Общие сведения. Цель работы: получение практических навыков использования термоэлектрического термометра и термометра сопротивления для измерения температуры

И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕРМОМЕТРОВ

ГРАДУИРОВКА ШКАЛ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

Цель работы: получение практических навыков использования термоэлектрического термометра и термометра сопротивления для измерения температуры.

Приборы и оборудование: мультиметр ВР-11А, вольтметр ВК2-20, источник постоянного напряжения, термос, электрическая печь, алюмель-хромелевая термопара, термистор ММТ.

Термометры, принцип действия которых основан на влиянии температуры на один из элементов электрической цепи (индуктивность, емкость, электрическое сопротивление, источник напряжения), в настоящее время получили широкое распространение благодаря своей простоте и высоким техническим и метрологическим характеристикам. Они позволяют с высокой точностью измерять температуру в различных средах в диапазоне от ~ 10^-3 до 3000 К, при этом регистрирующее устройство может находиться на достаточном удалении от объекта, температура которого измеряется. А то обстоятельство, что температура преобразуется в электрический сигнал позволяет напрямую использовать современные средства автоматики и вычислительной техники для регистрации, контроля и управления тепловым режимом объекта или процесса.

Применение термоэлектрических термометров основано на зависимости термо-ЭДС (e_т), возникающей в электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников, при неравенстве температур в местах их соединений (рис. 1). Если разность температур спаев Т_А-Т_В невелика, то

e_т @ a₁₂(Т_В-Т_А) (1)

где a₁₂= a₁- a₂, a₁ и a₂ - коэффициенты Зеебека соответственно для первого и второго проводника.

При Т_В>T_А e_т > 0, если a₁₂ > 0 и e_т < 0, если a₁₂ < 0.

Возникновение ЭДС в замкнутой электрической цепи, составленной из последовательно соединенных проводников, если места их контакта поддерживают при различных температурах, называют явлением Зеебека. Оно обусловлено следующими причинами:

Рис.1. Электрическая цепь из двух разнородных проводников

а) преимущественной диффузией носителей тока в проводнике от горячего конца к холодному (объемная составляющая e_т);

б) зависимостью контактной разности потенциалов от температуры (контактная составляющая e_т);

в) увлечением электронов фононами, которые преимущественно перемещаются от горячего конца проводника к холодному и, взаимодействуя с электронами, вызывают их перемещение в том же направлении (фононная составляющая e_т).

При измерениях один из спаев термопары помещают внутрь, либо располагают вблизи объекта, температура которого измеряется. Второй спай помещают в термостат, температура в котором контролируется. Для того, чтобы избежать неудобств, связанных с учетом температуры второго спая, используют так называемую дифференциальную термопару (рис.2), второй конец которой находится в термостате при температуре ~ 0 ⁰С, например в тающем льде.

Изготавливаются термоэлектрические термометры из материалов, которые должны обеспечивать высокую жаростойкость, чувствительность, линейность градуировочной характеристики термометров и т.д. Обязательным является требование стабильности градуировочной характеристики. Этим свойством, в частности, обладают медь-копелевая, никель-хром-никель-алюминиевая (алюмель-хромелевая), платино-родий-платиновая и др. термопары, для которых составлены градуировочные таблицы.

Вместе с тем, при проведении точных измерений термометр необходимо предварительно проградуировать, поскольку величина термо-ЭДС чувствительна к присутствию даже незначительного количества примесей, а также к механическим напряжениям в проводниках. Для градуировки используют основные температурные точки (точки состояния равновесия между фазами ряда чистых веществ) международной практической температурной шкалы (МПТШ-68). Например, точки равновесия между жидкой, твердой и газообразной фазами воды (273,15 К или 0,01 ⁰С), между жидкой и парообразной

Рис. 2. Схема включения дифференциальной термопары, один из спаев которой термостатирован

фазами воды (373,15 К или 100 ⁰С) и т.д. Градуирование шкал измерительных приборов в интервалах между основными температурными точками осуществляется с помощью интерполяционных формул, описывающих связь контролируемой физической величины с температурой.

Принцип действия термометров сопротивления основан на способности различных материалов изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Большое распространение получили металлические термометры сопротивления, пригодные для измерения температур в диапазоне от 10 до 1000 К. Материалами для их изготовления служат медь, никель и платина. Кроме металлов для изготовления термометров сопротивления применяются также полупроводниковые материалы: германий, окислы меди, марганца, кобальта, магния, титана и их смеси. Большинство полупроводниковых материалов обладает большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, а также большим удельным сопротивлением, зависимость которого от температуры может быть представлена в следующем виде:

, (2)

где U - энергия активации движения носителей, k - постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура, R₀(T)- - предэкспоненциальный множитель, слабо зависящий от температуры.

Значительное уменьшение сопротивления полупроводникового терморезистора с повышением температуры преимущественно обусловлено увеличением концентрации носителей вследствие межзонных переходов, переходов с примесных уровней в зону проводимости, а также вследствие активации прыжкового механизма проводимости.

В связи с тем, что технология получения полупроводниковых терморезисторов не позволяет изготовлять их с идентичными характеристиками, все полупроводниковые термопреобразователи имеют индивидуальные градуировочные характеристики.

Дата добавления: 2015-04-30