Градуировка Cu-Fe термопары и ее применение для измерения температуры (Лабораторная работа № 5)

Лабораторная работа 5

Градуировка Cu-Fe термопары и ее применение

для измерения температуры

Цель работы: ознакомление с принципом действия термопары, градуирование термопары и определение температуры затвердевания вещества.

Задание 1. Проградуировать термопару (ℰ_t = . Определить среднее значение удельной термо-ЭДС ℰ₀.

Задание 2. Определить температуру плавления металла или вещества         с помощью градуированной термопары.

Приборы и принадлежности: термопара Cu-Fe, милливольтметр на 15 мВ, нагреватель, сосуды с водой, термометр термоэлектрический (мультиметр типа М890G), вещества для определения температуры затвердевания.

Теория метода

В 1767 г. А. Вольта опытно установил: при тесном контракте двух разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов U_к, зависящая только от их химического состава и температуры (первый закон Вольта).

Контактная разность потенциалов в спае исследуемой Fe-Cu термопары обусловлена:

1) различной работой выхода электронов из металлов(А_Cu < A_Fe)

;

2) различием концентрации свободных электронов в единице объема металла            .

Вследствие диффузии электронов преимущественно из Cu металл зарядится положительно, а Fe – отрицательно. Диффузия прекратится, когда возникнет разность потенциалов

.                                   (1)

Из (1) следует, что .

В 1821 г. Т. И. Зеебек обнаружил, что в случае, если спаи 1 и 2 двух разнородных металлов, образующих замкнутую цепь (рис. 1) имеют неодинаковую температуру, то в цепи течет электрический ток (тепловая энергия непосредственно превращается в энергию электрического тока). Поэтому такие явления называются термоэлектрическими. К их числу принадлежат также явление Пельтье и явление Томсона.

Возникающая в явлении Зеебека термо-ЭДС обусловлена тремя причинами: 1) зависимостью уровня Ферми от температуры; 2) диффузией электронов (и дырок для полупроводников); 3) увлечением электронов фононами (квантами теплоты).

Пользуясь (1), получим значение термо-ЭДС:

ℰ_t

ℰ_0,                                        (2)

где ℰ₀  – удельная (дифференциальная) термо-ЭДС для данной пары металлов (для пары Cu-Fe ~ 0,0425 мВ/град или мВ/К).

Удельная термо-ЭДС ℰ₀

Рис.1. Спай металлов изCu-Fe

 возникает при разности температур в 1 ⁰С и является величиной постоянной для каждой пары  металлов (или полупроводников), образующих термоэлемент. Для большинства пар металлов ℰ₀ имеет порядок 10^-2…10^-1 мВ/К, для полупроводников до – (1…3) мВ/К.   Однако с изменением разности температур спаев ℰ₀ изменяется не по линейному закону (для большого интервала DТ), а довольно сложным образом.

Если ℰ₀ измерять милливольтметром, то отклонение его подвижной части будет пропорционально силе тока. Так как внутреннее сопротивление термопары обычно мало по сравнению с внутренним сопротивлением прибора, то можно приближенно считать, что милливольтметр измеряет термо-ЭДС.

На зависимости между отклонением подвижной части электроизмерительного прибора и разности температур основан термоэлектрический метод измерения температур, который является одним из самых распространенных методов измерения температур в технике и лабораторной практике. Для этого термопара должна быть предварительно проградуирована (градуируется в паре с измерительным прибором). При градуировке термопары один спай ее термостатируется. Если же температура одного спая известна, то легко определить и температуру другого спая, используя формулу (2), или по градуировочному графику ℰ_t . Градуировкой термопары называется определение экспериментальным путем зависимости термо-ЭДС, возникающей в термопаре от разности температур DТ ее спаев.

Вместо кривой ℰ_t  можно построить кривую , где
I – термоток в цепи. Обе кривые имеют одинаковый вид, если сопротивление в цепи R = const.

Более точный результат получается, если измерить возникающую ℰ_t по методу компенсации. В этом случае можно измерять с точностью до сотых долей градуса как низкие, так и высокие температуры [4].

Экспериментальная установка (рис. 2) состоит из стандартной термопары Cu-Fe с двумя спаями (второй спай термостатируется). Концы разомкнутого термоэлектрода присоединены к милливольтметру.

Спай 1 помещается в сосуд N₁ с водой, которая может нагреваться от нагревателя Р. Спай 2 также помещен в сосуд, в котором жидкость находится при постоянной температуре (или в тающий лед, т. е. при 0 ⁰С).