Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 121: Termometr oporowy i termopara Cel ćwiczenia: Wyznaczenie współczynnika temperaturowego oporu platyny oraz pomiar charakterystyk termopary miedź-konstantan. Literatura [1] Massalski J., Fizyka dla inżynierów, PWN, Warszawa 1975. [2] Halliday D., Resnick R., Fizyka, Tom 1. PWN (rok wydania dowolny). [3] A. Zięba (red), Pracownia Fizyczna Wydziału Fizyki i Techniki Jądrowej, cz. 1, SU1608, AGH, Kraków 1999. Zagadnienia do opracowania Ocena i podpis 1. Wymień zjawiska fizyczne wykorzystywane do pomiaru temperatury. 2. Opisz zjawiska Seebecka oraz Peltiera. 3. Omów prawa przepływu prądu elektrycznego. 4. Omów skale temperatur. 5. Uzasadnij celowość szeregowego łączenia termopar. 6. Podaj sposób pomiaru siły elektromotorycznej. 7. Dlaczego do opracowania danych pomiarowych w niniejszym ćwiczeniu stosujemy metodę regresji? Ocena z odpowiedzi: 121-1
1 Opracowanie ćwiczenia Opracuj i opisz zagadnienia nr i podpis: 121-2
Rysunek 121-1: Typowa zależność oporności elektrycznej metalu od temperatury. 2 Oznaczenia, podstawowe definicje i wzory Opór elektryczny metali Zależność oporności metalu od temperatury, w zakresie temperatur pokojowych R(t) R 0 (1 + α t). (1) gdzie t temperatura w C, α temperaturowy współczynnik oporu, a R 0 opór w temperaturze zera C. W dokładniejszych pomiarach wprowadza się do wzoru więcej członów R(t) R 0 (1 + α t + β t 2 ). (2) Napięcie termoelektryczne W układzie dwóch różnych przewodników 1 i 2, połączonych jak na rys.121-3a, powstaje napięcie termoelektryczne (napięcie Seebecka) o wartości proporcjonalnej do różnicy temperatur spoin t A i t B. Napięcie to traktujemy jako różnicę dwóch napięć kontaktowych pojawiających się na stykach metali w spoinach A i B. Charakterystyki termopary podaje się w postaci tabeli lub aproksymuje wzorami o postaci zależnej od przyjętego zakresu temperatur i wymaganej dokładności E a (t) a t + b t 2 (3) lub Układ pomiarowy ćwiczenia E a (t) a t + b t 2 + c t 3. (4) Istotnymi elementami układu pomiarowego są: 1. Termometr platynowy ma postać spirali oporowej wykonanej z bardzo cienkiego drutu platynowego umieszczonej w szczelnie zamkniętej ceramicznej rurce. Kontakt elektryczny ze spiralą i odpowiednią wytrzymałość mechaniczną zapewniają końcówki połączeniowe wykonane z grubszego, srebrzonego drutu. 2. Termopara wykonana jest ze spojonych drutów: miedzianego i konstantanowego o małej średnicy (0,2 mm). Konstantan to stop o składzie: 60%Cu + 40%Ni. Stosowanie drutów o małej średnicy zapobiega odprowadzeniu ciepła z obiektu którego temperatura jest mierzona oraz zwiększa szybkość reakcji termopary na zmiany temperatury. Dla zabezpieczenia przed uszkodzeniem złącza pomiarowe i odniesienia umieszczono w rurkach szklanych połączonych rurką z polietylenu. 121-3
Rysunek 121-2: Układ pomiarowy do cechowania termometru oporowego i termopary. 3. Łaźnia laboratoryjna Używana w ćwiczeniu łaźnia laboratoryjna typu MLL 1147 pozwala na utrzymywanie stałej temperatury kąpieli wodnej w zakresie 20 C do 100 C z dokładnością ±1,5 C. Sygnalizacja optyczna łaźni obejmuje: grzanie wody dolna czerwona lampka, osiągnięcie temperatury zadanej lampka zielona, przekroczenie temperatury zadanej gaśnie lampka zielona a zapala się górna czerwona, kontrolę ilości wody w zbiorniku świecenie się lampki żółtej wskazuje na za małą ilość wody w zbiorniku. Rysunek 121-3: Obwody elektryczne zawierające: a) przewodniki wykonane z dwóch różnych metali; b) przewodniki wykonane z trzech różnych metali;. 3 Wykonanie ćwiczenia Zestaw układ pomiarowy pokazany na rys.121-2. Złącze termopary odniesienia winno znajdować się w stałej temperaturze 0 C w otoczeniu topniejących kawałków lodu. Uwaga! W przypadku mieszaniny dużej ilości wody i małej lodu, lód pływa po powierzchni. Temperatura wody na dnie naczynia przy braku odpowiedniego mieszania może wówczas wzrosnąć do kilku stopni powyżej zera. 1. Zmierz wartości napięcia termoelektrycznego E termopary i oporności R opornika platynowego w ustalonej temperaturze początkowej (pokojowej). 2. Zwiększaj stopniowo nastawę regulatora temperatury łaźni wodnej, co 5 C, w zakresie 121-4
od temperatury otoczenia do 95 C. Po każdorazowym ustaleniu się temperatury odczytaj wskazania woltomierza i omomierza. Wyniki wpisz do tabeli 1. 4 Wyniki pomiarów Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów oraz obliczeń pomocniczych Temperatura Oporność Napięcie E/t E a (t) at + bt 2 Lp. t [ C] platyny termoelektryczne [mv/ C] [mv] R [Ω] E [mv] 5 Opracowanie wyników pomiarów 1. Wykonaj wykres R(t) dla opornika platynowego, (rys.121-4). podpis: 2. Wyznacz prostą regresji a następnie wartość i odchylenie standardowe temperaturowego współczynnika oporu platyny. 3. W oparciu o dane doświadczalne oblicz i nanieś na rys.121-5 wartości stosunku E/t dla poszczególnych temperatur. Do punktów na wykresie dopasuj w sposób graficzny linię prostą. Z wykresu określ wartości współczynnika nachylenia i rzędną początkową prostej, będące odpowiednio współczynnikami a i b wzoru (3) dla badanej termopary. 4. Wykonaj wykresy E(t) oraz E a (t) dla badanej termopary (rys.121-6). Obliczone wartości temperaturowego współczynnika oporności i jego odchylenie standardowe wynoszą α =............... σ α =................ Wyznaczone graficznie współczynniki równania (2) wynoszą a =............... b =................ 121-5
Oporność, [Ω] 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperatura, [ o C] Rysunek 121-4: Zależność oporności rezystora platynowego od temperatury. E/t, [mv/ C] 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperatura, [ o C] Rysunek 121-5: Zależność stosunku E/t od temperatury. Wnioski: Uwagi prowadzącego: 121-6
E, Ea, [mv] 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperatura, [ o C] Rysunek 121-6: Porównanie charakterystyk termopary: E doświadczalna, E a obliczona ze wzoru (3). Ocena za opracowanie wyników: ocena podpis 6 Załączniki: dodatkowe wykresy, obliczenia, ewentualna poprawa 121-7