Vysoké UČENÍ technické V brně fakulta elektrotechniky a komunikačNÍch technologií

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ Ústav elektrotechnologie
LABORATORNÍ CVIČENÍ Z PŘEDMĚTU MATERIÁLY A TECHNICKÁ DOKUMENTACE
Číslo úlohy: 7
Název úlohy: Měření termoelektrického napětí kovů
pomocí měřící ústředny HP 34970A
Měřeno dne:
16.11.2006
|
Atmosférický tlak:
1044 hPa
|
Teplota okolí:
22,5°C
|
Relativní vlhkost:
68%
|
Odevzdáno dne:
30.11.2006
|
Jméno a příjmení:
Lukáš Kos
|
Ročník, stud. skupina:
I. B1B/15
|
Kontrola:
|
Spolupracovali:
Petr Kořistka, Jakub Kotyza
|
Cíl úlohy:
Cílem úlohy je u předložených termočlánků proměřit v předepsaném teplotním rozsahu teplotní závislosti termoelektrického napětí, stanovit citlivost jednotlivých termočlánků a spočítat konstanty náhradní matematické funkce.
Zadání úlohy:
U předložených termoelektrických článků proměřte závislost termoelektrického napětí na teplotě v rozsahu teplot 20 °C až 200 °C. Měření proveďte při zvyšování i snižování teploty.
Pro všechny termočlánky proveďte korekci termoelektrického napětí na nulovou srovnávací teplotu a určete konstanty A1 a A2 náhradní matematické funkce korigovaného termoelektrického napětí (viz. rovnice 7.8).
Pro všechny termočlánky vypište náhradní matematické funkce a vytiskněte (nebo nakreslete) výsledné grafické závislosti změřených a korigovaných termoelektrických napětí měřených termočlánků na teplotě Utn = F(ϑ) a Ut = F(ϑ).
Z výsledných grafických závislostí určete, který termočlánek je nejvhodnější a který nejméně vhodný pro měření v teplotním intervalu od 20 do 200 °C.
Měřené termočlánky:
1. Typ J (železo – konstantan) (100 % Fe – 45 % Ni + 55 % Cu)
2. Typ T (měď – konstantan) (100 % Cu – 45 % Ni + 55 % Cu)
3. Typ E (chromel – konstantan) (90 % Ni + 10 % Cr – 45 % Ni + 55 % Cu)
4. Typ K (chromel – alumel) (90 % Ni + 10 % Cr – 95 % Ni + 2 % Al + 2 % Mn + 1 % Si)
5. Typ N (chromel – kopel) (84,6 % Ni + 14 % Cr + 1,4 % Si – 95,6 % Ni + 4,4 % Si)
Teoretický rozbor:
Při dokonalém styku dvou různých kovů dochází k přechodu volných elektronů rozhraním. Tento přechod způsobí v blízkosti stykového místa vytvoření oblastí různých koncentrací elektronů, což vede ke vzniku dotekového rozdílu potenciálů. Velikost tohoto rozdílu potenciálů je úměrná rozdílnosti výstupních prací elektronů z kovu a poměru koncentrací volných elektronů v obou kovech. Jsou-li kovy v dané dvojici označeny symboly 1 a 2 , lze pro dotekový rozdíl potenciálů při teplotě T stykového místa psát základní vztah
v němž V (V) značí výstupní potenciály, číselně rovné výstupním pracím elektronů, vyjádřených v eV a n koncentraci volných elektronů; k je Boltzmannova konstanta, q náboj elektronu a T je absolutní teplota. Rozdíly v koncentracích elektronů nejsou u kovů příliš odlišné; proto o velikosti U12 podle (7.1) rozhoduje v podstatě rozdíl výstupních potenciálů.
Je-li dvojice kovů spojena ve dvou místech – a, b (obr. 7.1), vystavených různým teplotám, vzniká v obvodu termoelektrické napětí Ut dané součtem dotekových rozdílů potenciálů v obou místech styku. Platí-li Ta > Tb , pak po aplikaci (7.1) na případ obou stykových míst, po provedení součtu obou získaných výrazů a po úpravě plyne pro termoelektrické napětí
Při měření teplot pomocí termočlánků se spoj umístěný v měřeném prostoru o teplotě ϑM nazývá měřící, spoj umístěný v prostoru se stabilizovanou teplotou ϑS se nazývá srovnávací. Rozdíl absolutních teplot v rovnici (7.2) lze nahradit rozdílem teplot ϑM a ϑS udaných ve °C. Jestliže se s teplotou nemění poměr koncentrací n1/n2 , nebo je alespoň změna zanedbatelná, lze rovnici (7.2) přepsat do tvaru
kde A (VK-1) je konstanta pro určitou dvojici kovů.
kde ϑ (°C) je teplota měřícího spoje. Hodnoty konstant Ai jsou pro konkrétní termočlánky uvedeny v normě.
Pro konstantní teplotu srovnávacího spoje (konce) termočlánku jsou citovanou normou doporučeny hodnoty 0, 20 a 50 °C. Srovnávací konce lze též (při menších nárocích na přesnost měření) udržovat na teplotě okolí, pokud se po dobu měření nemění. Pro výpočet náhradní matematické funkce podle rovnice (7.4) je nutno naměřené hodnoty termoelektrického napětí Utn , zjištěné při nenulové teplotě okolí ϑS , přepočítat podle vztahu
kde Ut je termoelektrické napětí vztažené k nulové teplotě srovnávacího konce a K je citlivost termočlánku (VK-1) poblíž teploty okolí ϑS, stanovená experimentálně nebo z tabulek. Lze ji také určit z měření jako směrnici přímky grafické závislosti termoelektrického napětí termočlánku na teplotě poblíž teploty okolí ϑS.
Rovnice (7.4) může být až čtrnáctého stupně a je pro praxi příliš složitá. V úzkém teplotním intervalu ji lze nahradit lineární funkcí typu nebo v širším rozsahu teplot kvadratickou závislostí.
Závislost Ut = f (ϑ) při nulové teplotě srovnávacího konce termočlánku prochází počátkem souřadnicového systému, tedy koeficient A0 v rovnici (7.4) je vždy rovný nule.
|