Mätning med termoelement 1. Den fysikaliska bakgrunden

Transkript

1 Mätning med termoelement 1. Den fysikaliska bakgrunden Metaller är goda elektriska ledare liksom värmeledare. Om temperturen 1 ϑ 1 längs ett stycke metall varierar, kommer även laddningstätheten i detta variera så att en emk uppträder. Det går inte att mäta en emk från ett ensamt metallstycke, eftersom mätinstrumentets verksamma delar även de innehåller metall som skulle ingå i kretsen. Man måste således studera mer komplicerade kretsar med flera metallstycken. Två olika metaller som har förenats med varandra i en punkt (kontaktställe) kallas för ett termoelement, och den emk som uppträder från dessa kallas för termoemk. Dess storlek och polaritet är olika för olika metallkombinationer, och storleken är också temperaturberoende. ntag att trådar av två olika metaller och hopfogas på det sätt som visas i figuren till höger. mk från de två termoelementen bidrar till den totala emk med olika polaritet. Den totala emk blir noll, om de båda kontaktställena har samma temperatur, dvs om ϑ1 = ϑ. Är ϑ1 ϑ blir ungefär proportionell mot ϑ1 ϑ. Proportionalitetskonstanten är olika för olika metallkombinationer. (ftersom kretsens båda anslutningar är av materialet kan nu ett mätinstrument av material anslutas utan att detta förändrar kretsen.). n praktisk mätkrets För att kunna mäta måste man koppla in ett instrument, och i allmänhet gör man det med ledningar som kanske är av en tredje metall. Då tillkommer yttterligare två kontaktställen vilket visas i figuren till höger. Under förutsättning att ϑ3 = ϑ 4, blir fortfarande bestämd enbart av skillnaden ϑ ϑ, och det är 1 proportionalitetskonstanten för metallkombinationen som gäller, oberoende av vilken metallen är. Detta resonemang kan utvidgas och gäller även för en fjärde metall, som finns t. ex. i instrumentets spole, förutsatt att dennas bägge ändpunkter har samma temperatur. 4 ϑ 4 1 ϑ 1 3 ϑ3 = ϑ4 Vid temperaturmätning är det temperaturen ϑ 1 i punkt 1 som är den sökta storheten. Punkt kallas referenspunkt, och dess temperatur, referenstemperaturen, måste vara känd (och stabil), eftersom det man mäter är temperaturskillnaden i förhållande till denna. I denna laboration använder vi termoelement av typ K, som har materialkombinationen Nir Nil. Detta element är det mest linjära av de oädla termoelementen ( 41,0 µv/ ). I tabellen på nästa sida anges sambandet mellan termoemk och temperatur ϑ, om referenspunkten ϑ RF = 0. 1

2 Tabell: Termospänning i mv för temperaturer mellan ϑ RF = 0 Termoelement typ K, Nir Nil [ ] ,00 0,03 0,07 0,11 0,15 0,19 0,3 0,7 0,31 0, ,39 0,43 0,47 0,51 0,55 0,59 0,64 0,68 0,7 0, ,80 0,83 0,87 0,91 0,95 0,99 1,03 1,07 1,1 1, ,0 1,4 1,8 1,3 1,36 1,40 1,45 1,49 1,53 1, ,61 1,65 1,69 1,73 1,77 1,81 1,86 1,90 1,94 1,98 +50,0,06,10,15,19,3,7,31,35,39 +60,44,48,5,56,60,64,69,73,77,81 +70,85,89,93,98 3,0 3,06 3,10 3,14 3,18 3,3 3. Innan mätningarna Som framgår av tabellen ovan är termoemken mycket liten, endast av storleksordningen mv. För att kunna mäta denna låga spänning använder vi en mätförstärkare med förstärkningen 500 ggr. n mv termoemk på förstärkarens ingång ger således 1 V på förstärkarens utgång. Förstärkaren finns på ett kopplingsdäck. Den har en liten potentiometer med ratt som används till att lägga till eller dra ifrån en korrektionsspänning till termoemken. Förstärkarens utgång är ansluten till en voltmeter observera att denna bara är avsedd som en grov indikator, mätvärden får Du genom att ansluta en digitalvoltmeter till förstärkarens utgång ( men glöm inte att räkna med förstärkningen 500 ggr! ). På kopplingsdäcket finns också en liten ugn, i form av en resistor som värms till c:a 50 av ett litet reglersystem. n lysdiod indikerar effekten till resistorn. Temperaturen är stabil när lysdioden lyser medelstarkt. Noggrannheten är någon grad, temperaturen varierar något längs resistorn så det bästa är därför att mäta mot samma ställe hela tiden. Labassistenten har tillgång till ett snabbt referensinstrument så att du vid behov kan kontrollera utrustningen. 4. Mätningar; termoelement med två kontaktställen nslut termoelementet med två kontaktställen till förstärkaren. Prova vilket av kontaktställena som ger positivt utslag när det värms upp mellan dina fingrar. Låt detta blir mätpunkten. Det andra kontaktstället blir referenspunkten. e assistenten om en is-tärning som temperaturreferens. nslut en digitalvoltmeter till förstärkarens utgång. Håll både referenspunkten och mätpunkten till isen. Justera ratten till förstärkaren på kopplingsdäcket så att voltmetern visar 0. (Glöm inte bort att förstärkaren har 500 ggr förstärkning). Mät nu: Uppmätt: ( ϑ RF = 0 ) [mv] [ ] (enl tabell) (is-biten) justeras = 0 0 din fingertemperatur rumstemperaturen ugnens temperatur Verkar resultatet rimligt? Svar:

3 v praktiska skäl använder man sällan smältande is som temperaturreferens annat än i laboratorier. n annan möjlig referenstemperaturkälla är en stabil mini-ugn. Du skall nu använda ugnen som referens istället för isbiten. Fäst referenspunkten på ugnen (klädnypan). Du skall fortfarande kunna använda tabellen för att direkt slå upp temperaturen. På förstärkaren finns en ratt för att lägga till/ dra ifrån en korrektionsspänning ± KORR. nslut mätpunkten till isen. Justera ratten så att voltmetern visar 0. Mät nu: Uppmätt: ( ϑ RF 50 ) [mv] [ ] (enl tabell) (is-biten) Justeras = 0 0 din fingertemperatur rumstemperaturen ugnens temperatur Får du samma värden som när du använde is som referens? Svar: 5. Modifierad mätkrets Oftast används den modifierade termoelementkrets, som visas i figuren till höger. Här har man "hoppat över" metallen i den högra delen av slingan. Om punkterna och 3 i det här fallet hålls på samma temperatur bildar de tillsammans referenspunkten, och bestäms av ϑ1 ϑ. Fortfarande spelar det ingen roll vilken metallen är. Det är konstanten för kombinationen som gäller. 3 1 ϑ 1 ftersom det är två punkter som skall hållas vid referenstemperaturen är denna mätkrets praktisk att använda när man låter omgivningstemperaturen, rumstemperaturen, vara temperaturreferens. 6. Mätningar med modifierad mätkrets Två sådana modifierade mätkretsar finns uppbyggda på en platta på labplatsen. ( De båda termoelementen har dessutom skarvats två gånger som visas i nederst i figuren. Om skarvarna utförts korrekt så blir mätkretsen ekvivalent med den enkla kretsen överst i figuren ). 3

4 nslut det ena av dessa termoelement till förstärkaren. Mät is-biten, och justera ratten så att voltmetern visar 0. Mät rumstemperatur, fingertemperatur och ungstemperatur. ϑ Skarvdosa ( Kontrollera därefter att det andra RF termoelementet uppför sig likadant ). ϑ RF = rumstemperatur ϑ nslutningsdosa ϑ Mät nu: Uppmätt: (ena termoelementet) Kontroll (andra ( ϑ RF 0 ) [mv] [ ] (enl tabell) termoelementet) (is-biten) Justeras = 0 0 din fingertemperatur rumstemperaturen ugnens temperatur Får du samma värden som tidigare? Svar: 7. Förlängningsledning och referenspunkt. ftersom referenspunkten måste ha konstant temperatur, kan man vanligen inte ha den i givarens anslutningsdosa (överst i figuren). Den måste placeras på större avstånd från mätpunkten. Vanligen fortsätter man med trådar av samma material som i termoelementet ända fram till referenspunkten. Temperaturen i dosan, ϑ 3, påverkar då inte emk. Vid användning av termoelement av ädelmetall, t ex PtRh Pt, blir tråden dyr, och det tillverkas därför speciella förlängningsledningar av billigare material, vilka har samma termoelektriska egenskaper som elementet själv vid omgivningstemperatur. ftersom förlängningsledningen har samma termoemk som själva termoelementet vid temperaturerna och ϑ 3, får ϑ 3 inte något inflytande på den totala termoemk. ϑ 3 ϑ 1 Termoelement Dosa Förlängningsledning Referenspunkt Justermotstånd Mätinstrument Det är mycket viktigt att en eventuell förlängningsledning utförs på rätt sätt så att man inte oavsiktligt flyttar referenspunkten! 4

5 8. vslöja den felaktiga förlängningsledningen! v de två termoelementen på plattan har en av dem felaktigt utförd förlängningsledning. tt sådant misstag kan inträffa om man använder ledningar utan att vara helt säker på vilka material de är gjorda av. Du skall nu avslöja vilket av termoelementen som är felaktigt. Observera att du inte kunde märka någon skillnad mellan termoelementen vid mätningarna i föregående moment! (Vid normala mätningar är det således svårt att upptäcka att något är fel). Med hjälp av kylspray skall du i tur och ordning kyla ner skruvparen i anslutningsdosan i skarvdosan och skruvparet vid referenstemperatur/skåp. Titta på indikatorn/voltmetern under tiden och sammanfatta resultatet av denna test genom att ringa in i tabellen om indikatorns utslag blev stort eller litet. Köldchock mot: Referenstemp/skåp Termoelement #1 Termoelement # Slutsats. Svar: Köldchock mot: Skarvdosa Köldchock mot: nslutningsdosa 5

6 Termoelementlab - utrustning Termotråd typ K Termoelementledning typ K Referenstemperaturugn i form av ett effektmotstånd (till vänster). Mätförstärkare 500 ggr med indikator (till höger). Som temperaturreferenser används iskuber 0, "Ugn" Temperaturreferens is c:a 50, och rumstemperaturen c:a 0. Referenstemperaturugnen består av en 18 Ohm 4W resistor. Den värms upp med en transistor (D438). n lysdiod visar när transistorn "arbetar". Limmad mot resistorns undersida sitter en temperaturgivare (LM335). Den har utspänningen 10 mv/ K, vilket ger 3,3 V vid 50. n förstärkare och en komparator (LM39) bildar ett Is. Plastpåse för infrysning av iskuber reglersystem som styr temperaturen (med pulsbreddsmodulering). Termoelementet kläms fast vid resistorn med en klädnypa av trä. När systemet ställt in sig kommer lysdioden att lysa med halv ljusstyrka. Mätförstärkare 500 ggr, Indikator. Termospänningen rör sig bara om några millivolt, och den måste därför förstärkas med en operationsförstärkare (500 ggr. 0,5V/mV). Matningspänningens mittpunkt är förstärkarens jord (med hjälp av kretsen TL46), den kan därför förstärka både positiva och negativa spänningar (i förhållande till denna jord). 6

7 n indikator visar åt vilket håll utspänningen går - siffervärden avläser man med en digitalvoltmeter. Med en potentiometer med ratt kan man justera förstärkarens 0-punkt. Kontrollinstrument Labassistenten har tillgång till ett professionellt instrument för temperturmätning med termoelement typ K. Dina mätvärden kan kontrolleras med detta. William Sandqvist 7