9.1. Tujuan kerja
Penentuan pergantungan daya thermoelectromotive termokopel pada perbezaan suhu antara simpang.
Dalam litar tertutup (Rajah 9.1), yang terdiri daripada konduktor yang tidak serupa (atau semikonduktor) A dan B, daya gerak elektrik (emf) E T timbul dan arus mengalir jika sesentuh 1 dan 2 daripada konduktor ini dikekalkan pada suhu yang berbeza T 1 dan T 2. e.m.f ini. dipanggil daya thermoelectromotive (thermo-emf), dan litar elektrik dua konduktor yang berbeza dipanggil termokopel. Apabila tanda perbezaan suhu simpang berubah, arah arus termokopel berubah. ini
fenomena itu dipanggil fenomena Seebeck.
Terdapat tiga sebab yang diketahui untuk berlakunya termo-EMF: pembentukan aliran terarah pembawa cas dalam konduktor dengan kehadiran kecerunan suhu, pemerangkapan elektron oleh fonon, dan perubahan dalam kedudukan aras Fermi bergantung pada suhu. Mari kita lihat sebab-sebab ini dengan lebih terperinci.
Dengan adanya kecerunan suhu dT / dl sepanjang konduktor, elektron pada hujung panasnya mempunyai tenaga kinetik yang lebih besar, dan oleh itu kelajuan pergerakan huru-hara yang lebih besar berbanding elektron pada hujung sejuk. Akibatnya, aliran elektron keutamaan berlaku dari hujung panas konduktor kepada yang sejuk, cas negatif terkumpul pada hujung sejuk, dan cas positif yang tidak berkompensasi kekal di hujung panas.
Pengumpulan berterusan sehingga beza keupayaan yang terhasil menyebabkan aliran elektron yang sama. Jumlah algebra bagi beza keupayaan sedemikian dalam litar mencipta komponen isipadu termo-emf.
Di samping itu, kecerunan suhu sedia ada dalam konduktor membawa kepada kemunculan pergerakan keutamaan (hanyut) fonon (kuanta tenaga getaran kekisi kristal konduktor) dari hujung panas ke hujung sejuk. Kewujudan drift sedemikian membawa kepada fakta bahawa elektron yang bertaburan oleh fonon sendiri mula membuat pergerakan terarah dari hujung panas ke yang sejuk. Pengumpulan elektron pada hujung sejuk konduktor dan penyusutan elektron pada hujung panas membawa kepada penampilan komponen fonon termo-emf. Selain itu, pada suhu rendah, sumbangan komponen ini adalah yang utama dalam kejadian emf haba.
Hasil daripada kedua-dua proses, medan elektrik muncul di dalam konduktor, diarahkan ke arah kecerunan suhu. Kekuatan bidang ini boleh diwakili sebagai
E = -dφ / dl = (-dφ / dT)· (-dt / dl)=-β·(-dT / dl)
di mana β = dφ / dT.
Hubungan (9.1) menghubungkan kekuatan medan elektrik E dengan kecerunan suhu dT / dl. Medan dan kecerunan suhu yang terhasil mempunyai arah yang bertentangan, jadi mereka mempunyai tanda yang berbeza.
Medan yang ditakrifkan oleh ungkapan (9.1) ialah medan kuasa luar. Setelah menyepadukan kekuatan medan ini ke atas bahagian litar AB (Rajah 9.1) dari simpang 2 ke simpang 1 dan mengandaikan bahawa T 2 > T 1, kami memperoleh ungkapan untuk emf haba yang bertindak dalam bahagian ini:
(Tanda berubah apabila had penyepaduan berubah.) Begitu juga, kami menentukan emf terma yang bertindak dalam bahagian B dari simpang 1 hingga simpang 2.
Sebab ketiga berlakunya termo-emf. bergantung pada suhu kedudukan tahap Fermi, yang sepadan dengan tahap tenaga tertinggi yang diduduki oleh elektron. Tahap Fermi sepadan dengan tenaga Fermi E F yang boleh dimiliki oleh elektron pada tahap ini.
Tenaga Fermi ialah tenaga maksimum yang boleh dimiliki oleh elektron pengaliran dalam logam pada 0 K. Semakin tinggi ketumpatan gas elektron, semakin tinggi tahap Fermi. Contohnya (Rajah 9.2), E FA ialah tenaga Fermi untuk logam A, dan E FB untuk logam B. Nilai E PA dan E PB masing-masing ialah tenaga potensi tertinggi bagi elektron dalam logam A dan B. Apabila dua logam A dan B yang tidak serupa bersentuhan, kehadiran perbezaan dalam aras Fermi (E FA > E FB) membawa kepada berlakunya peralihan elektron daripada logam A (dengan aras yang lebih tinggi) kepada logam B (dengan tahap Fermi rendah).
Dalam kes ini, logam A menjadi bercas positif, dan logam B negatif. Kemunculan cas ini menyebabkan perubahan dalam tahap tenaga logam, termasuk tahap Fermi. Sebaik sahaja tahap Fermi disamakan, sebab yang menyebabkan pemindahan keutamaan elektron daripada logam A ke logam B hilang, dan keseimbangan dinamik diwujudkan antara logam. Daripada Rajah. 9.2 adalah jelas bahawa tenaga keupayaan elektron dalam logam A adalah kurang daripada dalam B dengan jumlah E FA - E FB. Oleh itu, potensi di dalam logam A adalah lebih tinggi daripada di dalam B mengikut jumlah)
U AB = (E FA - E FB) / l
Ungkapan ini memberikan perbezaan potensi sentuhan dalaman. Potensi berkurangan dengan jumlah ini semasa peralihan daripada logam A kepada logam B. Jika kedua-dua simpang termokopel (lihat Rajah 9.1) berada pada suhu yang sama, maka beza keupayaan sentuhan adalah sama dan diarahkan ke arah yang bertentangan.
Dalam kes ini, mereka saling memberi pampasan. Adalah diketahui bahawa tahap Fermi, walaupun lemah, bergantung pada suhu. Oleh itu, jika suhu simpang 1 dan 2 adalah berbeza, maka perbezaan U AB (T 1) - U AB (T 2) pada sesentuh menjadikan sumbangan sentuhannya kepada termo-emf. Ia boleh dibandingkan dengan emf terma isipadu. dan sama dengan:
E kenalan = U AB (T 1) - U AB (T 2) = (1/l) · ( + )
Ungkapan terakhir boleh diwakili seperti berikut:
Emf haba yang terhasil. (ε T) terdiri daripada emf yang bertindak dalam sesentuh 1 dan 2 dan emf bertindak dalam bahagian A dan B.
E T = E 2A1 + E 1B2 + E kenalan
Menggantikan ungkapan, (9.3) dan (9.6) kepada (9.7) dan menjalankan transformasi, kita memperoleh
di mana α = β - ((1/l) (dE F / dT))
Kuantiti α dipanggil pekali termo-emf. Oleh kerana kedua-dua β dan dE F / d T bergantung pada suhu, pekali α juga merupakan fungsi T.
Dengan mengambil kira (9.9), ungkapan untuk termo-emf boleh dibentangkan sebagai:
Kuantiti α AB dipanggil pembezaan atau di termo-EMF yang berkesan pasangan logam yang diberikan. Ia diukur dalam V/K dan amat bergantung pada sifat bahan yang bersentuhan, serta julat suhu, mencapai kira-kira 10 -5 ÷10 -4 V/K. Dalam julat suhu yang kecil (0-100°C), emf haba khusus. lemah bergantung pada suhu. Kemudian formula (9.11) boleh diwakili dengan tahap ketepatan yang mencukupi dalam bentuk:
E T = α (T 2 - T 1)
Dalam semikonduktor, tidak seperti logam, terdapat pergantungan yang kuat terhadap kepekatan pembawa cas dan mobilitinya pada suhu. Oleh itu, kesan yang dibincangkan di atas, yang membawa kepada pembentukan emf haba, lebih ketara dalam semikonduktor, emf terma khusus. jauh lebih besar dan mencapai nilai urutan 10 -3 V/K.
9.3. Penerangan mengenai persediaan makmal
Untuk mengkaji pergantungan termo-emf. pada perbezaan suhu persimpangan (kenalan), dalam kerja ini kami menggunakan termokopel yang diperbuat daripada dua keping dawai, salah satunya adalah aloi berasaskan kromium (chromel), dan satu lagi aloi berasaskan aluminium (alumel) . Satu simpang bersama termometer diletakkan di dalam bekas berisi air, suhu T 2 daripadanya boleh diubah dengan memanaskan dapur elektrik. Suhu simpang T 1 yang lain dikekalkan malar (Rajah 9.3). Emf haba yang terhasil. diukur dengan voltmeter digital.
9.4. Prosedur eksperimen dan pemprosesan keputusan
9.4.1. Teknik eksperimen
Kerja ini menggunakan pengukuran langsung bagi emf yang dijana dalam termokopel. Suhu simpang ditentukan oleh suhu air di dalam bekas menggunakan termometer (lihat Rajah 9.3)
9.4.2. Perintah kerja
- Palamkan kord kuasa voltmeter.
- Tekan butang kuasa pada panel hadapan voltmeter digital. Biarkan peranti panas selama 20 minit.
- Longgarkan skru pengapit pada dirian termokopel, angkat dan kencangkan. Tuangkan air sejuk ke dalam kedua-dua gelas. Jatuhkan simpang termokopel ke dalam gelas sehingga lebih kurang separuh kedalaman air.
- Tulis dalam jadual. 9.1 nilai suhu awal T 1 simpang (air) mengikut termometer (untuk simpang lain ia kekal malar sepanjang eksperimen).
- Hidupkan dapur elektrik.
- Catatkan nilai emf. dan suhu T 2 dalam jadual. 9.1 setiap sepuluh darjah.
- Apabila air mendidih, matikan dapur elektrik dan voltmeter.
9.4.3. Pemprosesan hasil pengukuran
- Berdasarkan data ukuran, bina graf bagi emf. termokopel 8T (paksi ordinat) daripada perbezaan suhu antara simpang ΔT = T 2 - T 1 (paksi absis).
- Dengan menggunakan graf kebergantungan linear E T pada ∆T, tentukan emf terma tertentu. mengikut formula: α = ΔE T / Δ(ΔT)
9.5. Senarai semak
- Apakah intipati dan apakah sifat fenomena Seebeck?
- Apakah yang menyebabkan kemunculan komponen isipadu termo-emf?
- Apakah yang menyebabkan kemunculan komponen fonon termo-emf?
- Apakah yang menyebabkan berlakunya perbezaan potensi sentuhan?
- Apakah peranti yang dipanggil termokopel dan di mana ia digunakan?
- Apakah intipati dan apakah sifat fenomena Peltier dan Thomson?
- Savelyev I.V. Kursus fizik am. T.3. - M.: Nauka, 1982. -304 hlm.
- Epifanov G.I. Fizik Keadaan Pepejal. M.: Sekolah Tinggi, 1977. - 288 hlm.
- Sivukhin D.V. Kursus am dalam fizik. Elektrik. T.3. - M.: Nauka, 1983. -688 hlm.
- Kursus Fizik Trofimova T.I. M.: Sekolah Tinggi, 1985. - 432 p.
- Detlaf A. A., Yavorsky V. M. kursus Fizik. M.: Sekolah Tinggi, 1989. - 608 p.
Peranti untuk mengukur suhu logam cecair dan EMF penderia aktiviti oksigen iM Sensor Lab direka untuk mengukur termo-EMF yang datang daripada penukar termoelektrik utama yang mengukur suhu logam cecair (besi tuang, keluli, kuprum dan lain-lain) dan EMF yang dihasilkan oleh penderia aktiviti oksigen.
Penerangan
Prinsip operasi
Isyarat Thermo-EMF daripada penukar termoelektrik utama (termokopel) dan EMF daripada penderia aktiviti oksigen (mV) yang dibekalkan kepada input "mengukur" peranti untuk mengukur suhu logam cecair dan EMF penderia aktiviti oksigen iM2 Sensor Lab ditukar menjadi bentuk digital dan, menggunakan atur cara yang sesuai, ditukarkan kepada nilai aktiviti suhu dan oksigen. Isyarat ini dilihat oleh jam dengan frekuensi sehingga 250 s-1. Peranti ini mempunyai 4 input: Ch0 dan Ch2 - untuk mengukur isyarat daripada termokopel, dan Ch1, Ch3 - untuk mengukur isyarat EMF daripada penderia aktiviti oksigen.
Dalam proses pengukuran suhu, perubahan dalam isyarat input masuk dianalisis untuk menentukan outputnya kepada bacaan yang stabil (dicirikan oleh parameter yang dipanggil "platform suhu", ditentukan oleh panjang (masa) dan ketinggian ( perubahan suhu). Jika dalam masa yang ditentukan oleh panjang platform, perubahan suhu sebenar tidak melebihi ketinggian yang ditentukan (iaitu, perubahan suhu yang dibenarkan), maka tapak tersebut dianggap dipilih untuk mengukur suhu logam cecair dan penderia aktiviti oksigen EMF purata nilai suhu jam yang diukur sepanjang tapak yang dipilih dan memaparkan nilai purata sebagai hasil pengukuran pada skrin.
Dengan cara yang sama, kawasan dikenal pasti yang sepadan dengan EMF mencapai bacaan stabil, dimensi yang juga ditentukan oleh panjang (masa) dan ketinggian (perubahan yang dibenarkan dalam nilai EMF).
Selain mengukur suhu mandi, peranti ini membolehkan anda menentukan suhu cecair keluli cecair, yang boleh dikira semula menggunakan persamaan empirikal ke dalam kandungan karbon. Berdasarkan hasil pengukuran EMF yang dihasilkan oleh sensor aktiviti oksigen, aktiviti oksigen dalam keluli cecair, besi tuang dan kuprum, kandungan karbon dalam keluli, kandungan sulfur dan silikon dalam besi tuang, aktiviti FeO (FeO +MnO) dalam sanga metalurgi cecair dan beberapa parameter lain ditentukan dengan pengiraan, berkaitan dengan keadaan terma dan komposisi kimia logam cecair. Peranti ini juga mempunyai keupayaan untuk menentukan tahap mandian (kedudukan sempadan sanga-logam) dengan menganalisis kadar perubahan suhu apabila termokopel direndam dalam tab mandi dan menentukan ketebalan lapisan sanga dengan probe khas.
Peranti untuk mengukur suhu logam cecair dan penderia aktiviti oksigen Makmal Penderia iM2 mempunyai dua pengubahsuaian, yang berbeza dengan kehadiran atau ketiadaan skrin sentuh LCD (Rajah 1). Jika tiada skrin, peranti dikawal daripada komputer luaran atau daripada tablet industri. Dalam kes ini, perisian khas dibekalkan untuk membolehkan komunikasi antara mereka.
Skrin sentuh terletak pada panel hadapan peranti dan memaparkan kemajuan pengukuran, keputusannya dan maklumat lain yang berkaitan dengan pengukuran dalam bentuk digital dan grafik. Menu dalam bentuk tab teks juga dipaparkan pada skrin, dengan bantuan peranti dikawal, didiagnosis dan dilihat
Helaian No. 2 Jumlah helaian 4
ukuran yang diukur sebelumnya. Dalam pengubahsuaian "tiada skrin", semua maklumat di atas dipaparkan pada skrin komputer atau tablet industri.
Papan elektronik peranti untuk mengukur suhu logam cecair dan EMF pengesan aktiviti oksigen Makmal Penderia iM2 dipasang dalam bekas keluli kalis habuk, dibuat mengikut piawaian 19” untuk pemasangan pada rak pelekap atau pelekap dalam panel.
Isyarat daripada penukar utama boleh dihantar ke peranti dalam dua cara - melalui kabel dan melalui radio. Dalam kes kedua, peranti disambungkan kepada unit penerima (Kotak Penerima) melalui antara muka bersiri, dan peranti pemancar (QUBE) dipasang pada pemegang tongkat tenggelam, yang menukar isyarat yang datang daripada penderia kepada isyarat radio dihantar ke unit penerima. Yang terakhir menerimanya dan memindahkannya ke peranti untuk diproses.
Peranti tidak dimeteraikan.
Perisian
Pemasangan perisian dijalankan di pengilang. Akses kepada bahagian metrologi penting perisian adalah mustahil.
Reka bentuk alat pengukur mengecualikan kemungkinan pengaruh yang tidak dibenarkan pada perisian alat pengukur dan maklumat pengukuran.
Tahap perlindungan perisian tegar terhadap perubahan yang tidak disengajakan dan disengajakan
Tinggi mengikut R 50.2.077-2014.
Spesifikasi
Ciri-ciri metrologi dan teknikal peranti untuk mengukur suhu logam cecair dan EMF Sensor iM2 Sensor aktiviti oksigen Makmal diberikan dalam Jadual 1. Jadual 1
* - tanpa mengambil kira ralat penukar utama, kabel sambungan dan sensor EMF.
Taip tanda kelulusan
Tanda kelulusan jenis dicetak pada halaman tajuk dokumentasi operasi dengan mencetak dan pada panel hadapan peranti menggunakan percetakan mengimbangi.
kesempurnaan
Set lengkap alat pengukur ditunjukkan dalam Jadual 2. Jadual 2
Pengesahan
dijalankan mengikut MP RT 2173-2014 “Instrumen untuk mengukur suhu logam cecair dan EMF pengesan aktiviti oksigen iM2 Sensor Lab. Metodologi pengesahan", yang diluluskan oleh Pusat Pemeriksaan Pusat Negeri bagi Institusi Belanjawan Persekutuan "Rostest-Moscow" pada 26 Oktober 2014.
Cara utama pengesahan diberikan dalam Jadual 3. Jadual 3
Maklumat tentang kaedah pengukuran
Maklumat tentang kaedah pengukuran terkandung dalam manual arahan.
Dokumen kawal selia dan teknikal yang menetapkan keperluan untuk instrumen untuk mengukur suhu logam cecair dan emf penderia aktiviti oksigen iM2 Sensor Lab
1 Dokumentasi teknikal daripada pengilang Heraeus Electro-Nite GmbH & Co. KG.
2 GOST R 52931-2008 “Instrumen untuk memantau dan mengawal selia proses teknologi. Keadaan teknikal am".
3 GOST R 8.585-2001 “GSP. Termokopel. Ciri-ciri statik nominal transformasi".
4 GOST 8.558-2009 “GSP. Skim pengesahan nyata untuk alat pengukur suhu.”
semasa menjalankan kerja untuk menilai kepatuhan produk dan objek lain dengan keperluan mandatori mengikut undang-undang Persekutuan Rusia mengenai peraturan teknikal.