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

Короткі теоретичні відомості

Вимірювання температури за допомогою термопари та терморезистора

Ужгород-2006

Лабораторна робота №7

Вимірювання температури за допомогою термопари та терморезистора

Мета роботи: ознайомлення з принципом роботи, градуюванням і використанням термопари та терморезистора.

Прилади і матеріли: термометр, мідь - константанова термопара, терморезистор, мілівольтметр, міліамперметр.

Короткі теоретичні відомості

Для коректного розгляду питання способів та пристроїв вимірювання температури дамо її точне фізичне визначення: температура — фізична величина, що кількісно характеризує міру середньої кінетичної енергії теплового руху молекул якого-небудь тіла або речовини. З цього визначення температури слідує, що вона не може бути виміряна безпосередньо і судити про неї можна тільки по зміні інших фізичних властивостей тіл (об'єму, тиску, електричного опору, термоелектрорушійної сили, інтенсивності випромінювання і т.д.). Але до цих фізичних властивостей пред’являються ряд суттєвих вимог, а саме - вибрана фізична величина:

- повинна змінюватися з температурою неперервно;

- не мати однакових значень при різних температурах;

- не повинна залежати від інших факторів;

- вимірюватися простим способом;

- її залежність від температури повинна бути лінійною.

Ні одна фізична величина цим вимогам повністю не відповідає. На практиці використовуються величини які відповідають цим вимогам в більшій або меншій ступені.

Залежно від діапазону вимірюваних температур розрізняють дві основні групи методів вимірювання: контактні (термометрія) і безконтактні (пірометрія або термометрія випромінювання), що використовуються в основному для вимірювання дуже високих температур. До першої, ширшої групи входять рідинні, манометричні, термоелектричні термометри, термометри опору і ін. Для вимірювання кріогенних температур використовуються також газові, акустичні і магнітні термометри. Крім того, в системах, що не вимагають високої точності вимірювань, в певному діапазоні температур широко використовуються напівпровідникові датчики температури на діодах, транзисторах і спеціальних інтегральних мікросхемах.

У табл. 1 приведені найпоширеніші пристрої для вимірювання температури і практичні температурні межі їх застосування.

Табл.1 Практичні межі застосування найпоширеніших пристроїв для вимірювань температур.

У техніці температура вимірюється за Міжнародною стоградусною шкалою (шкала Цельсія) і позначається через t. У цій шкалі при нормальному тиску (р =760 мм рт. ст.) стану льоду, що плавиться відповідає температура 0 С, а точці кипіння води – 100 С. Для вимірювання температури використовується також термодинамічна шкала температур (шкала абсолютних температур, або шкала Кельвіна). Нуль абсолютної шкали температур відповідає значенню t=-273,15 С. Зв’язок між цими двома шкалами температур задається співвідношенням:

Т,К=t, С +273,15.

Інколи для вимірювання температури застосовують шкалу Фаренгейта (в основному в США і Англії). На цій шкалі (t,F ) температурі танення льоду і температурі кипіння води відповідають температури 32 і 212 С відповідно. Для переводу значень цієї шкали в С і назад служать співвідношення:

t С= (t ,F-32); t F= (t С+32)

Фізичний принцип роботи термопари

Термоелектричний метод вимірювання температури заснований на використанні залежності термоелектрорушійної сили (термоЕРС) від температури.

Явище термоелектрики було відкрито німецьким фізиком Т. Зеєбеком (T. Seebeck) в 1821 р. і полягає в наступному: якщо з'єднати два провідники (термоелектроди) з різнорідних металів або сплавів так, щоб вони утворили замкнутий електричний ланцюг (рис. 1), і потім підтримувати місця контактів (спаї) при різній температурі, то в ланцюзі протікатиме постійний струм.

Рис.1 Ефект Зеебека

Електрорушійна сила, що викликає цей струм, називається термоЕРС Зеєбека і залежить тільки від матеріалу термоелектродів і різниці температур спаїв. Величина термоЕРС тим більш чим більша різниця температур.

Розглянемо причину цього явища (див.рис.2). Густина вільних електронів і сили взаємодії електронів з криcталевою граткою, різні для різних металів. При контакті двох різних провідників почнеться дифузія електронів з одного металу в іншій. Оскільки концентрація електронів в цих провідниках неоднакова (п₂>n₁), то дифундуючі потоки будуть різними. Це приведе до того, що один провідник заряджатиметься позитивно, а іншій негативно, тобто виникне різниця потенціалу на межі провідників. При дії цієї різниці потенціалів дифузія електронів припиниться, встановиться деяка рухома рівновага між числом електронів, що переходять з одного провідника в іншій і назад, а між провідниками з'явиться контактна різниця потенціалів . Якщо з двох таких провідників скласти замкнутий ланцюг і підтримувати точки контактів при однаковій температурі, то струму в ланцюзі не буде, оскільки стрибки потенціалів на обох контактах однакові і направлені назустріч один одному. Результуюча електрорушійна сила у ланцюзі рівна нулю. Якщо температури t_о і t₁ контактіврізні, причому t_о > t_1, то в гарячому спаї різниця потенціалів буде більша, ніж в холодному. У ланцюзі виникає термоелектрорушійна сила, рівна різниці контактних різниць потенціалів гарячого і холодного спаю, тобто вимірювана електрорушійна сила .

При невеликій різниці температур можна вважати, що

,

де — коефіцієнт Зеєбека, (чутливість термоелектричного датчика), що показує, на скільки міняється термоЕРС при зміні різниці температур на один градус. Ця величина сильно розрізняється для різних пар провідників і складає декілька мікровольт на градус.

Як матеріали для термопар використовується провідники діаметром від 0,1 до 0,2 мм. Найбільш поширені наступні пари металевих провідників:

1. Платина и платинородій (90% Pt и 10% Pr). Ця термопара вважається еталонним приладом. На кожні 100⁰ С термоЕРС цієї термопари складає біля 5 мВ.

2. Хромель (90% Ni и 10% Cr) і алюмель (95% Ni і 5% Al). На кожні 100⁰ С термоЕРС цієї термопари складає біля 4 мВ.

3. Хромель і копель (56% Cr и 44% Ni). На кожні 100 С термоЕРС цієї термопари приходиться біля 7 мВ.

4. Мідь і константан (60% Cu и 40% Ni). На кожні 100 С термоЕРС цієї термопари приходиться біля 4 мВ.

Перевагами термопари є:

- простота виготовлення;

- відтворюваність;

- мала теплоємність і тому мала інерційність;

- зручність вимірювання різниці температур;

- нульова розсіювана потужність;

- простота реєструючої апаратури – не потрібне джерело живлення;

- малий вихідний опір

Незручностями є:

- необхідність термостатуювання опорного спаю;

- часто недостатня чутливість , особливо у області низьких температур.

При високих температурах залежність термоЕРС термопари e від температури T близька до лінійної, відповідно чутливість слабо залежить від температури. При низьких температурах чутливість більшості термопар (за винятком спеціальних низькотемпературних) падає при наближенні до абсолютного нуля температури. Наприклад у мідь–константанової термопари при кімнатній температурі чутливість порядка 40 мкВ/К, а при температурі рідкого азоту (Т=77К) чутливість вже 10 мкВ/К.

Існують різні схеми включення термопар. Найпростіша схема (рис.3): термопара підключається безпосередньо до клем вимірювального пристрою або через подовжувальні провідники, як правило мідні. Для більш точних вимірювань використовується диференціальна термопара (рис.3). Різнорідні провідники термопари А і В позначені жирною і подвійною лініями, мідні дроти, що йдуть до міллівольтметру, – тонкими лініями. Зліва на рис.3– проста схема без термостатування опорного спаю. Покази міллівольтметра в цьому випадку залежать не тільки від температури вимірювального спаю T₁, але і від температури T₂ в точках приєднання міллівольтметра. Справа (рис.3)– варіант диференціальної схеми з термостатуванням лише одного опорного спаю. При використанні цієї схеми необхідно, щоб обидва місця з'єднання термопарних провідників з вольтметром знаходилися б при однаковій, хоч і довільній температурі. Таку схему зручно застосовувати для термомопар, у яких один з електродів в парі з міддю дає невелику термоЕРС (наприклад в термопарі мідь – константан), причому саме цей електрод, що має малу термоЕРС в парі з міддю, слід з’єднати з мідними дротами, що йдуть до міллівольтметра.

Чутливість вимірювання температури термопарою можна збільшити в бажане число раз, з'єднавши послідовно декілька термопар – зібравши їх в батарею (так званий термостовпчик). Корисний сигнал при цьому збільшується пропорційно числу термопар в батареї (див.рис.4).