Градуировка термоэлемента в качестве термометра и определение его термо-эдс

Градуировка термопары в качестве термометра».

 

Цель работы: Изучить термоэлектрические явления, и их использование в датчиках температуры. Изучение электрических датчиков температуры применение в медицине и технике

 

Вопросы теории:

Общие характеристики датчиков температуры. Зависимость сопротивления металлов и полупроводников от температуры. Контактная разность потенциалов. Градуировка термопары, термистора и проволочного терморезистора (Самостоятельная подготовка)

Содержание занятия:

1. Выполнить работу по указаниям в руководстве к данной работе.

2. Оформить отчет.

3. Защитить работу с оценкой.

4. Решить задачи.

 

Задачи

1. Между плоскими электродами площадью S = 100 см² каждый, находится
V = 300 см³ водорода. Концентрация ионов в газе n = 5 · 10⁷ см^–3 . Какое напряжение нужно приложить к электродам, чтобы получить ток силой I = 1 мкА? Подвижность ионов: b ₊ = 5,4 см²/(В · с).

2. Термопара из Рb – Ag создает термоэлектродвижущую силу 3 мкВ при разности температур спаев в 1 К. Можно ли такой термопарой уверенно установить повышение температуры тела человека от 36,5 до 37,0 ⁰ С, если потенциометр позволяет измерить напряжение с точностью до 1 мкВ?

3. Во сколько раз изменится сопротивление полупроводника при уменьшении температуры вдвое, если его начальная температура Т = 400 К, ширина запрещенной зоны D Е ₃ = 0,7 эВ?

4. Термопара висмут – железо с постоянной 9 · 10^–6 в/град и сопротивлением
5 ом присоединена к гальванометру внутренним сопротивлением 1100 ом. Какой ток покажет гальванометр, если один спай термопары погрузится в тающий лед, в другим прикоснуться к поверхности тела человека, имеющей температуру 35⁰ С?

5. При определении разности температур между различными участками поверхности кожи человека с помощью двух спаев термопары медь – константан в качестве индикатора использовался гальванометр чувствительностью 0,5 · 10^–7 а/дел и с сопротивлением обмотки подвижной катушки 50 ом.. Чему равна разность температур, если при суммарном внешнем сопротивлении цепи 80 ом стрелка отклонилась на 20 делений?
Э. д. с. термопары равна 41,5 мкв/град.

6. Какое минимально изменение температуры тела человека можно определить с помощью термопары железо – константан, если измерительный прибор (гальванометр) имеет чувствительность 10^–9 а/дел и сопротивление 20 ом?
Э. д. с. термопары 50 мкв/град, а ее сопротивление 5 ом.

Лабораторная работа 10

ГРАДУИРОВКА ТЕРМОЭЛЕМЕНТА В КАЧЕСТВЕ ТЕРМОМЕТРА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ТЕРМО-ЭДС

Приборы и принадлежности: 1) гальванометр с ценой деления 10^-6А;
2) термоэлемент; 3) термометр, проградуированный от 0 до 50° С с ценой деления 0,5°; 4) сосуд для нагревания термоспая; 5) сосуд Дьюара; 6) электроплитка;
7) магазин сопротивлений на 300—500 Ом; 8) соединительные провода.

Если спаять два куска проволоки из разных металлов, например меди и железа, константана и меди и др., и замкнуть цепь, то в случае, если спаи будут иметь различные температуры, в цепи возникнет ток. Наличие тока (термотока) в цепи объясняется возникновением электродвижущей силы, которая в этом случае называется термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС). Ее величина определяется по формуле

(1)

где

(2)

является постоянной величиной для определенного спая двух металлов с концентрациями электронов n₀₁ и n₀₂, k — постоянная Больцмана; q — заряд электрона. Устройство (рис. 37, а), состоящее из двух спаев металлов и дающее при наличии разности температур спаев ЭДС, а при замкнутой цепи — ток, называется термоэлементом или термопарой.

Как видно из выражения (1), величина Е зависит от разности температур Т_а нагретого и Т_b холодного спаев металлов. Поэтому а характеризуют еще как термо-ЭДС, возникающую при разности температур спаев в один градус. Ее величина определяет чувствительность термоэлемента. Для большинства металлов она очень мала и для некоторых спаев принимает следующие значения, выраженные в мВ/град: медь — железо — 0,016; константан — медь —0,041; константан — железо — 0,053.

 

 

Рис. 37

Для любого интервала температур отклонение стрелки (луча) гальванометра N пропорционально термо-ЭДС:

N = g E (3)

где g — коэффициент, показывающий, на сколько делении отклоняется стрелка гальванометра при величине термо-ЭДС 1 мВ, Подставив в формулу (3) значение Е из выражения (1), получим

N = ga(Т_а – Т_b) = b(Т_а – Т_b) (4)

Коэффициент b зависит не только от материалов спаев, но и от сопротивления всей цепи и чувствительности гальванометра. Формулу (4) можно записать иначе:

(5)

этот коэффициент показывает смещение стрелки гальванометра при разности температур 1°. Аналогично коэффициенту a коэффициент b представляет чувствительность всей установки.

Если температуру Т_b холодного спая поддерживать постоянной, то термо-ЭДС будет функцией температуры Т_а нагретого спая. Тогда формулу (5) можно представить в виде линейной зависимости:

(6)

Функциональную зависимость температуры Т_а нагреваемого спая от отклонений N стрелки гальванометра можно определить экспериментально, построив графическую зависимость Т_а от N.

Чувствительность a термоэлемента и величину термо-ЭДС определяют следующим образом. Пусть n₀ — отклонение стрелки гальванометра, соответствующее некоторой разности температур Т_а—Т_b. Если с — постоянная гальванометра по току (помечается на циферблате прибора), R ₀— сопротивление гальванометра, подводящих проводов и термоэлемента, то термо-ЭДС при данной разности температур будет вычисляться по формуле

E = cn₀R₀ (7)

 

Включив последовательно с R ₀некоторое сопротивление R _м = 100—200 Ом магазина сопротивлений, обнаружим, что стрелка гальванометра отклонится на число делений n<N. При той же разности температур выражение для термо-ЭДС примет вид

E = cn (R₀ + R _м) (8)

 

Решив уравнения (7) и (8) относительно R ₀и подставив его значение в (7), найдем

(9)

 

Из выражений (9) и (1) легко получить чувствительность термоэлемента

(10)

 

Определив a, из формулы (1) или (10) можно найти величину термо-ЭДС.

Термоэлементы, как и термисторы, имеют большие преимущества перед ртутными и спиртовыми термометрами вследствие малой инерционности и малого размера, что дает возможность измерить температуры малых биологических объектов. Термоэлементы обладают некоторыми преимуществами перед термисторами, так как они позволяют измерять высокие температуры, не требуют источника питания. Регистрирующий прибор (гальванометр) можно установить на значительном расстоянии от термоэлемента и следить за изменением температуры любого процесса или биологической клетки. Для повышения чувствительности термоэлементы соединяют в термобатарею (рис. 37,6), одни спаи которой, например нечетные, нагреваются, а четные находятся в холодном состоянии. С помощью такой термобатареи можно исследовать тепловое излучение поверхности тела человека. Термоэлементы аналогично термисторам являются весьма удобными датчиками температур, используемыми при исследовании и управлении не только технологическими, но и биологическими процессами.

 

Порядок работы

1. Градуировка термоэлемента. Собирают установку по схеме, показанной на рис. 37, а. Сопротивление магазина устанавливают в нулевое положение. Нагреваемый спай термоэлемента погружают в сосуд со льдом и ставят его на плитку. Холодный спай помещают в сосуд Дьюара, заполненный водой со льдом. При этом стрелка гальванометра Г устанавливается в нулевом положении. Нагревая спай, через каждые 5° фиксируют температуры и соответствующие им отклонения стрелки гальванометра. Отсчет температур и отклонений стрелки гальванометра продолжают до 50°. По значениям экспериментально снятых температур и отклонениям стрелки гальванометра вычерчивают график зависимости Т_а от N. Результаты опыта, постоянные и расчетные величины заносят в таблицу.

 

Таблица

Измеряемые величины

Постоянные величины

Та

a

Е

с

n

n0

R0

R

N

2. Определение чувствительности и величины термо-ЭДС термоэлемента. При некоторой разности температур Т_а—Т_b отмечают отклонение n₀ стрелки гальванометра. Затем при той же разности температур поворотом декадного переключателя магазина устанавливают какое-либо сопротивление, например 200 Ом, и отмечают максимальное отклонение п стрелки гальванометра. Эти измерения следует проводить быстро, чтобы не изменилась разность температур Т_а — Т_b По известным с, п₀, п, R _м, Т_а и Т_b по формуле (10) находят чувствительность a, а затем Е.

 

3. Измерение температуры тела человека или какой-либо среды. Нагреваемый спай термоэлемента прикладывают к какой-либо точке тела человека, например шеи, руки, щеки, или погружают внутрь раствора и отмечают отклонение стрелки гальванометра. По отклонению стрелки гальванометра, пользуясь графиком, находят температуры исследуемых объектов.