Лабораторная работа «Изучение термоэлектрических явлений и градуировка термопар

В ходе выполнения лабораторной работы в измерительную ячейку помещается держатель с несколькими термопарами различных типов и эталонный датчик температуры, изучаются зависимости термоЭДС исследуемых образцов от температуры. В данной работе калибровка проводится не по реперным точкам (температура плавления льда, температура кипения воды и др.), а по показаниям эталонного датчика температуры. При этом температура «холодных» свободных концов термопар постоянно измеряется, что позволяет находить Т – разность между температурой внутри измерительной ячейки и температурой свободных концов термопар. Получив зависимости ЭДС от Т для разных термопар, сравниваются их основные метрологические характеристики. Используя литературные данные, определяются типы исследуемых термопар.

При выполнении градуировки термопар температура в ячейке задается ступенчато. Измерение термоЭДС исследуемых термопар проводится при достижении установленной температуры в ячейке (по показаниям эталонной термопары).

Исследование инерционности термопар предполагает работу программы в режиме измерения температуры исследуемых термопар. В ячейку помещаются термопары одного типа, имеющие разную толщину термоэлектродов. Измерения проводятся в режиме монотонного нагрева. Показания исследуемых датчиков сравниваются с показаниями малоинерционной эталонной термопары. Инерционность датчика определяется по отношению величин разности температур эталонного и исследуемого датчика ко времени достижения последним «истинной» температуры.

Лабораторная работа «Изучение термометров сопротивления»

В ходе выполнения лабораторной работы в термостатируемую ячейку помещаются четыре термометра сопротивления, один из которых служит эталонным (для этого используется платиновый термометр сопротивления с известными характеристиками), а типы трех других - неизвестны. Для удобства измерения в работе применяется специальная электрическая схема, позволяющая измерять изменение напряжения, линейно зависящее от электрического сопротивления датчика. В ходе работы режим нагрева (охлаждения) ячейки задается ступенчатым. По полученным зависимостям изменения напряжения от температуры находятся зависимости электрического сопротивления датчиков от температуры. По виду зависимостей сопротивления от температуры необходимо определить, использовался металлический или полупроводниковый термометр, а также определить его тип (используются распространенные типы сопротивлений).

В данной работе изучаются также датчики одного типа (например, платиновые), но разных размеров и изготовленные по разным технологиям. В этом случае необходимо оценить инерционность и точность измерения температуры представленных датчиков. В качестве эталонного датчика температуры используется хромель-алюмелевая термопара. В этом случае задается монотонный режим нагрева и охлаждения ячейки.

Порядок выполнения работы

1. Проверить наличие необходимых соединений между установкой и ПК.

2. Разместить в ячейке эталонный и исследуемые датчики температуры, подключить их к системе сбора информации в соответствии с электрической схемой.

3. Включить установку и ПК. Включить вентилятор тумблером, расположенным на задней панели блока, содержащего измерительную систему.

Для проведения эксперимента предусмотрены две программы, одна из которых задает требуемую температуру в ячейке, а вторая предназначена для сбора информации с датчиков температуры и передачи этой информации в персональный компьютер. Обе эти программы содержатся в папке “D:/Лабораторные работы/ячейка Пельтье”.

Нагрев калориметрической ячейки осуществляется резистивным нагревательным элементом; охлаждение производится с помощью элементов Пельтье.

Для задания температуры в измерительной ячейке необходимо в папке «Программа задания температуры» выделить программу “Т.exe”. При этом откроется окно, показанное на рисунке 1:

Рисунок 1. Окно программы задания температуры

В поле «Регулятор» задается необходимая температура (Т_зад ) в ячейке. После нажатия клавиши «Загрузка» температура в ячейке начнет изменяться и, достигнув заданного значения, будет поддерживаться постоянной. Зависимость температуры в ячейке от времени будет отображаться на графике в окне программы. Текущее значение температуры в ячейке Т_тек и разность между текущим и заданным значениями (Т_разн) можно увидеть в соответствующих полях. После задания температуры окно «Калориметрическая ячейка» можно свернуть.

Перед запуском программы сбора информации с датчиков температуры необходимо выбрать режим работы измерения температуры. Это осуществляется путем запуска программы «ADAM – 4000-5000 Utility» (ее ярлык находится на рабочем столе). При этом откроется окно (рис. 2):

Рисунок 2

Выделив пиктограмму «СОМ 1» (рис. 2), кликнуть иконку с изображением бинокля. При этом откроется окно “Search Installed Modules” (рис. 3).

Рисунок 3

В открывшейся строке задать число 1 – номер СОМ порта, к которому подключено устройство ADAM4019. При нажатии клавиши ОК программа начнет сканирование системы и вскоре обнаружит присоединенное с СОМ порту устройство, отобразив его название в соответствующем окне под именем (01) 4018 (рис. 4):

Рисунок 4

Клик по надписи «(01) 4018» приведет к открытию окна, в котором указаны типы и текущие показания термопар, подключенных к устройству ADAM, а также пределы измеряемых термЭДС исследуемых термопар (рис.5). Типу К соответствует хромель-алюмелевая термопара. Пределом измеряемых термоЭДС является 100 мВ.

Рисунок 5

В ячейке установлены термопары и термометры сопротивления, причем одна из термопар является эталонной. Эта хромель-алюмелевая термопара, именуемая программой ADAM-4000-5000 Utility “K-Type”, подключена к каналу 0 устройства ADAM4019, поэтому в поле СН0 должно быть установлено значение K-Type. «Зная» тип подключенной к каналу 0 термопары и температуру ее холодного спая (которая измеряется датчиком, расположенным в устройстве ADAM), программа STRTGY.gni будет автоматически пересчитывать значение термоЭДС в температуру внутри ячейки.

К каналам 1-3 подключаются подлежащие градуировке датчики температуры. Если в качестве таковых используются термопары, то для проведения их градуировки необходимо знать температуру их холодных спаев, подключенных к устройству ADAM. Для передачи значения температуры холодного спая в ПК служит закороченный перемычкой канал 4 устройства ADAM. Поскольку в этом случае измеряемая термоЭДС равна нулю, программа будет передавать в ПК значение температуры холодных спаев. Следовательно, в поле СН4 должно быть установлено значение K-Type.

При необходимости тип термопары может быть изменен (после чего следует нажать клавишу Update).

Прежде чем приступать к опросу датчиков температуры, необходимо закрыть программу ADAM-4000-5000 Utility.

Для сбора информации с датчиков вернуться в папку «Ячейка Пельтье». Выбрать в ней папку «Cell 3», а в ней – файл «STRTGY 1. gni». Откроется окно, показанное на рис. 6:

Рисунок 6

Для запуска программы нужно активизировать иконку «бегущий человечек». Через каждые 5 секунд в соответствующих полях окна DISP1 указываются значения температуры эталонной термопары (на нулевом канале) и значения термоЭДС исследуемых термопар (на каналах 1 – 3). Также будет отображаться зависимость от времени температуры холодного спая. Зависимость термоЭДС от времени изображается на графиках в окне DISP2 (Window, DISP2).

Для выключения команды опроса датчиков необходимо нажать иконку с изображением стоящего (красного цвета) человечка.

Результаты измерений сохраняются в файле «experiment. log» (папка «Cell 3»). В этом файле представлены показания, собранные по каналам 1-5 устройства ADAM (рис. 7):

Рисунок 7. Результаты эксперимента

По полученным значениям термоЭДС и разности температур холодных свободных концов и горячего спая строятся графики зависимости Е=f(T), по которым рассчитывается значение коэффициента термоЭДС каждой термопары. Полученные значения сравниваются с табличными и определяется тип термопары.

Работа с термометрами сопротивления строится по аналогичному принципу, с тем лишь различием, что измеренные напряжения на термометрах должны быть пересчитаны в их сопротивления. Аналогичным образом строятся графики зависимости R=f(T) для термометров сопротивления.