• 5

Работа 6. ГРАДУИРОВАНИЕ ТЕРМОПАРЫ

Принадлежности: термопара (железоконстантановая), потенциометр постоян­ного тока, сосуд Дьюара со льдом, сосуд Дьюара с жидким азотом, два тигля для плавления металлов, один с чистым оловом, другой — с неизвестным спла­вом, колба для кипячения воды.

3 п/р л. Л. Гольдина

При контакте двух проводников, изготовленных из различных металлов, между ними возникает обмен электронами, который при­водит к возникновению контактной разности потенциалов. Ее величина зависит от рода соприкасающихся проводников и от температуры контакта.

Рассмотрим цепь (рис. 23), состоящую из двух спаянных между собой проводников У и 2, изготовленных из различных металлов. Пока температуры спаев одинаковы, контактные разности потен­циалов, возникающие в спаях Л и Б, равны между собой.

 

 

 

Рис. 23. Схе­ма устройст­ва термо­пары.

Рис. 24. Эквивалентная схема термопары.

Рис. 25. Схема включения измерительного прибора в цепь термопары при точных измерениях термо-э. д. с.

Эквивалентная схема этой цепи представлена на рис. 24; кон­тактная э. д. с. спаев изображена в виде двух одинаковых эле­ментов

включенных навстречу друг другу. Ток в такой цепи, естественно, равен нулю.

Если спаи А и Б поддерживать при разных температурах, то возникающие в контактах разности потенциалов перестанут быть одинаковыми. В такой цепи результирующая э. д. с. оказывается отличной от нуля и вызывает появление тока. Эта э. д. с. носит название термоэлектродвижущей силы — термо-э. д. с.

Термоэлектродвижущие силы широко-используются для изме­рения температур. Содержащая два спая цепь носит название термопары. Измерительный прибор П включается в разрыв одного из проводников, образующих термопару (рис. 25).

При измерениях один из спаев термопары, например Л, поддер­живается при постоянной температуре (помещается в сосуд Дьюара с тающим льдом, t = О °С), а второй спай приводится в тепловой контакт с исследуемым телом.

 

Величина термо-э. д. с. определяется разностью э. д. с. спаев Л и£: Аё = — % A =%t°C — ^0°С>

т. е. зависит только от температуры исследуемого тела.

В настоящей работе предлагается проградуировать термопару, образованную железной и константаиовой проволоками, а затем использовать термопару для измерения температуры.

Обычно для градуировки термопар испо#льзуют некоторые заранее известные температурные значе­ния, например температуру таяния льда, кипения воды, плавления чистых металлов. Во время градуи­ровки один спай термостат!фуется в сосуде Дьюара с тающим льдом, а второй поочередно погружается в ванны, в которых создана известная температура.

При использовании термопар для точных измере­ний температуры лучше измерять возникающую в цепи электродвижущую силу, а не текущий в пей ток. Это связано с тем, что электродвижущая сила зависит только от рода образующих термопару ме­таллов и температуры спаев, в то время как сила текущего в цепи тока определяется, кроме того, соп­ротивлением измерительного прибора и соединитель­ных проводов и внутренним сопротивлением спаев. Заметим, что внутреннее сопротивление спаев сильно зависит от состояния спая и поэтому меняется со временем.

Для проведения быстрых измерений температуры, не требующих точности, в цепь термопары включают милливольтметр по схеме, изображенной на рис. 26. Измерительный спай термопары приво­дится в контакт с телом, температуру которого надо определить.

На клеммах милливольтметра, к которым присое­динены проводники / и 2, возникают свои кон­тактные разности потенциалов Ш1П и Ш2П, отли­чающиеся по величине и по знаку. Эквивалентная схема такого соединения приведена на рис. 27. Если все три контакта находятся при одинаковой температуре (например, комнатной), то резуль­тирующая э. д. с. цепи равна нулю, т. е.

где %А — э. д. с. спая А при комнатной температуре. При нагре­вании спая А в цепи возникает э. д. с. Шм — %л, где Шм — э. д. с. спая при температуре t.

Таким образом, при включении термопары по схеме, изобра­женной на рис. 27, показания милливольтметра пропорциональны разности температур спая и комнаты.

Рис. 26. Схе­ма включе­ния измери­тельного при­бора в цепь термопары при измере­ниях, не тре­бующих вы­сокой точно­сти.

 

Рис. 27. Эквива­лентная схема.

Г—(2>

Для более точного определения э. д. с. в настоящей работе при­меняется компенсационный метод. Измерения производятся с по­мощью стандартного потенциометра постоянного тока типа ПП-63.

Потенциометр постоянного тока. Принцип действия потенцио­метра постоянного тока основан на компенсации измеряемой и неко­торой известной э. д. с. и был уже описан в работе 4. Простейшая схема опыта изображена на рис. 16. Электро­движущая сила измеряемого Шх или нормального SN элемента компенси­руется напряжением внешнего источ­ника ^.Скользящий по реохорду дви­жок Д передвигается при измерениях до тех пор, пока ток в цепи гальвано­метра не прекратится. Измеряемая электродвижущая сила равна при этом напряжению на концах реохорда, ум­ноженному на отношение сопротивле­ний участка АД и всего реохорда АБ.

Принципиальная схема потен­циометра ПП-63 изображена на — на рис. 29. В цепь внешнего источ- БП) включены три сопротивления: а третье может регу-

 

Рис. 28. Принципиальная схема потенциометра ПП-63.

рис. 28, а его внешний вид - ника ё0 (батареи питания /?дг, R0 и г, из которых первые два постоянны, лироваться. С помощью сопротивления г в цепи А Б устанавливается

НЗ ~о о+

Н(&эВ

Питание 5м.

Г

о о

Н®оВ

_ 6П о о

+

БИ о о"

 

- №

 

0[ 9 VJS2

Потенциометр Почерка

 

Рабочий тон

И

Грубо Точно т

 

Рис. 29. Внешний вид потенциометра ПП-63.

строго определенное значение тока, такое именно, которое вызывает на сопротивлении RN падение напряжения, равное э. д. с. нор­мального элемента ^дг. Убедиться в компенсации этих двух напря-

жений можно, включив в цепь нормального элемента гальвано­метр G.

Переключив гальванометр в цепь измеряемой э. д. е., можно отрегулировать положение движка Д так, чтобы э. д. с. оказалась скомпенсированной. Так как при этом сила тока, проходящего через Rx, предварительно установлена вполне определенным обра­зом, положения движка градуируются непосредственно в вольтах.

Нормальный элемент <SN (НЭ), батарея питания и гальва­нометр G обычно находятся в ящике прибора, но могут, при жела­нии, подключаться и снаружи. На панель прибора вынесены клеммы для их подключения. Источники э. д. с. — НЭ и БП — и гальва­нометр переключаются с наружных на внутренние тумблерами (Н — В), расположенными около соответствующих клемм.

При работе с потенциометром рекомендуется следующий поря­док измерений:

1.         Поставьте все тумблеры (В — Н) в положение В.

2.         Переключатель полярности (+ —) поставьте в положение (+).

3.         Установите корректором стрелку гальванометра G на нуль.

4.         Установите переключатель «Род работы» в положение «Потен­циометр» х).

5.         Произведите установку рабочего тока в потенциометре, для чего переключатель (К — И) поставьте в положение К (контроль). При этом гальванометр включается в цепь нормального элемента НЭ (рис. 28): Гальванометр может включаться в цепь через большое сопротивление R (кнопка «Грубо») и без сопротивления (кнопка «Точно»). Изменяя величину переменного сопротивления г (вра­щением ручек «Рабочий ток», рис. 29), приведите к нулю ток галь­ванометра. Подбор рабочего тока производится сначала при нажа­тии кнопки «Грубо», а затем при нажатии кнопки «Точно».

6.         Подключите термопару к клеммам «X».

7.         Установите переключатель пределов измерения в требуемое положение: Х0,5 при измерении э. д. с. до 25 мВ; X 1 при измере­нии э. д. с. до 50 мВ; х2 при измерении э. д. с. до 100 мВ.

8.         Произведите измерение э. д. с. термопары. Переключатель (К — И) поставьте в положение И (измерение). При этом гальва­нометр замыкает цепь термопары на сопротивление Rx. Переме­щением движка Д (на рис. 29 — вращением ручек М и N) сначала «Грубо», а затем «Точно» приведите к нулю ток, проходящий через гальванометр. Если скомпенсировать схему не удается (гальванометр «зашкаливает») при любом положении ручек М и N, переключите тумблер полярности (Н        ) и снова произведите компенсацию тока.

Потенциометр постоянного тока ПП-63 может также служить источни­ком плавно регулируемого напряжения для поверки технических термопар. Для этой цели предназначены ручки «Напряжение» и Q. Переключатель «Род работы» ставится в этом случае в положение ИРН (источник регулируемого напряжения) или положение «Поверка».

Величина измеряемой э. д. с. определяется по шкалам, распо­ложенным у ручек прибора. Перед тем как произвести отсчет, не­обходимо вновь переключить гальванометр в положение К и убе­диться в том, что сила тока в цепи за время измерений не измени­лась. Если это не так, измерения по пп. 5 и 8 необходимо повторить.

Как нетрудно заметить, градуировка прибора не зависит от э. д. с. £0. Требуется, однако, чтобы эта э. д. с. была больше э. д. с. измеряемой термопары и э. д. с. нормального элемента. Макси­мальная величина определяется диапазоном изменения вспомо­гательного сопротивления г.

Измерения. 1. Перед началом измерений разберитесь в устрой­стве потенциометра ПП-63.

2.         Проверьте исправность термопары. Для этого подключите к потенциометру идущие от термопары провода и убедитесь в том, что нагревание (или охлаждение) одного из спаев вызывает откло­нение гальванометра в предварительно сбалансированном потен­циометре.

3.         Поместив оба спая термопары в сосуд Дьюара с тающим льдом, убедитесь, что э. д. с. термопары обращается в нуль.

4.         Один из спаев термопары оставьте в сосуде Дьюара с тающим льдом на все время измерений; второй спай поместите в колбу с кипящей водой и вновь измерьте величину Шх.

5.         Поместите второй спай в сосуд Дьюара, наполненный жидким азотом, и снова измерьте величину э. д. с. Шх.

6.         Поместите второй спай в тигель с расплавленным оловом. Температуру плавления (отвердевания) чистого олова определите по таблицам.

Для того чтобы измерить э. д. с. термопары именно при темпе­ратуре плавления металла, рекомендуется расплавить все олово, выключить печь и во время остывания (и затвердевания) металла измерять термо-э. д. с. через равные промежутки времени (продол­жительность этих интервалов студент выбирает самостоятельно). При измерениях следите за тем„ чтобы спай термопары не касался стенок тигля.

После отвердевания олова снова расплавьте его, медленно под­нимая температуру тигля. Измерения термо-э. д. с. следует произ­водить и при нагревании олова. После того как измерения будут закончены, извлеките термопару из расплавленного металла.

7.         По полученным данным постройте график зависимости э. д. с. термопары Шх от времени в процессе остывания и в процессе на­грева тигля:

Sx = f(t).

На кривых должны обозначиться резко выделенные горизонтальные участки почти постоянной температуры. Измеренные на серединах этих участков э. д. с. соответствуют температуре плавления олова.

Совпадение (или, наоборот, расхождение) э. д. е., измеренных в процессе нагрева и остывания, позволяет судить о том, были ли процессы плавления и отвердевания достаточно медленны. Расхож­дение результатов позволяет оценить погрешность измерений.

Таким образом, для градуировки термопары получены четыре течки: температура тающего льда (начало координат), температура кипящей воды, температура кипения жидкого азота и температура плавления олова. Поскольку градуировочный график нашей тер- мспары в исследуемом диапазоне температур почти прямолинеен, этих четырех точек достаточно для проведения градуировочной кривой г).

Градуировочный график термопары постройте на миллиметровке. На графике должны быть отложены ожидаемые ошибки измере­ния %х.

8.         По полученному графику определите температуру плавления неизвестного сплава. Температура измеряется при плавлении и при отвердевании сплава так же, как это делалось при градуировке термопары по точке плавления олова.

9.         В заключение включите в цепь термопары (см. рис. 25) вместо потенциометра ПП-63 милливольтметр и сравните показания при измерении температуры кипящей воды и жидкого азота.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я