstwa, spowodowane niedokładnością pomiarów. Powyższe błędy można zredukować poprzez stosowanie precyzyjniejszych przyrządów pomiarowych. Przy wartości 70-71 °C , co odpowiada napięciu 2.779 mV - 2.725 mV wykres przebiega prawie poziomo, to znaczy, że rozpoczął się proces krzepnięcia stopu. Średnie napięcie na tym odcinku wynosi 2,752 mV. Błąd dla tego napięcia podczas skalowania termopary wynosi ΔU=0.002 mV. Dalsza część wykresu przedstawia ochładzanie się metalu do temperatury otoczenia.

Podczas skalowania termopary temperaturą odniesienia było 0 °C , którą uzyskaliśmy przez zmieszanie lodu z wodą.

1

---