2. Экспериментальная часть

2.1. Типы термопар

Термоэлектрические свойства материалов принято характеризовать величиной термо-ЭДС, развиваемой этими материалами в паре с чистой платиной при температуре рабочего конца термопары 100 и свободного конца 0 ºС. В табл.1. приведены термо-ЭДС развиваемые различными материалами в указанных условиях.

Табл.1.

Металл или сплав	Химический состав	Термо-ЭДС, мэВ
Хромель	89Ni+9.8Cr+1Fe+0.2 Mn	+2.9
Железо	Fe	+1.8
Медь	Cu	0.76
Платинородий	90Pt+10Rn	0.64
Платина	Pt	0.00
Алюмель	94Ni+2Al+2.5Mn+1Si+0.5Fe	-1.2
Константан	60Cu+40Ni	-3.5
Копель	56Cu+44Ni	-3.9

Знак + в графе термо-ЭДС показывает, что данный электрод в паре с платиной является положительным электродом, т.е. что в горячем спае условное направление тока - от платины к данному электроду. Термо-ЭДС пары из любых двух термоэлектродов определяется по таблице как алгебраическая разность их термо-ЭДС с платиной. Положительным термоэлектродом пары будет тот электрод, чья термо-ЭДС в паре с платиной относительно больше.

Многие неметаллические материалы (графит, карборунд) и полупроводники могут быть использованы в качестве термоэлектродов, причем образованные из них термопары способны создавать термо-ЭДС в сотни раз больше, чем у металлических термопар. Однако полупроводниковые и смешанные термопары не получили пока широкого применения для технических измерений температуры главным образом из-за большого разброса термоэлектрических характеристик, приводящего к необходимости индивидуальной градуировки каждого экземпляра термопар. В настоящее время наибольшее применение для технических измерений имеют следующие стандартные термопары (ГОСТ 6616-53).

• Термопара платинородий -платина (условное обозначение ПП). Эта термопара применяется для технических измерений температур выше 1000 ºС, а также в качестве эталонных, образцовых и лабораторных приборов. Верхний предел измерения термопары (1500 ºС при длительном нагреве) определяется главным образом прочностью платинового электрода.

• Термопара хромель-алюмель (условное обозначение ХА), пределы измерения от -50 до +1000 ºС, а при кратковременном нагреве до 1300 ºС.

• Термопара хромель-копель (условное обозначение ХК), пределы измерения от -50 до +600 ºС, а при кратковременном нагреве до 800 ºС.

• Для измерения температуры жидкой стали в плавильных печах в пределах 1400-1800 ºС применяются термопары графит-молибден. Эти термопары невзаимозаменяемые, и каждая из них градуируется при выпуске.

• В диапазоне температур от -200 до +400 ºС находит применение термопара медь-константан.

2.2. Экспериментальная установка.

Экспериментальная установка представлена на рис.3 и состоит из стеклянного стакана 1, в который наливается вода, термометра 2, усилителя напряжения 3, мультиметра 4 и термопары 5.

Рис.3.Схема установки

Электродвижущую силу термопары можно измерять вольтметром, если его внутреннее сопротивление достаточно велико по сравнению внутренним сопротивлением термопары. Составим электрическую цепь из термопары (с ЭДС Е и внутренним сопротивлением r) и вольтметра, внутреннее сопротивление которого R_V. Сопротивление подводящих проводов R. По закону Ома

E=Ir+IR+IR_V, (11)

где

U_V=IR_V (12)

- падение напряжения на внутреннем сопротивлении вольтметра.

Рис.4. Эквивалентная схема.

При измерении ЭДС термопара вольтметром подразумевается , что U_V=E, т.е допускается систематическая ошибка ΔE=I(R+r), что в процентном отношении к измеряемой величине Е составляет

(13)

Сопротивление ветвей термопары r и сопротивление подводящих проводов R - малы (~10^-2 Ом). При внутреннем сопротивлении вольтметра R_V=10⁹ Ом систематическая ошибка оказывается незначительной : δ=(10^-2/10⁹) 100%=10^-9 %.