8

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Измерение температуры с помощью термопары

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

(МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА)

Челябинск 2012

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ С ПОМОЩЬЮ ТЕРМОПАРЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: научиться градуировать термопару и измерять с ее помощью температуру.

ОБОРУДОВАНИЕ: термопара, нагреватель, милливольтметр, сосуд Дьюара, тигель с оловом, термометры.

Краткая теория

Приборы, предназначаемые для измерения температуры, называются термометрами. Важными требованиями, предъявляемыми к термометру, являются его чувствительность, точность измерений и их воспроизводимость. Другим важнейшим свойством термометра является быстрота перехода его в состояние теплового равновесия с телом, температура которого измеряется.

Из применяемых в лабораториях термометров наибольшее значение имеют жидкостные (главным образом ртутные) термометры, термометры сопротивления и термопары.

1. Устройство жидкостных термометров общеизвестно, и нет необходимости подробно останавливаться на этом вопросе. Жидкостные термометры не отличаются большой точностью, По этой и ряду других причин они не всегда пригодны для физических исследований. Область их применения ограничена со стороны низких температур свойствами жидкостей, а со стороны высоких температур — свойствами стекла: при понижении температуры все жидкости замерзают, при высоких температурах стекло размягчается. Всё же жидкостные термометры могут применяться в довольно широкой области температур — примерно от

-200°С до +600°С.

Основной частью большинства термометров является термометрическое тело, приводимое в тепловой контакт с телом, температуру которого надо измерить. Физическая величина, служащая индикатором температуры, называется термометрической величиной. Так, например, в жидкостном термометре термометрическим телом является жидкость (спирт, ртуть и т.д.), а термометрической величиной является ее объем.

2. В термометрах сопротивления термометрическим телом является проволока, а термометрической величиной — ее сопротивление. Электрическое сопротивление металлов возрастает с повышением температуры. Отношение увеличения сопротивления при нагревании на один градус к сопротивлению при 0°С называется температурным коэффициентом сопротивления. Линейная зависимость сопротивления металлов от температуры соблюдается только приближённо. Отступления от неё особенно отчётливо проявляются при низких температурах. Поэтому термометры сопротивления имеют нелинейную шкалу и нуждаются в дополнительной градуировке.

3. В термопарных термометрах термометрическим телом является термопара, а термометрической величиной — термоЭ.Д.С. Термопарой называется замкнутая электрическая цепь, состоящая из двух проволок А и В, изготовленных из разнородных металлов и сваренных своими концами. Принципиальная схема термопары показана на рис. 1.

П ри соединении двух разнородных проводников электроны из-за теплового движения начинают диффундировать из одного проводника в другой. Так как соприкасающиеся проводники различны, то оба потока диффузии электронов неодинаковы, и один из проводников заряжается положительно, а другой — отрицательно. Таким образом, в пограничном слое между двумя проводниками возникает разность потенциалов, которая называется контактной разностью потенциалов. Если температуры спаев одинаковы, то возникающие в них контактные разности потенциалов равны по величине и противоположны по знаку. Поэтому в такой замкнутой цепи Э.Д.С. равна нулю.

Если спаи 1 и 2 имеют разную температуру, то в цепи термопары возникает Э.Д.С., равная разности контактной разности потенциалов спаев. Она называемая термоэлектродвижущей силой (термоЭ.Д.С.). Один из спаев, называемый спаем сравнения, поддерживается при постоянной температуре, например, погружается в тающий лед. Эта температура называется опорной температурой. Другой спай называется измерительным, и приводится в контакт с телом, температуру которого надо измерить. В цепь термопары включается милливольтметр (МВ) для измерения возникающей термоЭ.Д.С. По её величине и судят о температуре тела. При малой разности температур измеряемого тела и опорной температуры термоЭ.Д.С. пропорциональна этой разности

, (1)

где [В/К] — постоянная величина для данной термопары;

— температура измерительного спая;

— опорная температура (обычно температура тающего льда).

При соответствующем выборе металлов, термопары могут обеспечить измерение температуры в широком диапазоне (от до ) с высокой точностью (в некоторых случаях до  0,01°С). Следует отметить простоту изготовления термопары, малую теплоемкость и малое время установления температурного равновесия между измеряемыми телами и термопарой. Недостатком термопары является малая величина термоЭ.Д.С. при низких температурах и ее нелинейность.

Наиболее часто используются следующие термопары:

1 медь-константановая термопара (от -200°С до +350°С)

2 железо-константановая (от 0° до +750° С)

3 хромель-алюмелевая (от -200°С до +1100°С)

4 хромель-копелевая (от -20°C до +1000°С)

5 хромель-константановая (от 20°C до 1000°С)

УПРАЖНЕНИЕ 1

Прежде чем использовать термопару для измерения температуры, её необходимо проградуировать. Под градуировкой термопары понимается установление однозначной связи между величиной термоЭ.Д.С., измеряемой милливольтметром, и разностью температур спаев t и t₀. Результатом градуировки может быть либо график, по осям которого отложены температура и термоЭ.Д.С., либо аналитическая зависимость , либо таблица. Градуировка термопары может быть выполнена, например, с помощью жидкостного термометра.

ПРИМЕЧАНИЕ: Градуировать термопару следует по температурам плавления веществ, так как, если это делать по термометру, то в градуировку автоматически войдут систематические ошибки шкалы термометра. Однако в этом упражнении градуировка термопары для уменьшения объема работы производится с помощью термометра, а в следующем упражнении лишь одна точка проверяется по температуре плавления олова.

Один спай термопары, включенной по схеме рис. 1, поместите в сосуд Дьюара с тающим льдом при 0°С, а второй спай — в сосуд с водой, помещенный на электроплитку. Температура воды измеряется жидкостным термометром. Включите электроплитку и через каждые 10°С снимайте показания термометра и милливольтметра вплоть до кипения воды (около 100С). Полученные результаты представьте в виде таблицы и графика.

где — значение термоЭ.Д.С. в мВ,

— температура, измеренная термометром,

— температура холодного спая.

Если холодный спай находится в сосуде с тающим льдом, то , если в воздухе — то t₀ равно температуре воздуха в помещении.

В некоторых установках второй спай термопары помещают в печь вместе с термометром. В этом случае для калибровки термопары включите печь и через каждые (10-15)°С записывайте показания термометра и значения термоЭ.Д.С. Данные занесите в таблицу. Измерения проводите до температуры 250°С. Полученные результаты также представьте в виде таблицы и графика .