Задание 1

Изготовление термопары.

Для измерений температуры приемлемой точности термопара может быть изготовлена в лабораторных условиях. Для изготовления термопары следует взять два проводника в зависимости от условий, в которых будет эксплуатироваться термопара и диапазона температур (таб. 2.). В качестве примера рассмотрим изготовление медь – константановой термопары.

Порядок действий.

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 (Рис. ).

3. Выставить на ЛАТРе нулевое напряжение и только после этого 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.

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

Далее 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.

При изготовлении термопар работающих при температурах ниже 200 ˚С концы двух металлов можно спаять чистым оловом, поскольку спай меди и константана с оловом не дает ощутимой термоэдс.

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 к 0ºС. Кроме того показания чувствительны к комнатной температуре.

Дифференциальная термопара свободна от этого недостатка, но только в том случае если один из спаев термостатирован. Обычно «холодный» спай помещают с дьюар 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 2

Градуировка термопары

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

2. Поместив оба спая термопары в сосуд Дьюара (бытовой термос) с тающим льдом, 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 частях тающего льда может отличаться в пределах 0 - 1 ˚С. Для установления температуры после опускания термопары следует выждать несколько минут, а потом производить измерение.

3. Один из спаев термопары оставьте в сосуде Дьюара с тающим льдом на все время измерений; второй спай поместите в кипящую воду и вновь измерьте величину э.д.с. Сделайте поправку на атмосферное давление[6]. Соответствующие данные можно найти в таблицах.

4. Поместите второй спай в тигель с расплавленным оловом. Температура плавления, (отвердевания) чистого олова приведена выше.

Для того чтобы измерить э.д.с. термопары именно при темпе­ратуре плавления металла, рекомендуется расплавить все олово, выключить печь и во время остывания (и затвердевания) металла измерять термоэдс через равные промежутки времени (продолжительность этих интервалов студент выбирает самостоятельно). При измерениях следите за тем, чтобы спай термопары не касался стенок тигля.

5. После отвердевания олова снова расплавьте его, медленно под­нимая температуру тигля. Измерения термоэдс через равные интервалы следует произ­водить и при нагревании олова. После того как измерения будут закончены, извлеките термопару из расплавленного металла.

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

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. Аналогично проведите измерения температуры плавления свинца.

8. По всем реперным точкам постройте график зависимости термоэдс 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.

Задание 3

Ознакомление с работой элемента Пельтье

Элементы Пельтье предназначенный для локального охлаждения изготовлены из полупроводниковых материалов и имеют следующее устройство (рис.10). Расположенные между теплопроводящим платинами элементы Пельтье соединены между собой так, что при прохождении тока одна из пластин нагревается, а другая охлаждается. При этом тепло с охлаждаемой платины передается на ту платину которая нагревается.

Для получения максимальной разности температур между обеими поверхностями элемента Пельтье необходимо теплоизолировать охлаждаемую пластину от окружающей среды, а ту пластину, которая нагревается необходимо принудительно охлаждать. Охлаждать можно с помощью радиатора или проточной водой. В данной работе не ставится цель получить самые низкие температуры, поэтому охлаждение осуществляется с помощью радиатора и вентилятора.

В паспорте на каждый элемент Пельтье указывается его рабочий ток и разность температур которую можно достичь. Обычно достигается разность температур от 20ºС и до 50ºС. Иначе, если «горячую» пластину элемента Пельтье путем принудительного охлаждения поддерживать при комнатной температуре, то на «холодной» пластине можно достичь минусовых температур.

Устройство для изучения эффекта Пельтье состоит из элемента Пельтье, радиатора с вентилятором, пенопластового термостата. Элемент Пельтье установлен на пенопластовой пластине. Детали устройства показаны на рис.11. Для обеспечения хорошей теплопроводности части устройства соединяются теплопроводящей пастой. Ток через элемент регулируется с помощью реостата. Напряжение питания элемента – 12 В.

Порядок работы

1. Собрать ячейку содержащую элемент Пельтье (рис. 11).

2. К «холодной» пластине теплопроводящей пастой приклеить образец алюминия и скотчем прикрепить к нему термопару. Подключить термопару к цифровому прибору.

3. Подключить к ячейке источник питания и включить его в сеть. С помощью реостата установить ток через элемент 0.8А.

4. По мере охлаждения производить измерения температуры, до достижения теплового равновесия образца при низкой температуре. В процессе охлаждения измерить изменение температуры за интервал времени, например за 10 сек. Измерения провести 2-3 раза.

5. Записать полученное значение температуры.

6. Пользуясь значением массы и теплоемкости образца по формуле Q = cmΔT вычислить количество тепла, которое элемент Пельтье отводит от образца.

7. По данным измерения скорости снижения температуры определить тепловую мощность отводимую от образца в процессе охлаждения.

8. Зная ток в цепи и измерив напряжение на элементе, вычислить электрическую мощность потребляемую элементом Пельтье. Сравнить с тепловой мощностью отводимой от образца. Сделать выводы.

Теплоемкость алюминия 0.88 кДж/(кг·К)

Масса образца 10 г.

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