Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В данной работе проводится градуировка медь-константановой термопары (константан - это сплав никеля и меди с добавкой марганца, отличающийся слабой зависимостью сопротивления от температуры). Термопара, проволоки которой изолированы в двухканальной фарфоровой трубке, прикреплена к дюралевой планке, в свою очередь укрепленной на штативе. Эдс термопары измеряется потенциометром (принцип работы потенциометра и его устройство изложены ниже).

В работе используются три реперные точки: 0°C, 100°C, 231,97°C. Реперная точка 0°C - это температура тающего льда (смеси льда с водой). Реперная точка 100°C - температура кипящей воды, точнее, паров над кипящей водой. Реперная точка 231,97°C - температура, при которой твердое олово плавится или жидкое олово отвердевает. Иначе, это температура олова, когда оно плавится, но еще не полностью расплавилось, или когда жидкое олово твердеет, но еще не полностью отвердело. Словом, температура плавления олова (как и всякого другого металла) - это температура, при которой олово находится, как говорят, в двухфазном состоянии - жидкое олово соседствует с твердым. Пока есть еще такое соседство, температура олова остается постоянной. Причина та же, из-за которой постоянна и равна 0°C температура тающего льда, когда лед тоже соседствует с жидкой водой - выделение теплоты при отвердевании и поглощении теплоты при плавлении кристалла.

Чтобы измерить термоэдс термопары именно при температуре плавления (отвердевания) олова, снимают кривую охлаждения или кривую нагревания. Это график зависимости термоэдс от времени при охлаждении жидкого или при нагревании твердого олова. Это, в то же время, и график зависимости температуры от времени. Для олова, как и для любого другого кристаллического вещества, график имеет вид, показанный на рис.3, где представлена кривая охлаждения. Участок 1 представляет собой монотонное понижение температуры жидкого олова. Начиная с момента времени, соответствующего точке a, температура перестает понижаться, несмотря на то, что отвод тепла продолжается. Это и означает, что начался процесс отвердевания, который продолжается до момента времени, соответствующего точке b. Температура, соответствующая этой второй ветви кривой, то есть ее горизонтальному участку, и есть температура отвердевания олова. После этого температура, теперь уже твердого олова, снова монотонно уменьшается (ветвь 3). В случае олова, температура, соответствующая горизонтальному участку, равна 231,97°C. Это одна из реперных точек МПТШ-68.

Эдс термопары измеряется потенциометром - прибором, который реализует компенсационный метод измерения эдс. Как известно, электродвижущая сила любого источника тока равна разности потенциалов на концах (полюсах) разомкнутого источника тока. Но можно измерить эдс и в том случае, когда источник включен в замкнутую цепь. При этом ток через источник должен быть равен нулю, что возможно лишь, если в электрическую цепь помимо источника, эдс которого должна быть измерена, включен другой, вспомогательный источник, и включен так, чтобы ток от него был направлен против тока от измеряемого источника эдс и компенсировал его. Именно таким, компенсационным методом, всегда и измеряют электродвижущую силу.

Компенсация токов осуществляется с помощью, так называемой, потенциометрической схемы. Она представляет собой сопротивление R (обычно большое), на которое замкнут источник тока Е (см. рис.4). (В простейшем варианте сопротивление R может быть просто длинной проволокой).

Если снабдить эту схему подвижным контактом, скользящим вдоль R, то между ним и одним из концов, например A, можно получить любую часть разности потенциалов на концах R. Поэтому описанное устройство называется также делителем напряжения: оно позволяет делить Е на части. Можно выделить и такую часть, чтобы ею скомпенсировать эдс измеряемого источника. Нужно только, чтобы эдс вспомогательного источника, включаемого в схему потенциометра, была больше измеряемой, т.к. для компенсации используется часть эдс вспомогательного источника.

На применении потенциометра основан компенсационный метод измерения эдс. Сущность метода поясняет рис.5. На этой схеме Е - вспомогательный источник, включаемый в цепь потенциометра, а Е_х - источник тока, эдс которого нужно измерить. В цепь этого источника включен гальванометр G, присоединяемый к потенциометру подвижным контактом a. Источник тока E_n - это источник тока с хорошо и точно известным значением эдс. Называется он нормальным элементом Вестона. Эдс его известна с точностью до 5-го знака после запятой и отличается большим постоянством. Это как бы эталон эдс. Значение эдс нормального элемента при 20°C лежит в пределах 1,01850 - 1,01870В. Последние два знака определяются по паспортным данным элемента с учетом температуры окружающей среды. Первые три знака гарантированы у каждого исправного элемента.

С помощью переключателя в цепь потенциометра может быть включен либо источник измеряемой эдс (Е_x), либо нормальный элемент (E_n). Оба эти источника включаются так, чтобы ток от них был направлен против тока от источника Е.

Измерение эдс источника Е_х проводится так: включается сначала измеряемая эдс, т.е. источник Е_х. Перемещая подвижный контакт вдоль сопротивления R, добиваются того, чтобы ток в гальванометре был равен нулю. Тогда для контура, включающего гальванометр и Е_х, можно написать:

E_x = IR_x ,(3)

где I - так называемый рабочий ток, т.е. ток, текущий по сопротивлению R, а R_x - та часть сопротивления R, которая оказалась включенной в цепь после компенсации эдс Е_х.

Затем включается нормальный элемент Е_n и, снова перемещая подвижный контакт, опять добиваются отсутствия тока в гальванометре, т.е. компенсации эдс нормального элемента, как прежде компенсировалась эдс исследуемого источника. Теперь для контура, включающего E_n и гальванометр, можно написать:

E_n = IR_n. (4)

Здесь I - тот же рабочий ток, поскольку R оставалось таким же, как и прежде, а R_n - та часть сопротивления R, которая включена в контур после компенсации нормального элемента. Разделив (3) на (4), получим:

. (5)

Итак, чтобы определить неизвестную эдс, необходимо знать соотношение сопротивлений R_x и R_n, т.к. эдс E_n хорошо известна. Таков принцип компенсационного метода измерений эдс. Он сводится к сравнению измеряемой эдс с известной эдс нормального элемента.

На практике используется несколько иная схема (рис.6). Она состоит из трех контуров. Верхний контур содержит вспомогательный стабилизированный источник питания Е, регулировочный реостат R_р, установочные резисторы с общим сопротивлением R_у и набор компенсирующих резисторов R (магазин сопротивлений). В этом контуре создается рабочий ток I_р, значение которого должно быть стабильным и поддерживаться с высокой точностью. Левый нижний контур, включающий в себя установочные резисторы R_у, нормальный элемент E_n и нуль-индикатор НИ (обычно гальванометр), служит для точной установки заданного значения рабочего тока. Правый нижний контур включает в себя некоторую часть компенсирующих резисторов R_к, нуль-индикатор и источник неизвестной эдс Е_х.

Рис.6. Рис.7.

Для правильной работы схемы необходимо строгое соблюдение полярности включения источников Е, Е_n и неизвестной эдс Е_х. Перед измерением производится установка рабочего тока I_р (в большинстве компенсаторов рабочий ток имеет значение I_р=10^-3-10^-4A). Зная I_р (из паспорта прибора), вычисляют значения сопротивления установочного резистора R_у=E_n/I_р и выставляют это значение на приборе. Очевидно, что при токе I_р=0,001A значение R_у=1018,65Ом. Поставив ключ П в положение 1, с помощью реостата R_р устанавливают нужное значение рабочего тока I_р, доводя показания нуль-индикатора до нуля. При этом I_р=E_n/R_у.

Измерения Е_х производится в положении 2 ключа П, для чего изменяя положение движка потенциометра R, снова добиваются компенсации. Тогда при нулевом показании НИ получается E_x=U_к=R_кI_р, где U_к - компенсирующее напряжение.

Очевидно, что процесс компенсации можно автоматизировать, используя вместо НИ усилитель У (рис.7) В положении 1 переключателя П на вход усилителя поступает сигнал рассогласования U=E_n- R_уI_р. С выхода усилителя сигнал подается на обмотку управления реверсивного двигателя РД. Такой двигатель может вращаться в разные стороны в зависимости от знака U. Двигатель РД изменяет положение движка реостата R_р до тех пор, пока значение U не станет равным нулю. При этом в цепи устанавливается рабочий ток I_р=E_n/R.

В положении 2 переключателя П автоматически компенсируется измеряемая эдс Е_х путем воздействия напряжения разбаланса U на реверсивный двигатель РД, который механически связан с движком потенциометра R, положение которого изменяет значение компенсирующего сопротивления R_к. В то же время РД перемещает указатель отсчетного устройства ОУ и перо, регистрирующее процесс на диаграммной ленте, равномерно перемещаемой двигателем ДВ лентопротяжного механизма.

Современные автоматические потенциометры для измерения температуры снабжаются стабилизированным источником питания, но не имеют нормального элемента и режима автоматической установки рабочего тока.

В данной работе используются автоматический потенциометр КСП-4 Класс точности прибора 0,5, причем за нормирующее значение принимается сумма абсолютных конечных значений диапазона измерения, так как нулевое значение находится внутри диапазона.

Включение прибора и лентопротяжного механизма производится переключателем, расположенным справа на лицевой панели. Термопара подключается к прибору через разъем, расположенный на задней стенке прибора.

Потенциометр КСП-4 может быть одно- и многоточечным, т.е. работать либо с одной термопарой (в этом случае для записи эдс используется простое перо), либо с несколькими термопарами. В последнем случае запись производится циклично отпечатываемыми цифрами, указывающими номер термопары. Следует отметить, что подобные автоматические потенциометры широко используются для регулирования температуры.