- •Лабораторная работа №2 поверка пирометрических милливольтметров
- •1. Цель работы
- •2. Краткие теоретические сведения
- •2.1. Принцип работы термоэлектрического преобразователя
- •2.2. Принцип работы пирометрического милливольтметра
- •Из уравнений (2.2.8) и (2.2.10) следует, что
- •3. Методика и порядок испытаний.
- •4. Протокол поверки.
- •Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •7. Литература
Лабораторная работа №2 поверка пирометрических милливольтметров
1. Цель работы
1.1. Изучить принцип работы термоэлектрического преобразователя, используемого в комплекте с пирометрическим милливольтметром, для измерения температуры.
1.2. Изучить принцип действия и устройство пирометрических милливольтметров.
1.3. Произвести поверку градусной шкалы пирометрического милливольтметра.
2. Краткие теоретические сведения
2.1. Принцип работы термоэлектрического преобразователя
Измерение температуры термоэлектрическими термометрами — термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) основано на использовании открытого в 1821г. Зеебеком термоэлектрического эффекта. ТЭП часто называют просто термопарами.
На рис. 2.1 представлена термоэлектрическая цепь, состоящая из двух проводников (термоэлектродов) А и В. Места соединений 1 и 2 называют спаями. Зеебеком было установлено, что если температуры спаев t и t0 не равны, то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток. Направление этого термотока, зависит от соотношения температур спаев, т. е. если t > t0, то ток протекает в одном направлении, а при t < t0 — в другом.
Рис. 2.1.1. Схема термоэлектрической цепи
При размыкании такой цепи на ее концах может быть измерена так называемая термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Следует отметить, что рассматриваемый эффект обладает и обратным свойством, заключающимся в том, что если в такую цепь извне подать электрический ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться (эффект Пельтье).
Возникновение термотока или термоЭДС в современной физике объясняется тем, что различные металлы обладают различной работой выхода электронов, и поэтому при соприкосновении двух разнородных металлов возникает контактная разность потенциалов. Кроме того, при различии температур концов проводников в них возникает диффузия электронов, приводящая к возникновению разности потенциалов на концах.
Таким образом, оба указанных фактора - контактная разность потенциалов и диффузия электронов - являются слагаемыми результирующей термоЭДС в цепи. Значение термоЭДС в итоге зависит от природы термоэлектродов и разности температур спаев ТЭП.
Для математической формализации соотношения между контактными термоЭДС и результирующей термоЭДС цепи необходимо принять ряд условий. Один термоэлектрод, от которого в спае с меньшей температурой ток идет к другому термоэлектроду, принято считать положительным, а другой — отрицательным. Например, если t0 < t (см. рис. 2.1.1) и ток в этом спае направлен от термолектрода А к термоэлектроду В, то термоэлектрод А — термоположительный, а В — термоотрицательный.
Обозначим контактную термоЭДС в спае между термоэлектродами А к В при температуре t как еАВ(t). Указанная запись означает, что если термоэлектрод А положительный и он в очередности написания идет первым, то термоЭДС eАВ(t) имеет положительный знак. При принятом условии запись eВА(t) будет означать, что эта термоЭДС учтена с отрицательным знаком. В соответствии с законом Вольта, в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при равенстве температур спаев термоток этой цепи равен нулю.
Исходя из этого, можно заключить, что если спаи 1 и 2 имеют одну и ту же температуру, например t0, то контактные термоЭДС в каждом спае равны между собой и действуют навстречу и потому результирующая термоЭДС такого контура EAB(t0t0) равна нулю, т. е.
EAB(t0t0)=eВА(t0)-eВА(t0)=0, (2.1.1)
или с учетом того, что eAB(t0) = - eВА(t0),
EAB(t0t0)=eВА(t0)+eВА(t0)= 0. (2.1.2)
Рассматривая (2.1.2) с формальной точки зрения, можно принять следующее правило: результирующая термоЭДС контура равна арифметической сумме контактных термоЭДС, в символе которых очередность записи термоэлектродов соответствует направлению обхода контура (например, против движения часовой стрелки).
Для замкнутой цепи, показанной на рис. 2.1.1, результирующая термоЭДС составит
EAB(tt0) = eAB(t) + eBA(t0), (2.1.3)
или
EAB(tt0)=eAB(t)-eAB(t0). (2.1.4)
Уравнение (2.1.4) называют основным уравнением ТЭП. Из него следует, что возникающая в контуре термоЭДС EAB(tt0) зависит от разности функций температур t и t0. Если сделать t0 = const, то eАВ(t0) = c = const и
ЕАВ(tt0) =eАВ(t)-с= f(t) (2.1.5)
При известной зависимости (2.1.5) путем измерения термоЭДС в контуре ТЭП может быть найдена температура t в объекте измерения, если температура t0 = const. Спай, погружаемый в объект измерения температуры, называют рабочим спаем или рабочим концом, а спай вне объекта называют свободным спаем (концом).
Следует отметить, что в явном виде зависимость (2.1.5) для конкретно используемых термоэлектродных материалов пока не может быть получена аналитически с достаточной точностью. Поэтому при измерении температур эта зависимость для различных используемых ТЭП устанавливается экспериментально путем градуировки и последующего табулирования или построением графика зависимости термоЭДС от температуры. В процессе градуировки температура свободных концов ТЭП должна поддерживаться постоянной, и значение ее стандартизовано на уровне t0 = 0°С.
Необходимо подчеркнуть, что генерируемая в контуре ТЭП термоЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от геометрических размеров термоэлектродов и размера спаев.