Сварка термопары

1. Взять два проводника примерно одинакового диаметра. Один проводник из обычной медной проволоки в эмалевой изоляции, другой проводник из константана.

2. Зачистить концы проводников и плотно скрутить зачищенные концы. Длина скрутки ~ 5 мм. Чуть выше конца скрутки присоединить проводник, по которому будет подаваться напряжение от ЛАТРа. Другой провод от ЛАТРа присоединяется к угольному электроду.

3. Выставить на ЛАТРе нулевое напряжение и включить ЛАТР в сеть.

4. Выставить на ЛАТРе маленькое напряжение (чуть-чуть повернуть ручку от нулевого положения) и коснуться концом скрутки угольного электрода. Между угольным электродом и скруткой проводом возникнет искра. Следует подобрать напряжение на ЛАТРе так, чтобы в момент касания угольного электрода возникла маленькая дуга, которая равномерно оплавит концы проводников. В зависимости от сопротивления угольного электрода и места касания необходимое напряжение может составить от 5 – 12 В. При правильно подобранном токе обычно достаточно одной двух попыток, чтобы сварить концы проводников.

Внимание! Вспышка дуги очень яркая. Берегите глаза и не наклоняйтесь даже близко к месту сварки. Рекомендуется одной рукой приблизить скрутку к электроду и прикрыть глаза другой рукой, быстро коснуться и отвести провода от электрода.

Не дифференциальная термопара имеет выводы из разнородных металлов. Свободным спаем является место контакта константанового провода и измерительного прибора. Обычно температура этого контакта соответствует комнатной температуре. Поэтому показания такой термопары следует корректировать.

Дифференциальная термопара свободна от этого недостатка, но только в том случае если один из спаев термостатирован. Обычно «холодный» спай помещают с дьюар (термос) с тающим льдом.

Градуировку термопар производят эталонному термометру в печке или термостате или по реперным точкам. Для градуировки в области выше 0 ˚С можно взять такие реперные точки. Температура таяния льда[3] – 0 ˚С, температура кипения воды[4] – 100 ˚С, температура плавления олова – 231,968 ˚С, температура плавления свинца – 327,50 ˚С, температура плавления цинка – 419,58 ˚С.

Ниже комнатной температуры можно использовать в качестве реперных точек температуру плавления ртути: - 38,862 ˚С, температуру кипени жидкого азота[5]: - 210˚С.

Вещества для градировки температуры по реперным точкам должны быть химически чистыми.

Задание 1

Изготовление термопары

1. Под руководством преподавателя изготовьте три дифференциальные термопары (медь – константан, железо – константан, медь – железо).

2. Проверьте исправность термопар. Для этого подключите к измерительному прибору (милливольтметр) провода термопары и убедитесь в том, что нагревание (или охлаждение) одного из спаев вызывает изменение показаний (часто хватает нагревания спая пальцами).

3. Поместив оба спая термопары в сосуд Дьюара (бытовой термос) с тающим льдом[6], убедитесь, что э.д.с. термопары обращается в нуль. Спаи термопар должны находится в одной точке и не касаться стенок дьюара, поскольку температура в разных объемах тающего льда может отличаться в пределах ±1˚С. Для установления температуры после погружения термопары следует выждать несколько минут, а потом производить измерение.

Задание 2

Градуировка термопары по медному термометру сопротивления

2.1. Приборы и методика

Медный термометр сопротивления представляет собой обмотку из медной проволоки намотанной на медный цилиндр с отверстием в которое можно вставить стеклянный термометр и спай термопары.

Существует два основных метода измерения сопротивления. 1) Сопротивление измеряется с помощью цифрового омметра. 2) Измеряется падение напряжения на медном термометре сопротивления при условии, что по цепи протекает постоянный ток.

В первом случае непосредственно к термометру сопротивления подключается омметр. Однако в данном случае омметр должен иметь достаточно высокую точность (не менее 2 знаков после запятой) и высокую стабильность нуля прибора. Температура определяется по данным таблицы (см. Приложение).

Во втором случае требуется только точный милливольтметр. Термометр сопротивления питается от стабилизированного источника, который подключен к термометру сопротивления через большое балластное сопротивление. Поскольку балластное сопротивление намного больше, чем сопротивление медной обмотки ток в цепи определяется только балластным сопротивлением. Поэтому можно в первом приближении считать, что через медную обмотку протекает постоянный ток. Абсолютная величина сопротивления определяется по закону Ома. Однако если считать, что в цепи протекает постоянный ток, достаточно взять отношение показаний цифрового милливольтметра при измеряемой температуре и при начальной температуре. Далее пользуясь приведенной в Приложении таблице найти температуру.

2.2. Порядок выполнения задания

1. Поместите в дьюар с тающим льдом медный термометр сопротивления[7]. Подключите измерительные приборы. Подождите 2-5 минут, пока не престанут меняться показания прибора, измерьте значение R₀˚С.

2. Вставьте в печь медный термометр сопротивления, Cu-константановую термопару и контрольный стеклянный термометр, «холодный» спай термопары поместите в дьюар со льдом.

3. Подождите несколько минут пока температура не установиться. Запишите показания приборов при ~ t_комн.

4. Включите нагрев. По мере повышения температуры снимайте показания приборов. Данные запишите в таблицу. Нагрев производить до 100˚С.

5. В пакете Origin (SciDevis) постройте градировочный график термопары. На этом же графике поставьте точки соответствующие стандартной медь-константановой термопаре. Сравните результат.

Задание 3

Измерение коэффициентов термоэ.д.с

различных металлов

1. Подключите к прибору одну из термопар (медь – константан, железо – константан, медь – железо) и поместите её в печь вместе с ртутным термометром.

2. Поместите второй из спаев термопары в дюар со льдом. Включите нагрев. Дождитесь когда температура приблизиться к 100˚С. Снимите несколько значений термоэ.д.с. вблизи 100˚С. Для экономии времени не рекомендуется нагревать выше 100˚С более чем на несколько градусов. Поэтому сразу после достижения 100˚С отключите печь.

3. Выньте термометр с термопарой. Положите на стол и подождите несколько минут.

4. Подобным образом для следующей термопары снимите несколько точек вблизи 100˚С. При необходимости подождите пока температура понизится ниже 100˚С.

5. Повторите измерения для третьей температуры.

6. Исходя из полученных значений графически найдите точное значение э.д.с. Е_jk для разности температур 100 ˚С, здесь j, k соответствующие металлы (Cu, Fe, константан) для трех термопар.

7. Из соотношений (α_j – α_k)Δt = E_jk рассчитать коэффициенты термоэ.д.с α_i для данных материалов.

8. Сравните полученные значения с данными таблицы 4. См. Приложение. Сделайте вывод об эффективности применения тех или иных пар металлов в качестве термопары.

9. Пересчитайте полученные значения по отношению к платине и сравните результат с данными таблицы 5.

Задание 4

Градуировка термопары по реперным точкам

Реперными точками в данном задании являются кипящая вода (100˚С), температура плавления олова (231.968˚С) и температура плавления свинца (327.5˚С) [8]. Измерения проводятся относительно тающего льда.

1. Кипящая вода. Один из спаев медь-константановой термопары[9] поместите в сосуд Дьюара с тающим льдом на все время измерений; второй спай поместите в кипящую воду. [1] Вода кипятится в пробирке, которую следует пометить в печь. Измерьте величину э.д.с. Сделайте поправку на атмосферное давление[10]. Соответствующие данные приведены на рис. 10. Атмосферное давление в день измерениий взять из Интернета.

2. Олово. Поместите второй спай в тигель с кусочками олова. Тгель поместите в печь. Температура плавления, (отвердевания) чистого олова приведена выше.

3. После достижения разности э.д.с. порядка 10 мв. Проводите измерения э.д.с. через равные промежутки времени. В определенный момент значение э.д.с. перестанет расти. Это и будет точкой фазового перехода. Как только рост температуры возобновиться, выключите печь и следите за изменением э.д.с. по мере охлаждения печи. При измерениях следите за тем, чтобы спай термопары не касался стенок тигля, а только олова.

4. После отвердевания олова снова расплавьте его, под­нимая температуру печи. После расплавления олова извлеките термопару и выключите печь.

5. По полученным данным постройте график зависимости э.д.с, термопары Е от времени в процессе остывания и в процессе нагрева тигля: E = f(t).

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

7. Свинец. Аналогично проведите измерения температуры плавления свинца. Здесь детальный контроль начать с э.д.с. 15 мВ.

8. По всем реперным точкам постройте график зависимости термоэ.д.с от температуры. При построении графика в системе Origin проведите аппроксимацию зависимости простым полиномом. Внесите в пакет Origin данные для стандартной термопары медь-константан (таб. 3) и проведите сравнение.

Контрольные вопросы

Дайте пояснения по следующим темам.

1. Физические причины возникновения контактной разности потенциалов. Закон последовательных контактов.

2. Эффект Пельтье.

3. Физические причины возникновения термоэ.д.с.

4. Связь между эффектом Пельтье и термоэ.д.с.

5. Методы измерения температуры

Литература

ⁱ Епифанов Г.И. Физика твердого тела М.: 1965. Стр. 202 - 203.

ii Епифанов Г.И. Физика твердого тела М.: 1965. Стр. 198.

iii Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. т2. М.: 1972. Стр. 135 – 140.

^iv Физические величины. Справочник. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. - М.: Энергоатомиздат. – 1991. Стр. 179.

Дополнительная литература

1. Руководство к лабораторным работам для физиков. Под ред. Гольдина Л.Л. М.: 1973. Стр. 65.

Приложение

Рис. 10. Зависимость температуры кипения воды от давления.

Таблица 1. Стандартная градуировочная таблица медного термометра сопротивления. Электрическое сопротивление медного термометра сопротивления в отн. ед. R(t)/R₀°C.

Таблица 2. Значения эксплуатационных характеристик термопар

Таблица 3. Градуировка термопары Cu - константан

Таблица. 4. Коэффициенты термоэ.д.с некоторых металлов и полупроводников

Рис. 11. Сравнение температурных зависимостей для медного термометра сопротивления и Cu – константановой термопары.

Таблица 5. Термоэ.д.с некоторых металлов в сплаве с чистой платиной, мВ.

В таблице приведены значения э.д.с. для случая, когда температура горячего спая +100˚С, а холодного 0˚С.

[1] В настоящее время свинец принят за металл, имеющий нулевой контактный потенциал. Соответственно металлы левее и правее свинца имею разные знаки потенциалов.

[2] Здесь под стабильным источником имеется в виду не обычный стабилизатор тока или напряжения, а стабилизатор, имеющий высокое внутренне сопротивление и стабилизирующий малый ток через нагрузку.

[3] Лед должен быть приготовлен из дистиллированной воды.

[4] Для точности вода должна быть дистиллирована и обязательно следует внести поправку на атмосферное давление.

[5] Необходимо также сделать поправку на атмосферное давление.

[6] При отсутствии льда воспользоваться стаканом с водой комнатной температуры. Температуру воды измерить термометром.

[7] При отсутствии льда следует данные таблицы нормировать на начальную температуру измерений, поскольку в таблице приведено отношение R(t)/R₀°C нормированное при 0˚С. Начальная температура определяется по стеклянному термометру.

[8] При наличии в лаборатории жидкого азота возможно добавление еще одной реперной точки – 210˚С (77,4 К).

[9] В этом задании следует взять либо медь-константановую, либо железо-константановую термопару.

[10] Обычное давление в Симферополе ниже 760 мм рт.ст. поэтому вода кипит примерно при 98 – 99 ˚С.

[11] Алюмель: Ni – 95%, Al, Si, Mn.

[12] Хромель: Ni – 90%, Cr – 10%.

[13] Нихром: Ni – 55-78%, Cr – 15-23%, Mn, Fe.

[14] Константан: Cu – 54-60%, Ni – 40-46%? Mn – 2%.

[15] Копель: Cu – 56%, Ni – 43.5%, Mn – 0.5%