Marlena Orlińska 05.11.09. r.
Wydział: IZ
Nr. albumu: 179110
Ćwiczenie nr 20
Skalowanie termopary.
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia było poznanie fizycznych podstaw zjawiska termoelektrycznego oraz
zapoznanie się z techniką pomiaru temperatury za pomocą termopary.
I. Wstęp teoretyczny:
Zjawisko termoelektryczne polega na powstaniu siły elektromotorycznej na spojeniu 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 oraz pomiar temperatury bardzo małych obiektów. Innymi zaletami termopar są: ich prosta konstrukcja, trwałość, bardzo duży zakres pomiarowy, dokładność i czułość pomiaru.
W obwodzie zamkniętym , składającym się z dwóch różnych metali, płynie prąd, jeżeli temperatury styków tych metali różnią się między sobą. W miejscu styku tych metali następuje dyfuzja elektronów z metalu o większej koncentracji elektronów swobodnych do metalu o mniejszej koncentracji. Wskutek dyfuzji jeden z metali naładuje się dodatnio, a drugi ujemnie. Ustala się więc różnica potencjałów, która odpowiada stanowi równowagi dynamicznej, zależnemu od rodzaju stykających się metali oraz od temperatury styku. Jeżeli wykonamy złącze z dwóch metali A i B, to powstanie kontaktowa różnica potencjałów.
gdzie:
e - ładunek elektronu,
EFA - energia Fermiego dla metalu A,
EFB - energia Fermiego dla metalu B.
II. Część doświadczalna:
Klasa miernika: Stoper(0,01 [s]), Termometr(0,1 [°C]), Woltomierz(±1% rdg + 2dgt).
Pomiarów dokonaliśmy gdy jedna termopara była umieszczona w termosie z wodą i lodem o temperaturze ok. 0°C, a druga termopara w naczyniu z podgrzewaną wodą od 24°C do 90°C.
|
T [°C] |
∆T [°C] |
∆T/T |
U [mV] |
∆U [mV] |
∆U/U |
α [mV/°C] |
∆α [mV/°C] |
∆α/α |
|
24,0 |
0,1 |
0,0042 |
1,335 |
0,015 |
0,0115 |
0,0552 |
0,0001 |
0,0023 |
|
26,0 |
|
0,0038 |
1,417 |
0,016 |
0,0114 |
|
|
|
|
28,0 |
|
0,0036 |
1,531 |
0,017 |
0,0113 |
|
|
|
|
30,0 |
|
0,0033 |
1,654 |
0,019 |
0,0112 |
|
|
|
|
32,0 |
|
0,0031 |
1,841 |
0,020 |
0,0111 |
|
|
|
|
34,0 |
|
0,0029 |
1,974 |
0,022 |
0,0110 |
|
|
|
|
36,0 |
|
0,0028 |
2,087 |
0,023 |
0,0110 |
|
|
|
|
38,0 |
|
0,0026 |
2,217 |
0,024 |
0,0109 |
|
|
|
|
40,0 |
|
0,0025 |
2,334 |
0,025 |
0,0109 |
|
|
|
|
42,0 |
|
0,0024 |
2,453 |
0,027 |
0,0108 |
|
|
|
|
44,0 |
|
0,0023 |
2,513 |
0,027 |
0,0108 |
|
|
|
|
46,0 |
|
0,0022 |
2,614 |
0,028 |
0,0108 |
|
|
|
|
48,0 |
|
0,0021 |
2,784 |
0,030 |
0,0107 |
|
|
|
|
50,0 |
|
0,0020 |
2,915 |
0,031 |
0,0107 |
|
|
|
|
52,0 |
|
0,0019 |
3,043 |
0,032 |
0,0107 |
|
|
|
|
54,0 |
|
0,0019 |
3,152 |
0,034 |
0,0106 |
|
|
|
|
56,0 |
|
0,0018 |
3,207 |
0,034 |
0,0106 |
|
|
|
|
58,0 |
|
0,0017 |
3,313 |
0,035 |
0,0106 |
|
|
|
|
60,0 |
|
0,0017 |
3,403 |
0,036 |
0,0106 |
|
|
|
|
62,0 |
|
0,0016 |
3,538 |
0,037 |
0,0106 |
|
|
|
|
64,0 |
|
0,0016 |
3,587 |
0,038 |
0,0106 |
|
|
|
|
66,0 |
|
0,0015 |
3,730 |
0,039 |
0,0105 |
|
|
|
|
68,0 |
|
0,0015 |
3,786 |
0,040 |
0,0105 |
|
|
|
|
70,0 |
|
0,0014 |
3,921 |
0,041 |
0,0105 |
|
|
|
|
72,0 |
|
0,0014 |
4,041 |
0,042 |
0,0105 |
|
|
|
|
74,0 |
|
0,0014 |
4,146 |
0,043 |
0,0105 |
|
|
|
|
76,0 |
|
0,0013 |
4,300 |
0,045 |
0,0105 |
|
|
|
|
78,0 |
|
0,0013 |
4,371 |
0,046 |
0,0105 |
|
|
|
|
80,0 |
|
0,0013 |
4,514 |
0,047 |
0,0104 |
|
|
|
|
82,0 |
|
0,0012 |
4,616 |
0,048 |
0,0104 |
|
|
|
|
84,0 |
|
0,0012 |
4,698 |
0,049 |
0,0104 |
|
|
|
|
86,0 |
|
0,0012 |
4,799 |
0,050 |
0,0104 |
|
|
|
|
88,0 |
|
0,0011 |
4,899 |
0,051 |
0,0104 |
|
|
|
|
90,0 |
|
0,0011 |
4,958 |
0,052 |
0,0104 |
|
|
|
Średnia = |
57,00 |
|
0,00202 |
3,2262 |
0,0343 |
0,01071 |
|
|
|
Następnie sporządziłam wykres zależności napięcia od temperatury U=f(T):
Aby wyznaczyć współczynnik termoelektryczny α termopary oraz jego niepewność musiałam narysować wykres regresji liniowej z zależności 
:
Otrzymałam następujące wartości:
α |
∆α |
b |
∆ b |
R |
0,0552 |
0,0001 |
0,0815 |
0,0077 |
0,9990 |
Równanie regresji liniowej: 
Wyznaczanie temperatury krzepnięcia metalu:
|
t [s] |
∆t [s] |
∆t/t |
U [mV] |
∆U [mV] |
∆U/U |
|
0 |
0,01 |
- |
4,080 |
0,043 |
0,010 |
|
20 |
|
0,0005 |
3,869 |
0,041 |
0,011 |
|
40 |
|
0,0003 |
3,754 |
0,040 |
0,011 |
|
60 |
|
0,0002 |
3,684 |
0,039 |
0,011 |
|
80 |
|
0,0001 |
3,642 |
0,038 |
0,011 |
|
100 |
|
0,0001 |
3,610 |
0,038 |
0,011 |
|
120 |
|
0,0001 |
3,578 |
0,038 |
0,011 |
|
140 |
|
0,0001 |
3,543 |
0,037 |
0,011 |
|
160 |
|
0,0001 |
3,506 |
0,037 |
0,011 |
|
180 |
|
0,0001 |
3,457 |
0,037 |
0,011 |
|
200 |
|
0,0001 |
3,388 |
0,036 |
0,011 |
|
220 |
|
0,0000 |
3,255 |
0,035 |
0,011 |
|
240 |
|
0,0000 |
3,108 |
0,033 |
0,011 |
|
260 |
|
0,0000 |
2,967 |
0,032 |
0,011 |
|
280 |
|
0,0000 |
2,847 |
0,030 |
0,011 |
|
300 |
|
0,0000 |
2,744 |
0,029 |
0,011 |
|
320 |
|
0,0000 |
2,659 |
0,029 |
0,011 |
|
340 |
|
0,0000 |
2,579 |
0,028 |
0,011 |
|
360 |
|
0,0000 |
2,515 |
0,027 |
0,011 |
|
380 |
|
0,0000 |
2,457 |
0,027 |
0,011 |
|
400 |
|
0,0000 |
2,411 |
0,026 |
0,011 |
|
420 |
|
0,0000 |
2,371 |
0,026 |
0,011 |
|
440 |
|
0,0000 |
2,333 |
0,025 |
0,011 |
|
460 |
|
0,0000 |
2,301 |
0,025 |
0,011 |
|
480 |
|
0,0000 |
2,271 |
0,025 |
0,011 |
|
500 |
|
0,0000 |
2,244 |
0,024 |
0,011 |
|
520 |
|
0,0000 |
2,222 |
0,024 |
0,011 |
|
540 |
|
0,0000 |
2,201 |
0,024 |
0,011 |
|
560 |
|
0,0000 |
2,183 |
0,024 |
0,011 |
|
580 |
|
0,0000 |
2,166 |
0,024 |
0,011 |
|
600 |
|
0,0000 |
2,152 |
0,024 |
0,011 |
|
620 |
|
0,0000 |
2,138 |
0,023 |
0,011 |
|
640 |
|
0,0000 |
2,127 |
0,023 |
0,011 |
|
660 |
|
0,0000 |
2,116 |
0,023 |
0,011 |
|
680 |
|
0,0000 |
2,107 |
0,023 |
0,011 |
|
700 |
|
0,0000 |
2,097 |
0,023 |
0,011 |
|
720 |
|
0,0000 |
2,086 |
0,023 |
0,011 |
|
740 |
|
0,0000 |
2,079 |
0,023 |
0,011 |
|
760 |
|
0,0000 |
2,071 |
0,023 |
0,011 |
|
780 |
|
0,0000 |
2,065 |
0,023 |
0,011 |
|
800 |
|
0,0000 |
2,057 |
0,023 |
0,011 |
Średnia = |
400,00 |
|
0,00005 |
2,7083 |
0,0291 |
0,0108 |
Aby obliczyć temperaturę krzepnięcia musiałam narysować wykres siły termoelektrycznej od czasu schładzania badanego stopu:
Po aproksymacji wykresu U = f(t), odczytana przeze mnie wartość napięcia wynosi około 3,540 [mV], co oznacza, że wartość temperatury to:
[°C]
∆Tk = 3,1 [°C]
III. Wyniki i ich niepewności:
Otrzymałam następujące wyniki:
Uk [mV] |
∆Uk [mV] |
∆Uk/Uk |
Tk [°C] |
∆Tk [°C] |
∆Tk/Tk |
3,540 |
0,160 |
0,045 |
64,2 |
3,1 |
0,0475 |
IV. Wnioski:
Podczas naszego ćwiczenia można było zauważyć, że termopary można wykorzystywać do pomiarów temperatury o bardzo dużej dokładności. Ponieważ wartość błędu wprowadzanego poprzez termoparę jest rzędu 4,75%, a przy użyciu zwykłych termometrów gdzie dokładność pomiaru wynosi 0,1 [°C] dla tego samego zakresu, wartość błędu może wynieść niekiedy dużo więcej.
Innym wnioskiem jest fakt, że wartość napięcia odczytanego z termopar szybciej się zmienia niż na zwykłym termometrze, więc termopary posiadają większą czułość podczas pomiaru. Zapewne niepodważalną zaletą stosowania termopar jest to, że można nimi mierzyć temperatury dużych wartości, a także zakres pomiarowy jaki posiadają termopary jest dużo szerszy od zakresu pomiarowego chociażby zwykłych termometrów.
Podczas skalowania termopary na wartość błędu współczynnika termopary wpłyną przede wszystkim błąd z jakim pokazywał woltomierz napięcie.
Dysponując wykresami zależności napięcia termoelektrycznego od czasu zauważyłam charakter zjawiska krzepnięcia dla badanego metalu. Krzywa zależności U = f(t) po procesie krzepnięcia zmalała do temperatury pokojowej. Uzyskany poziom temperatury (64 C) wskazuje, że mieliśmy do czynienia z metalem łatwo topliwym.
Wyszukiwarka