Słapiński Mariusz Białystok 03.18.1999

Elektronika i Telekomunikacja

Grupa C5

Ćwiczenie E-7

Cechowanie termopary i wyznaczanie współczynnika czułości termopary

Przyrządy:

Termopara żelazo-konstantan, galwanometr, naczynia na lód i wodę, źródło ciepła, termometr, dodatkowy rezystor.

Wprowadzenie:

Ogniwo termoelektryczne stanowią dwa odcinki drutu sporządzone z różnych metali, spojone końcami. W przypadku wywołania różnicy temperatur między spojeniami w obwodzie płynie prąd. Siła elektromotoryczna, która ten prąd wywołuje nosi nazwę siły termoelektrycznej. Powstawanie siły termoelektrycznej tłumaczy teoria elektronowa metali. Zakłada ona, że w metalach pewna liczba elektronów jest niezwiązana z atomami, tworząc tzw. gaz elektronowy. Liczba swobodnych elektronów w jednostce objętości czyli ich koncentracja jest różna dla różnych metali. Jeśli więc zetkniemy dwa metale o różnej koncentracji swobodnych elektronów, nastąpi przechodzenie elektronów z jednego metalu do drugiego, tak długo aż w warstwach najbliższych zetknięcia, koncentracja ich się nie wyrówna Metal zawierający więcej elektronów traci je na korzyść uboższego i dzięki temu w miejscu zetknięcia wytwarza się skok potencjału hamujący dalszy przepływ elektronów. Gdy obydwa spojenia mają tę samą temperaturę, skoki potencjałów na obydwu spojeniach są takie same tylko skierowane w przeciwne strony. Z chwilą gdy ogrzejemy jedno ze spojeń energia kinetyczna elektronów wrasta i więcej ich przechodzi do metalu uboższego w elektrony. Napięcie na ogrzewanym spojeniu staje się wyższe niż na spojeniu zimnym i zaczyna płynąć prąd.

Na termoelementy mogą być stosowane praktycznie wszystkie metale, ale w praktyce wykorzystuje się grupę metali dobranych parami tak aby otrzymać możliwie duże napięcia i powtarzalną charakterystykę termometryczną . Do częściej stosowanych termoelementów można zaliczyć:

• platynarod - platyna

• niklochrom - nikiel

• żelazo - konstantan

• miedź - konstantan

Poprawny pomiar wymaga utrzymywania wolnych końców w stałej temperaturze odniesienia, najlepiej w 0˚C. W celu oddalenia wolnych końców od miejsca pomiaru temperatury stosuje się przewody kompensacyjne.

Przewody kompensacyjne do termoelementów powinny być wykonane z tego samego materiału co termoelement, z którym mają być połączone lub z materiałów zastępczych. Charakterystyki termometryczne przewodów kompensacyjnych muszą być jednak zgodne z charakterystykami odpowiednich termoelementów.

Dokładniejsze pomiary temperatury wymagają eliminowania zmian temperatury wolnych końców. Jedną z podstawowych metod jest termostatyzacja. Wymaga ona stosowania termoelementu o dwóch spoinach: spoinie pomiarowej i spoinie odniesienia.

Wielkość siły termoelektrycznej powstającej w obwodzie termopary zależy od różnicy temperatur obu spojeń. Dla niektórych metali zależność ma w przybliżeniu charakter liniowy i może być zapisana jako:

(1)

gdzie: t₀ - temperatura jednego spojenia

t₁ - temperatura drugiego spojenia

α - współczynnik charakterystyczny dla każdej pary materiałów określający czułość termopary (wartość α określa jaka siła termoelektryczna powstaje w obwodzie przy różnicy temperatur między spojeniami wynoszącej 1˚

Jak wiadomo SEM występującą w obwodzie można zapisać jako:

(2)

gdzie I- natężenie płynącego prądu

R₀ - rezystancja całkowita obwodu (rezystancja termopary, galwanometru i przewodów łączących)

Widać, że jeśli rezystancję R₀ przyjmiemy za wielkość stałą to natężenie płynącego prądu I jest proporcjonalne do siły termoelektrycznej i tym samym do różnicy temperatur między spojeniami.

Jeśli do obwodu dołączymy dodatkowy rezystor R₁ to natężenie prądu zmieni się do wartości I_1. Można zapisać wówczas:

(3)

Z równań (2) i (3) mamy:

(4)

Porównując równania (4) i (1) można obliczyć współczynnik termopary:

(5)

Wykonanie ćwiczenia:

• Cechowanie termopary:

• jedno spojenie termopary umieścić w naczyniu z wodą, drugie w naczyniu z lodem

• do naczynia z wodą włożyć termometr

• stopniowo podgrzewać wodę i co 10˚ notować wskazania galwanometru

Numer Pomiaru	Temperatura spojenia ogrzewanego t1[˚C]		Temperatura spojenia chłodzonego t0[˚C]	t=t1-t0 [˚C]	Natężenie [µA]	Zakres [µA]
1	20	Ogrzewanie wody	0	20	8,55	10
2	30						30	10,8
3	40						40	20,5	30
4	50						50	24,0
5	60						60	27,0
6	70						70	30,5	100
7	80						80	41,0
8	90						90	46,0
9	99				99		46,5
10	90	Stygnięcie wody			90		41,5
11	80						80	37,0
12	70						70	27,5	30
13	60						60	25,0
14	50						50	22,0
15	40						40	19,5
16	30						30	16,75

• na podstawie danych z tabeli I sporządzić wykres zależności prądu w obwodzie termopary od różnicy temperatur spojeń.

• Wyznaczanie współczynnika określającego czułość termopary:

• analogicznie jak w punkcie poprzednim umieścić jedno spojenie termopary w naczyniu z lodem, drugie - w naczyniu z wodą ; wodę doprowadzić do wrzenia i odczytać wskazania galwanometru dla t₀-t₁=100˚C, zanotować natężenie prądu I.

• Do obwodu termopary włączyć dodatkowy rezystor R₁ i odczytać wskazywane przez galwanometr natężenie prądu I₁

• Na podstawie zależności (5) obliczyć wartość współczynnika.

Obliczanie współczynnika określającego czułość termopary:

Pomiar	Wskazania mikroamperomierza [µA]	Zakres [µA]
Bez rezystora R1	46,5	100
Z rezystorem R1=300Ω	10,3	10

UWAGA! Celem uzyskania dokładniejszych wyników, należy cechowanie termopary przeprowadzić raz dla temperatur rosnących (ogrzewanie wody), a następnie dla temperatur malejących (ostyganie wody).

Dyskusja błędów:

1. Błędy oszacować graficznie

2. Błąd wyznaczenia wielkości  obliczyć metodą różniczki zupełnej uwzględniając błędy popełniane podczas pomiaru natężeń prądu i temperatury

UWAGA! Po zakończeniu pomiarów końcówki termopary należy wyjąć z wody.

Dyskusja błędów:

Obliczenia błędów dla poszczególnych zakresów mikroamperomierza:

Wzór podstawowy:

• zakres 10 µA
  

• zakres 30 µA
  

- zakres 100 µA

Obliczenia błędu wyznaczenia współczynnika określającego czułość termopary:

natężenie prądu I dokonywane było na zakresie 100 µA stąd ΔI=1,5 µA

natężenie prądu I₁ dokonywane było na zakresie 10 µA stąd ΔI=0,15 µA

Ostatecznie błąd bezwzględny ma wartość:

Ostatecznie błąd względny ma wartość:

G

Grzejnik

Naczynie z wodą

Termometr

Naczynie z lodem

---