Градуировка термопары

Цель работы: ознакомиться с методом градуировки термопары.

Приборы и принадлежности: термопара, термометр, колба с водой, электроплитка, потенциометр (прибор для измерения ЭДС источника тока. Принцип действия и описание его даны в работе № 3) или гальванометр.

Сведения из теории

Термопара представляет собой два разнородных проводника (I и II), соединенные своими концами (рис. 4.1, а). Места соединений называют спаями (А и В). Если температуры спаев не одинаковы (например, Т_А>Т_В), то в цепи термопары потечет ток (термоток) - явление Зеебека.

Опыт показывает, что связанная с термотоком ЭДС  пропорциональна разности температур “горячего” (А) и “холодного” (В) спаев

 =  (Т_А - Т_В), (4.1)

где  - удельная термо-ЭДС, определяется свойствами металлов, из которых изготовлена термопара. Например, для пары железо - константан  = 5,3  10^-5 В/К.

Возникновение термотока при Т_А  Т_В связано с наличием разных по величине контактных разностей потенциалов (КРП) в спаях А и В. КРП в любом из спаев определяется выражением

, (4.2)

где А₁ и А₂ - работа выхода электрона соответственно из металлов I и II; е - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; n₁, n₂ - концентрации электронов в металлах I и II.

При одинаковых температурах спаев их КРП одинаковы, но про-тивоположны по направлению. ЭДС, равная алгебраической сумме скачков потенциалов в цепи, в этом случае нулевая, так как имеется два одинаковых источника тока, соединенных одинаковыми полюсами (рис. 4.1, б).

Если Т_А  Т_В, то

/_A/  /_B/,

 = _A - _B =

что совпадает с формулой (4.1), если

.

Используются термопары чаще всего для измерения высоких (или низких) температур. Для этого “горячий” спай помещают в среду, температуру Т которой хотят узнать (Т_А = Т), а “холодный” спай - в среду с известной температурой Т_В = Т_О (например, в тающий лед). Измерив термо-ЭДС (термоток) и зная , по формуле (4.1) легко вычислить Т. При измерениях удобно иметь предварительно проградуированную термопару. В этом случае нет необходимости в знании  . По измеренным ЭДС и Т непосредственно по графику  = f(Т = Т - Т_О) определяют Т, а значит, и Т. Задача данной лабораторной работы состоит в том, чтобы получить градуировочную кривую. Градуировку термопары производят по той же схеме (рис. 4.2), что и при измерениях температуры, с той лишь разницей, что “горячий” спай здесь помещают в среду, температуру которой можно изменить и измерить независимым от термопары способом (обычным термометром).

П р и м е ч а н и е. Очень часто ”холодный” спай оставляют при температуре окружающего воздуха (особенно при измерении температур в производственных условиях). В этом случае нет необходимости специально его создавать. Роль такого спая играет любой из контактов (В₁ или В₂) проводника термопары (рис. 4.3) с измерительным прибором.

Порядок выполнения работы

1. ”Горячий” спай термопары (он вместе с термометром помещен в пробирку с жидкостью) опустить в колбу с водой, установленную на электроплитке.

2. Концы термопары (здесь термопара такая, как на рис. 4.3) присоединить непосредственно к зажимам потенциометра (красный провод к “+”).

3. Измерить и записать температуру “холодного” спая - комнатную температуру. Эти и последующие измерения занести в табл. 4.1.

Таблица 4.1

№ п/п	То	Тi	i	Ti	Ti2	i Ti
1 2 ... 7
Сумма

4. Включить плитку в сеть и довести воду в колбе до кипения.

5. Измерить температуру “горячего” спая и с помощью потенцио-метра определить термо-ЭДС ().

6. Выключить плитку. Следя за температурой “горячего” спая, произвести 6 - 7 измерений ЭДС (п. 5) при других температурах - приблизительно через каждые 10^о.

П р и м е ч а н и е. Пока производятся измерения, температура воды, т.е. “горячего” спая, понизится. В таблицу следует записать температуру, соответствующую концу измерений.

7. По измеренным данным нанести точки на график  = f (Т), не проводя пока линии самого графика.

8. По формуле

,

которая следует из метода наименьших квадратов, вычислить коэффициент , совпадающий с тангенсом угла наклона прямой  = f(Т) к оси абсцисс.

9. По данным п. 8 построить график  = f(Т). Это и есть градуировочный график, которым можно воспользоваться при измерении температур данной термопарой.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Работа выхода электрона из металла.

2. Контактная разность потенциалов (КРП): а) сущность явления; б) законы Вольта; в) величина КРП;

3. Явление Зеебека: а) сущность явления; б) объяснение явления;

4. Термопара (устройство, градуировка, использование).

5. Сущность явления Пельтье.

6. Сущность явления Томсона.

7.Сущность метода наименьших квадратов для установления эмпирической зависимости между величинами.

8. Преимущества термопары по сравнению с термометрами.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5