9.1. Målet med arbejdet
Bestemmelse af afhængigheden af et termoelements termoelektromotoriske kraft af temperaturforskellen mellem krydsene.
I et lukket kredsløb (fig. 9.1), bestående af uens ledere (eller halvledere) A og B, opstår der en elektromotorisk kraft (emf) E T, og der løber en strøm, hvis kontakterne 1 og 2 af disse ledere holdes ved forskellige temperaturer T 1 og T 2. Denne e.m.f. kaldes termoelektromotorisk kraft (termo-emf), og et elektrisk kredsløb af to forskellige ledere kaldes et termoelement. Når fortegnet for overgangstemperaturforskellen ændres, ændres retningen af termoelementstrømmen. Det her
fænomenet kaldes Seebeck-fænomenet.
Der er tre kendte årsager til forekomsten af termo-EMF: dannelsen af en rettet strøm af ladningsbærere i en leder under tilstedeværelse af en temperaturgradient, indfangning af elektroner af fononer og en ændring i positionen af Fermi-niveauet afhængig af temperatur. Lad os se på disse grunde mere detaljeret.
I nærvær af en temperaturgradient dT/dl langs lederen har elektroner i dens varme ende større kinetisk energi og derfor en større kaotisk bevægelseshastighed sammenlignet med elektroner i den kolde ende. Som et resultat opstår der en foretrukken strøm af elektroner fra den varme ende af lederen til den kolde, en negativ ladning akkumuleres i den kolde ende, og en ukompenseret positiv ladning forbliver i den varme ende.
Akkumuleringen fortsætter, indtil den resulterende potentialforskel forårsager en lige stor strøm af elektroner. Den algebraiske sum af sådanne potentielle forskelle i kredsløbet skaber den volumetriske komponent af termo-emf.
Derudover fører den eksisterende temperaturgradient i lederen til fremkomsten af en foretrukken bevægelse (drift) af fononer (kvanta af vibrationsenergi af lederens krystalgitter) fra den varme ende til den kolde ende. Eksistensen af en sådan drift fører til det faktum, at elektroner spredt af fononer selv begynder at lave en rettet bevægelse fra den varme ende til den kolde. Akkumuleringen af elektroner i den kolde ende af lederen og udtømningen af elektroner i den varme ende fører til fremkomsten af en fononkomponent af termo-emf. Desuden er bidraget fra denne komponent ved lave temperaturer det vigtigste i forekomsten af termisk emf.
Som et resultat af begge processer opstår der et elektrisk felt inde i lederen, rettet mod temperaturgradienten. Styrken af dette felt kan repræsenteres som
E = -dφ / dl = (-dφ / dT)· (-dt / dl)=-β·(-dT / dl)
hvor β = dφ / dT.
Relation (9.1) forbinder den elektriske feltstyrke E med temperaturgradienten dT/dl. Det resulterende felt og temperaturgradient har modsatte retninger, så de har forskellige fortegn.
Feltet defineret af udtryk (9.1) er feltet for ydre kræfter. Efter at have integreret styrken af dette felt over sektionen af kredsløb AB (Figur 9.1) fra junction 2 til junction 1 og antaget, at T 2 > T 1, får vi et udtryk for den termiske emf, der virker i dette afsnit:
(Tegnet ændrede sig, da integrationsgrænserne ændrede sig.) Tilsvarende bestemmer vi den termiske emf, der virker i sektion B fra junction 1 til junction 2.
Den tredje årsag til forekomsten af termo-emf. afhænger af temperaturen af Fermi-niveauets position, som svarer til det højeste energiniveau optaget af elektroner. Fermi-niveauet svarer til den Fermi-energi EF, som elektroner kan have på dette niveau.
Fermi-energi er den maksimale energi, som ledningselektroner i et metal kan have ved 0 K. Jo højere tætheden af elektrongassen er, jo højere vil Fermi-niveauet være. For eksempel (Fig. 9.2) er E FA Fermi-energien for metal A, og E FB for metal B. Værdierne af E PA og E PB er den højeste potentielle energi af elektroner i henholdsvis metaller A og B. Når to forskellige metaller A og B kommer i kontakt, fører tilstedeværelsen af en forskel i Fermi-niveauer (E FA > E FB) til forekomsten af en overgang af elektroner fra metal A (med et højere niveau) til metal B (med en lavt Fermi-niveau).
I dette tilfælde bliver metal A positivt ladet og metal B negativt. Udseendet af disse ladninger forårsager et skift i energiniveauerne af metaller, herunder Fermi-niveauer. Så snart Fermi-niveauerne er udlignet, forsvinder årsagen til den foretrukne overførsel af elektroner fra metal A til metal B, og der etableres en dynamisk ligevægt mellem metallerne. Fra Fig. 9.2 er det klart, at den potentielle energi af en elektron i metal A er mindre end i B med mængden E FA - E FB. Derfor er potentialet inde i metal A højere end inde i B med mængden)
U AB = (E FA - E FB) / l
Dette udtryk giver den interne kontaktpotentialeforskel. Potentialet falder med denne mængde under overgangen fra metal A til metal B. Hvis begge termoelementforbindelser (se fig. 9.1) har samme temperatur, så er kontaktpotentialforskellene ens og rettet i modsatte retninger.
I dette tilfælde kompenserer de hinanden. Det er kendt, at Fermi-niveauet, selvom det er svagt, afhænger af temperaturen. Derfor, hvis temperaturerne på kryds 1 og 2 er forskellige, giver forskellen U AB (T 1) - U AB (T 2) ved kontakterne sit kontaktbidrag til termo-emf. Det kan sammenlignes med volumetrisk termisk emf. og er lig med:
E kontakt = U AB (T 1) - U AB (T 2) = (1/l) · ( + )
Det sidste udtryk kan repræsenteres som følger:
Den resulterende termiske emf. (ε T) består af den emf, der virker i kontakt 1 og 2 og den emf, der virker i sektion A og B.
E T = E 2A1 + E 1B2 + E kontakt
Ved at erstatte udtryk (9.3) og (9.6) i (9.7) og udføre transformationer får vi
hvor α = β - ((1/l) (dEF / dT))
Størrelsen α kaldes termo-emk-koefficienten. Da både β og dEF/d T afhænger af temperaturen, er koefficienten α også en funktion af T.
Under hensyntagen til (9.9) kan udtrykket for termo-emf præsenteres som:
Størrelsen α AB kaldes differential eller kl effektiv termo-EMF givet par metaller. Det måles i V/K og afhænger væsentligt af arten af de kontaktmaterialer, såvel som temperaturområdet, der når omkring 10 -5 ÷10 -4 V/K. I et lille temperaturområde (0-100°C) kan den specifikke termiske emf. afhænger svagt af temperaturen. Så kan formel (9.11) repræsenteres med en tilstrækkelig grad af nøjagtighed i formen:
ET = α (T 2 - T 1)
I halvledere er der i modsætning til metaller en stærk afhængighed af koncentrationen af ladningsbærere og deres mobilitet af temperaturen. Derfor er virkningerne diskuteret ovenfor, der fører til dannelsen af termisk emf, mere udtalte i halvledere, den specifikke termiske emf. meget større og når værdier i størrelsesordenen 10 -3 V/K.
9.3. Beskrivelse af laboratorieopstillingen
At studere afhængigheden af termo-emf. om temperaturforskellen mellem krydsene (kontakterne) bruger vi i dette arbejde et termoelement lavet af to stykker tråd, hvoraf det ene er en krombaseret legering (chromel), og det andet en aluminiumsbaseret legering (alumel). Den ene forbindelse sammen med et termometer placeres i en beholder med vand, hvis temperatur T 2 kan ændres ved opvarmning på et el-komfur. Temperaturen i det andet kryds T 1 holdes konstant (fig. 9.3). Den resulterende termiske emf. målt med et digitalt voltmeter.
9.4. Eksperimentel procedure og resultatbearbejdning
9.4.1. Eksperimentel teknik
Værket bruger direkte målinger af emk genereret i termoelementet. Temperaturen på krydsene bestemmes af temperaturen på vandet i karrene ved hjælp af et termometer (se fig. 9.3)
9.4.2. Arbejdsordre
- Tilslut voltmeterets netledning.
- Tryk på tænd/sluk-knappen på frontpanelet på det digitale voltmeter. Lad enheden varme op i 20 minutter.
- Løsn klemskruen på termoelementstativet, løft den op og fastgør den. Hæld koldt vand i begge glas. Slip termoelementforbindelserne ned i glassene til cirka halvdelen af vandets dybde.
- Skriv det ned i tabellen. 9.1 værdien af starttemperaturen T 1 af overgangene (vand) i henhold til termometeret (for den anden overgang forbliver den konstant under hele forsøget).
- Tænd for den elektriske komfur.
- Registrer emf-værdierne. og temperaturer T 2 i tabel. 9,1 hver tiende grader.
- Når vandet koger, sluk for el-komfuret og voltmeteret.
9.4.3. Behandling af måleresultater
- Baseret på måledataene, konstruer en graf af emk. termoelementer 8T (ordinatakse) fra temperaturforskellen mellem overgangene ΔT = T 2 - T 1 (abscisse-akse).
- Ved hjælp af den resulterende graf over den lineære afhængighed af E T af ∆T, bestemmes den specifikke termiske emf. ifølge formlen: α = ΔE T / Δ(ΔT)
9.5. Tjekliste
- Hvad er essensen og hvad er Seebeck-fænomenets natur?
- Hvad forårsager udseendet af den volumetriske komponent af termo-emf?
- Hvad forårsager udseendet af fononkomponenten i termo-emf?
- Hvad forårsager forekomsten af en kontaktpotentialeforskel?
- Hvilke enheder kaldes termoelementer, og hvor bruges de?
- Hvad er essensen, og hvad er Peltier- og Thomson-fænomenernes natur?
- Savelyev I.V. Kursus i generel fysik. T.3. - M.: Nauka, 1982. -304 s.
- Epifanov G.I. Faststoffysik. M.: Højere skole, 1977. - 288 s.
- Sivukhin D.V. Almen kursus i fysik. Elektricitet. T.3. - M.: Nauka, 1983. -688 s.
- Trofimova T.I. Fysik kursus. M.: Højere skole, 1985. - 432 s.
- Detlaf A. A., Yavorsky V. M. Fysik kursus. M.: Højere skole, 1989. - 608 s.
Enheder til måling af temperaturen af flydende metaller og EMF af oxygenaktivitetssensorer iM Sensor Lab er designet til måling af termo-EMF, der kommer fra primære termoelektriske omformere, der måler temperaturen af flydende metaller (støbejern, stål, kobber og andre) og EMF genereret af iltaktivitetssensorer.
Beskrivelse
Driftsprincip
Termo-EMF-signaler fra den primære termoelektriske konverter (termoelement) og EMF fra oxygenaktivitetssensorer (mV), der leveres til "måle"-indgangen på enheden til måling af temperaturen af flydende metaller og EMF af oxygenaktivitetssensorer iM2 Sensor Lab konverteres til digital form og konverteres ved hjælp af det relevante program til temperatur- og iltaktivitetsværdier. Disse signaler opfattes af ure med en frekvens på op til 250 s-1. Enheden har 4 indgange: Ch0 og Ch2 - til måling af signaler fra termoelementer, og Ch1, Ch3 - til måling af EMF-signaler fra iltaktivitetssensorer.
I processen med temperaturmålinger analyseres ændringen i det indgående inputsignal for at bestemme dets output til stabile aflæsninger (kendetegnet ved parametrene for den såkaldte "temperaturplatform", bestemt af længden (tiden) og højden ( temperaturændring), hvis den faktiske temperaturændring ikke overstiger dens angivne højde (dvs. den tilladte temperaturændring), anses stedet for at være valgt til måling af temperaturen på flydende metaller og EMF af iltaktivitetssensorer gennemsnit af urtemperaturværdierne målt langs længden af det valgte sted og viser dem gennemsnitsværdier som resultat af målinger på skærmen.
På lignende måde identificeres områder, der svarer til, at EMF når stabile aflæsninger, hvis dimensioner også er specificeret ved længde (tid) og højde (tilladt ændring i EMF-værdien).
Ud over at måle badets temperatur giver enheden dig mulighed for at bestemme likvidustemperaturen for flydende stål, som kan omdannes til kulstofindhold ved hjælp af en empirisk ligning. Baseret på resultaterne af målinger af EMF genereret af oxygenaktivitetssensorer, aktiviteten af oxygen i flydende stål, støbejern og kobber, kulstofindholdet i stål, indholdet af svovl og silicium i støbejern, aktiviteten af FeO (FeO) +MnO) i flydende metallurgisk slagge og nogle andre parametre bestemmes ved beregning, relateret til den termiske tilstand og kemiske sammensætning af flydende metaller. Enheden har også evnen til at bestemme badniveauet (positionen af slagge-metal-grænsen) ved at analysere hastigheden af temperaturændringer, når et termoelement nedsænkes i badet og bestemme tykkelsen af slaggelaget med specielle sonder.
Enheder til måling af temperaturen på flydende metaller og EMF i iM2 Sensor Lab oxygenaktivitetssensorer har to modifikationer, som adskiller sig i tilstedeværelsen eller fraværet af en LCD-berøringsskærm (Figur 1). I mangel af en skærm styres enheden fra en ekstern computer eller fra en industriel tablet. I dette tilfælde leveres speciel software til at muliggøre kommunikation mellem dem.
Berøringsskærmen er placeret på enhedens frontpanel og viser målingernes fremskridt, dens resultater og anden information relateret til målinger i digital og grafisk form. En menu i form af tekstfaner vises også på skærmen, ved hjælp af hvilken enheden kan styres, diagnosticeres og ses.
Blad nr. 2 Samlet ark 4
tidligere målte mål. I modifikationen "ingen skærm" vises alle ovenstående oplysninger på skærmen på en computer eller industriel tablet.
De elektroniske tavler på enheden til måling af temperaturen på flydende metaller og EMF på iM2 Sensor Lab oxygenaktivitetssensorer er installeret i en støvtæt stålkasse, lavet i henhold til 19" standarden til installation på et monteringsstativ eller montering i en panel.
Signaler fra primære omformere kan overføres til enheden på to måder - via kabel og via radio. I sidstnævnte tilfælde er enheden forbundet til modtageenheden (Reciver Box) via et serielt interface, og en sendeenhed (QUBE) er installeret på håndtaget på de nedsænkelige stave, som omdanner signalerne fra sensorerne til radiosignaler sendes til den modtagende enhed. Sidstnævnte modtager dem og overfører dem til enheden til behandling.
Enheden er ikke forseglet.
Software
Installation af software udføres hos producenten. Adgang til en metrologisk væsentlig del af softwaren er umulig.
Måleinstrumentets design udelukker muligheden for uautoriseret påvirkning af måleinstrumentets software og måleinformation.
Niveau af firmwarebeskyttelse mod utilsigtede og tilsigtede ændringer
Høj ifølge R 50.2.077-2014.
specifikationer
Metrologiske og tekniske karakteristika for enheder til måling af temperaturen af flydende metaller og EMF af iM2 Sensor Lab oxygenaktivitetssensorer er angivet i tabel 1. Tabel 1
* - uden at tage højde for fejlen på den primære omformer, forlængerkabel og EMF-sensor.
Typegodkendelsesmærke
Typegodkendelsesmærket er trykt på forsiden af driftsdokumentationen ved udskrivning og på enhedens frontpanel ved hjælp af offsettryk.
Fuldstændighed
Det komplette sæt af måleinstrumentet er vist i tabel 2. Tabel 2
Verifikation
udført i henhold til MP RT 2173-2014 "Instrumenter til måling af temperaturen af flydende metaller og EMF af oxygenaktivitetssensorer iM2 Sensor Lab. Verifikationsmetodologi", godkendt af statens centrale inspektionscenter for den føderale budgetinstitution "Rostest-Moskva" den 26. oktober 2014.
De vigtigste metoder til verifikation er angivet i tabel 3. Tabel 3
Information om målemetoder
Oplysninger om målemetoder er indeholdt i brugsanvisningen.
Regulative og tekniske dokumenter, der fastlægger krav til instrumenter til måling af temperaturen af flydende metaller og emk af oxygenaktivitetssensorer iM2 Sensor Lab
1 Teknisk dokumentation fra producenten Heraeus Electro-Nite GmbH & Co. KG.
2 GOST R 52931-2008 "Instrumenter til overvågning og regulering af teknologiske processer. Generelle tekniske betingelser".
3 GOST R 8.585-2001 “GSP. Termoelementer. Nominelle statiske karakteristika for transformation".
4 GOST 8.558-2009 "GSP. Statens verifikationsskema for temperaturmåleinstrumenter."
når du udfører arbejde for at vurdere overensstemmelsen af produkter og andre objekter med obligatoriske krav i overensstemmelse med lovgivningen i Den Russiske Føderation om teknisk forskrift.