Градуировка термопары

Цель работы: ознакомиться с методом градуировки термопары.

Приборы и принадлежности: термопара, термометр, колба с водой, электроплитка, потенциометр (прибор для измерения ЭДС источника тока. Принцип действия и описание его даны в работе № 3) или гальванометр.

Сведения из теории

Термопара представляет собой два разнородных проводника (I и II), соединенные своими концами (рис. 4.1, а). Места соединений называют спаями (А и В). Если температуры спаев не одинаковы (например, Т_А>Т_В), то в цепи термопары потечет ток (термоток) - явление Зеебека.

Опыт показывает, что связанная с термотоком ЭДС  пропорциональна разности температур “горячего” (А) и “холодного” (В) спаев

 =  (Т_А - Т_В), (4.1)

где  - удельная термо-ЭДС, определяется свойствами металлов, из которых изготовлена термопара. Например, для пары железо - константан  = 5,3  10^-5 В/К.

Возникновение термотока при Т_А  Т_В связано с наличием разных по величине контактных разностей потенциалов (КРП) в спаях А и В. КРП в любом из спаев определяется выражением

, (4.2)

где А₁ и А₂ - работа выхода электрона соответственно из металлов I и II; е - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; n₁, n₂ - концентрации электронов в металлах I и II.

При одинаковых температурах спаев их КРП одинаковы, но про-тивоположны по направлению. ЭДС, равная алгебраической сумме скачков потенциалов в цепи, в этом случае нулевая, так как имеется два одинаковых источника тока, соединенных одинаковыми полюсами (рис. 4.1, б).

Если Т_А  Т_В, то

/_A/  /_B/,

 = _A - _B =

что совпадает с формулой (4.1), если

.

Используются термопары чаще всего для измерения высоких (или низких) температур. Для этого “горячий” спай помещают в среду, температуру Т которой хотят узнать (Т_А = Т), а “холодный” спай - в среду с известной температурой Т_В = Т_О (например, в тающий лед). Измерив термо-ЭДС (термоток) и зная , по формуле (4.1) легко вычислить Т. При измерениях удобно иметь предварительно проградуированную термопару. В этом случае нет необходимости в знании  . По измеренным ЭДС и Т непосредственно по графику  = f(Т = Т - Т_О) определяют Т, а значит, и Т. Задача данной лабораторной работы состоит в том, чтобы получить градуировочную кривую. Градуировку термопары производят по той же схеме (рис. 4.2), что и при измерениях температуры, с той лишь разницей, что “горячий” спай здесь помещают в среду, температуру которой можно изменить и измерить независимым от термопары способом (обычным термометром).

П р и м е ч а н и е. Очень часто ”холодный” спай оставляют при температуре окружающего воздуха (особенно при измерении температур в производственных условиях). В этом случае нет необходимости специально его создавать. Роль такого спая играет любой из контактов (В₁ или В₂) проводника термопары (рис. 4.3) с измерительным прибором.