9.1. Цель работы
Определение зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от разности температур спаев.
В замкнутой цепи (рис. 9.1), состоящей из разнородных проводников (или полупроводников) А и В, возникает электродвижущая сила (э.д.с.) Е T и течет ток, если контакты 1 и 2 этих проводников поддерживаются при различных температурах T 1 и T 2 . Эта э.д.с. называется термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с), а электрическая цепь из двух разнородных проводников называется термопарой. При изменении знака разности температур спаев изменяется направление тока термопары. Это
явление называется явлением Зеебека .
Известны три причины возникновения термо-ЭДС: образование направленного потока носителей зарядов в проводнике при наличии градиента температур, увлечение электронов фононами и изменение положения уровня Ферми в зависимости от температуры. Рассмотрим эти причины подробнее.
При наличии градиента температуры dT / dl вдоль проводника электроны на горячем его конце обладают большей кинетической энергией, а значит и большей скоростью хаотического движения по сравнению с электронами холодного конца. В результате возникает преимущественный поток электронов от горячего конца проводника к холодному, на холодном конце накапливается отрицательный, а на горячем остается некомпенсированный положительный заряд.
Накопление продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет равный поток электронов. Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в цепи создает объемную составляющую термо-э.д.с.
Помимо этого, имеющийся градиент температуры в проводнике приводит к возникновению преимущественного движения (дрейфа) фононов (квантов колебательной энергии кристаллической решетки проводника) от горячего конца к холодному. Существование такого дрейфа приводит к тому, что электроны, рассеиваемые на фононах, сами начинают совершать направленное движение от горячего конца к холодному. Накопление электронов на холодном конце проводника и обеднение электронами горячего конца приводит к возникновению фононной составляющей термо-э.д.с. Причем при низких температурах вклад этой составляющей является основным в возникновении термо-э.д.с.
В результате обоих процессов внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Напряженность этого поля можно представить в виде
E = -dφ / dl = (-dφ / dT)· (-dt / dl)=-β·(-dT / dl)
где β = dφ / dT.
Соотношение (9.1) связывает напряженность электрического поля E с градиентом температуры dT / dl. Возникающее поле и градиент температуры имеют противоположные направления, поэтому они имеют разные знаки.
Определяемое выражением (9.1) поле является полем сторонних сил. Проинтегрировав напряженность этого поля по участку цепи АВ (рис 9.1) от спая 2 до спая 1 и предполагая, что T 2 > T 1 , получим выражение для термо-э.д.с, действующей на этом участке:
(Знак изменился при изменении пределов интегрирования.) Аналогично определим термо-э.д.с., действующую на участке В от спая 1 до спая 2.
Третья причина возникновения термо-э.д.с. заключается в зависимости от температуры положения уровня Ферми, который соответствует наивысшему энергетическому уровню, занятому электронами. Уровню Ферми соответствует энергия Ферми E F , которую могут иметь электроны на этом уровне.
Энергия Ферми - максимальная энергия, которую могут иметь электроны проводимости в металле при 0 К. Уровень Ферми будет тем выше, чем больше плотность электронного газа. Например (рис.9.2), E FA - энергия Ферми для металла A, а E FB - для металла В. Значения E PA и E PB - это наибольшая потенциальная энергия электронов в металлах А и В соответственно . При контакте двух разнородных металлов А и В наличие разности уровней Ферми (E FA > E FB) приводит к возникновению перехода электронов из металла А (с более высоким уровнем) в металл В (с низким уровнем Ферми).
При этом металл А заряжается положительно, а металл В отрицательно. Появление этих зарядов вызывает смещение энергетических уровней металлов, в том числе уровней Ферми. Как только уровни Ферми выравниваются, причина, вызывающая преимущественный переход электронов из металла А в металл В, исчезает, и между металлами устанавливается динамическое равновесие. Из рис. 9.2 видно, что потенциальная энергия электрона в металле А меньше, чем в В на величину E FA - E FB . Соответственно потенциал внутри металла А выше, чем внутри В, на величину)
U AB = (E FA - E FB) / l
Это выражение дает внутреннюю контактную разность потенциалов. На такую величину убывает потенциал при переходе из металла А в металл В. Если оба спая термопары (см. рис. 9.1) находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и направлены в противоположные стороны.
В этом случае они компенсируют друг друга. Известно что уровень Ферми хоть и слабо, но зависит от температуры. Поэтому, если температура спаев 1 и 2 различна, то разность U AB (T 1) - U AB (T 2) на контактах дает свой контактный вклад в термо-э.д.с. Он может быть сравним с объемной термо-э.д.с. и равен:
E конт = U AB (T 1) - U AB (T 2) = (1/l) · { + }
Последнее выражение можно представить следующим образом:
Результирующая термо-э.д.с. (ε T) слагается из э.д.с, действующих в контактах 1 и 2 и э.д.с, действующих на участках А и В.
E T = E 2A1 + E 1B2 + E конт
Подставив в (9.7) выражения, (9.3) и (9.6) и проводя преобразования, получим
где α = β - ((1/l) ·(dE F / dT))
Величина α называется коэффициентом термо-э.д.с. Так как и β и dE F / d T зависят от температуры, то коэффициент α тоже является функцией Т.
Приняв во внимание (9.9), выражение для термо-ЭДС можно представить в виде:
Величину α AB называют дифференциальной или удельной термо-ЭДС данной пары металлов. Измеряется она в В/К и существенно зависит от природы контактирующих материалов, а также интервала температур, достигая порядка 10 -5 ÷10 -4 В/К. В небольшом интервале температур (0-100°С) удельная термо-э.д.с. слабо зависит от температуры. Тогда формулу (9.11) можно с достаточной степенью точности представить в виде:
E T = α · (T 2 - T 1)
В полупроводниках, в отличие от металлов, существует сильная зависимость концентрации носителей зарядов и их подвижности от температуры. Поэтому рассмотренные выше эффекты, приводящие к образованию термо-э.д.с, выражены в полупроводниках сильнее, удельная термо-э.д.с. значительно больше и достигает значений порядка 10 -3 В/К.
9.3. Описание лабораторной установки
Для изучения зависимости термо-э.д.с. от разности температур спаев (контактов) в настоящей работе используется термопара, изготовленная из двух отрезков проволоки, один из которых является сплавом на основе хрома (хромель), а другой сплавом на основе алюминия (алюмель). Один спай вместе с термометром помещен в сосуд с водой, температура T 2 которой может изменяться путем нагрева на электроплитке. Температура другого спая T 1 поддерживается постоянной (рис.9.3). Возникающая термо-э.д.с. измеряется цифровым вольтметром.
9.4. Методика проведения эксперимента и обработка результатов
9.4.1. Методика эксперимента
В работе используются прямые измерения возникающей в термопаре э.д.с. Температура спаев определяется по температуре воды в сосудах с помощью термометра (см. рис. 9.3)
9.4.2. Порядок выполнения работы
- Включите сетевой шнур вольтметра в сеть.
- Нажмите кнопку сеть на передней панели цифрового вольтметра. Дайте про греться прибору в течении 20 минут.
- Отпустите винт зажима на стойке термопары, поднимите ее вверх и закрепите. Налейте в оба стакана холодную воду. Отпустите спаи термопары в стаканы приблизительно на половину глубины воды.
- Запишите в табл. 9.1 значение начальной температуры T 1 спаев (воды) по термометру (для другого спая она остается постоянной в течение всего эксперимента).
- Включите электроплитку.
- Записывайте значения э.д.с. и температуры T 2 в табл. 9.1 через каждые десять градусов.
- При закипании воды выключите электроплитку и вольтметр.
9.4.3. Обработка результатов измерений
- По данным измерений постройте график зависимости э.д.с. термопары 8Т (ось ординат) от разности температур спаев ΔT = T 2 - T 1 (ось абсцисс).
- Пользуясь полученным графиком линейной зависимости Е T от ∆T, определите удельную термо-э.д.с. по формуле: α = ΔE T / Δ(ΔT)
9.5. Перечень контрольных вопросов
- В чем состоит сущность и какова природа явления Зеебека?
- Чем обусловлено возникновение объемной составляющей термо-э.д.с?
- Чем обусловлено возникновение фононной составляющей термо-э.д.с?
- Чем обусловлено возникновение контактной разности потенциалов?
- Какие устройства называются термопарами и где они применяются?
- В чем состоит сущность и какова природа явлений Пельтье и Томсона?
- Савельев И. В. Курс общей физики. Т.3. - М.: Наука, 1982. -304 c.
- Епифанов Г. И. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1977. - 288 с.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Электричество. Т.3. - М.: Наука, 1983. -688 c.
- Трофимова Т. И. Курс физики. М. : Высшая школа, 1985. - 432 с.
- Детлаф А. А., Яворский В. М. Курс физики. М. : Высшая школа, 1989. - 608 с.
Приборы для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM Sensor Lab предназначены для измерений термо-ЭДС, поступающих от первичных преобразователей термоэлектрических, измеряющих температуру жидких металлов (чугуна, стали, меди и других) и ЭДС, генерируемой датчиками активности кислорода.
Описание
Принцип действия
Подаваемые на «измерительный» вход прибора для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM2 Sensor Lab сигналы термо-ЭДС от первичного преобразователя термоэлектрического (термопары) и ЭДС от датчиков активности кислорода (мВ) преобразуются в цифровую форму и по соответствующей программе пересчитываются в значения температуры и активности кислорода. Эти сигналы воспринимаются тактами частотой до 250 c-1. Прибор имеет 4 входа: Ch0 и Ch2 - для измерений сигналов от термопар, и Ch1, Ch3 - для измерений сигналов ЭДС от датчиков активности кислорода.
В процессе измерений температуры, производится анализ изменения поступающего входного сигнала с целью определения его выхода на стабильные показания (характеризуется параметрами так называемой "температурной площадки", определяемой длиной (временем) и высотой (изменением температуры). Если за время, заданное длиной площадки, фактическое изменение температуры не превышает её заданной высоты (т.е. допускаемого изменения температуры), то площадка считается выделенной. Далее прибор для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM Sensor Lab усредняет тактовые значения температуры, измеренные на длине выделенной площадки, и выводит среднее значение как результат измерений на экран.
Аналогичным образом выделяются площадки, соответствующие выходу ЭДС на стабильные показания, размеры которых также задаются длиной (временем) и высотой (допускаемым изменением величины ЭДС).
Помимо измерений температуры ванны, прибор позволяет определять температуру ликвидус жидкой стали, которая может быть пересчитана по эмпирическому уравнению в содержание углерода. По результатам измерений ЭДС, генерируемой датчиками активности кислорода, расчётным путём определяется активность кислорода в жидкой стали, чугуне и меди, содержание углерода в стали, содержание серы и кремния в чугуне, активность FeO (FeO+MnO) в жидких металлургических шлаках и некоторые другие параметры, связанные с термическим состоянием и химическим составом жидких металлов. Прибор также имеет возможность определять уровень ванны (положение границы шлак металл) путём анализа скорости изменений температуры при погружении термопары в ванну и определения толщины слоя шлака специальными зондами.
Приборы для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM2 Sensor Lab имеют две модификации, которые отличаются наличием или отсутствием сенсорного ЖK экрана (рисунок 1). При отсутствии экрана, управление прибором производится с внешнего компьютера или с промышленного планшета. В этом случае поставляется специальное программное обеспечения для осуществления связи между ними.
Сенсорный экран находится на передней панели корпуса прибора и на нём в цифровой и графической формах отображаются ход измерений, его результаты и другая информация, касающаяся измерений. На экран также выводится меню в виде текстовых закладок, с помощью которого производится управление прибором, его диагностика и просмотр данных о выполнен-
Лист № 2 Всего листов 4
ных ранее измерениях. В модификации «без экрана» вся вышеперечисленная информация отображается на экране компьютера или промышленного планшета.
Электронные платы прибора для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM2 Sensor Lab устанавливаются в пылезащищённом стальном корпусе, выполненному по стандарту 19” для установки на монтажной стойке или крепления в щите.
Сигналы с первичных преобразователей могут передаваться на прибор двумя способами - по кабелю и по радио. В последнем случае прибор соединяется с принимающем блоком (Reciver Box) по последовательному интерфейсу, а на рукоятке погружных жезлов устанавливается передающее устройство (QUBE), которое преобразует сигналы, поступающие с датчиков, в радиосигналы, передающиеся на принимающий блок. Последний принимает их и передаёт в прибор для обработки.
Пломбирование прибора не предусмотрено.
Программное обеспечение
Инсталляция программного обеспечения (ПО) осуществляется на предприятии изготовителе. Доступ к метрологически значимой части ПО невозможен.
Конструкция СИ исключает возможность несанкционированного влияния на ПО средства измерений и измерительную информацию.
Уровень защиты встроенного ПО от непреднамеренных и преднамеренных изменений
Высокий по Р 50.2.077-2014.
Технические характеристики
Метрологические и технические характеристики приборов для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM2 Sensor Lab приведены в таблице 1. Таблица 1
* - без учета погрешности первичного преобразователя, удлиняющего кабеля и датчика ЭДС.
Знак утверждения типа
Знак утверждения типа наносится типографским способом на титульный лист эксплуатационной документации типографским способом и на лицевую панель прибора методом офсетной печати.
Комплектность
Комплектность средства измерения приведена в таблице 2. Таблица 2
Поверка
осуществляется по МП РТ 2173-2014 «Приборы для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM2 Sensor Lab. Методика поверки», утверждённой ГЦИ СИ ФБУ «Ростест-Москва» 26.10.2014г.
Основные средства поверки приведены в таблице 3. Таблица 3
Сведения о методах измерений
Сведения о методах измерений содержатся в руководстве по эксплуатации.
Нормативные и технические документы, устанавливающие требования к приборам для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM2 Sensor Lab
1 Техническая документация изготовителя Heraeus Electro-Nite GmbH & Co. KG.
2 ГОСТ Р 52931-2008 «Приборы контроля и регулирования технологических процессов. Общие технические условия».
3 ГОСТ Р 8.585-2001 «ГСП. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования».
4 ГОСТ 8.558-2009 «ГСП. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры».
при выполнении работ по оценке соответствия продукции и иных объектов обязательным требованиям в соответствии с законодательством Российской Федерации о техническом регулировании.