9.1. Målet med arbeidet
Bestemmelse av avhengigheten av den termoelektromotoriske kraften til et termoelement på temperaturforskjellen mellom kryssene.
I en lukket krets (fig. 9.1), som består av ulik ledere (eller halvledere) A og B, oppstår en elektromotorisk kraft (emf) E T og en strøm flyter dersom kontaktene 1 og 2 til disse lederne holdes ved forskjellige temperaturer T 1 og T 2. Denne e.m.f. kalles termoelektromotorisk kraft (termo-emf), og en elektrisk krets av to forskjellige ledere kalles et termoelement. Når tegnet på overgangstemperaturforskjellen endres, endres retningen til termoelementstrømmen. Dette
fenomenet kalles Seebeck-fenomenet.
Det er tre kjente årsaker til forekomsten av termo-EMF: dannelsen av en rettet strøm av ladningsbærere i en leder i nærvær av en temperaturgradient, innføring av elektroner av fononer og en endring i posisjonen til Fermi-nivået avhengig av temperatur. La oss se på disse årsakene mer detaljert.
I nærvær av en temperaturgradient dT / dl langs lederen, har elektroner i dens varme ende større kinetisk energi, og derfor en større hastighet på kaotisk bevegelse sammenlignet med elektroner i den kalde enden. Som et resultat oppstår en preferansestrøm av elektroner fra den varme enden av lederen til den kalde, en negativ ladning akkumuleres i den kalde enden, og en ukompensert positiv ladning forblir i den varme enden.
Akkumuleringen fortsetter til den resulterende potensialforskjellen forårsaker en lik strøm av elektroner. Den algebraiske summen av slike potensialforskjeller i kretsen skaper den volumetriske komponenten til termo-emf.
I tillegg fører den eksisterende temperaturgradienten i lederen til fremveksten av en foretrukket bevegelse (drift) av fononer (kvanter av vibrasjonsenergi til lederens krystallgitter) fra den varme enden til den kalde enden. Eksistensen av en slik drift fører til det faktum at elektroner spredt av fononer selv begynner å gjøre en rettet bevegelse fra den varme enden til den kalde. Akkumuleringen av elektroner i den kalde enden av lederen og utarmingen av elektroner i den varme enden fører til utseendet til en fononkomponent av termo-emf. Dessuten, ved lave temperaturer, er bidraget fra denne komponenten det viktigste i forekomsten av termisk emf.
Som et resultat av begge prosessene oppstår et elektrisk felt inne i lederen, rettet mot temperaturgradienten. Styrken til dette feltet kan representeres som
E = -dφ / dl = (-dφ / dT)· (-dt / dl)=-β·(-dT / dl)
hvor β = dφ / dT.
Relasjon (9.1) relaterer den elektriske feltstyrken E til temperaturgradienten dT/dl. Det resulterende feltet og temperaturgradienten har motsatte retninger, så de har forskjellige tegn.
Feltet definert av uttrykk (9.1) er feltet for ytre krefter. Etter å ha integrert styrken til dette feltet over seksjonen av krets AB (Figur 9.1) fra veikryss 2 til veikryss 1 og forutsatt at T 2 > T 1, får vi et uttrykk for den termiske emf som virker i denne delen:
(Tegnet endret seg når integrasjonsgrensene endret seg.) På samme måte bestemmer vi den termiske emf som virker i seksjon B fra veikryss 1 til veikryss 2.
Den tredje årsaken til forekomsten av termo-emf. avhenger av temperaturen på posisjonen til Fermi-nivået, som tilsvarer det høyeste energinivået okkupert av elektroner. Fermi-nivået tilsvarer Fermi-energien E F som elektroner kan ha på dette nivået.
Fermi-energi er den maksimale energien som ledningselektroner i et metall kan ha ved 0 K. Jo høyere tetthet elektrongassen har, jo høyere vil Fermi-nivået være. For eksempel (Fig. 9.2) er E FA Fermi-energien for metall A, og E FB for metall B. Verdiene til E PA og E PB er den høyeste potensielle energien til elektroner i henholdsvis metall A og B. Når to forskjellige metaller A og B kommer i kontakt, fører tilstedeværelsen av en forskjell i Fermi-nivåer (E FA > E FB) til at det oppstår en overgang av elektroner fra metall A (med et høyere nivå) til metall B (med en lavt Fermi-nivå).
I dette tilfellet blir metall A positivt ladet, og metall B negativt. Utseendet til disse ladningene forårsaker et skifte i energinivåene til metaller, inkludert Fermi-nivåer. Så snart Fermi-nivåene er utjevnet, forsvinner årsaken som forårsaker den fortrinnsvise overføringen av elektroner fra metall A til metall B, og en dynamisk likevekt etableres mellom metallene. Fra fig. 9.2 er det klart at den potensielle energien til et elektron i metall A er mindre enn i B med mengden E FA - E FB. Følgelig er potensialet inne i metall A høyere enn i B med mengden)
U AB = (E FA - E FB) / l
Dette uttrykket gir den interne kontaktpotensialforskjellen. Potensialet avtar med denne mengde under overgangen fra metall A til metall B. Hvis begge termoelementforbindelsene (se fig. 9.1) har samme temperatur, er kontaktpotensialforskjellene like og rettet i motsatte retninger.
I dette tilfellet kompenserer de hverandre. Det er kjent at Fermi-nivået, selv om det er svakt, avhenger av temperaturen. Derfor, hvis temperaturene til kryssene 1 og 2 er forskjellige, gir forskjellen U AB (T 1) - U AB (T 2) ved kontaktene sitt kontaktbidrag til termo-emf. Det kan sammenlignes med volumetrisk termisk emf. og er lik:
E-kontakt = U AB (T 1) - U AB (T 2) = (1/l) · ( + )
Det siste uttrykket kan representeres som følger:
Den resulterende termiske emf. (ε T) består av emf som virker i kontaktene 1 og 2 og emf som virker i seksjonene A og B.
E T = E 2A1 + E 1B2 + E kontakt
Ved å erstatte uttrykk, (9.3) og (9.6) i (9.7) og utføre transformasjoner, får vi
hvor α = β - ((1/l) (dE F / dT))
Mengden α kalles termo-emf-koeffisienten. Siden både β og dEF/d T avhenger av temperatur, er koeffisienten α også en funksjon av T.
Tatt i betraktning (9.9), kan uttrykket for termo-emf presenteres som:
Størrelsen α AB kalles differensial eller på effektiv termo-EMF gitt metallpar. Det måles i V/K og avhenger betydelig av naturen til kontaktmaterialene, samt temperaturområdet, og når omtrent 10 -5 ÷10 -4 V/K. I et lite temperaturområde (0-100°C) vil den spesifikke termiske emf. avhenger svakt av temperaturen. Da kan formel (9.11) representeres med tilstrekkelig grad av nøyaktighet i formen:
E T = α (T 2 - T 1)
I halvledere, i motsetning til metaller, er det en sterk avhengighet av konsentrasjonen av ladningsbærere og deres mobilitet av temperatur. Derfor er effektene diskutert ovenfor, som fører til dannelsen av termisk emf, mer uttalt i halvledere, den spesifikke termiske emf. mye større og når verdier i størrelsesorden 10 -3 V/K.
9.3. Beskrivelse av laboratorieoppsettet
For å studere avhengigheten av termo-emf. på temperaturforskjellen mellom kryssene (kontaktene), i dette arbeidet bruker vi et termoelement laget av to stykker tråd, hvorav den ene er en krombasert legering (chromel), og den andre en aluminiumsbasert legering (alumel). Det ene krysset sammen med et termometer plasseres i et kar med vann, hvis temperatur T 2 kan endres ved oppvarming på en elektrisk komfyr. Temperaturen i det andre krysset T 1 holdes konstant (fig. 9.3). Den resulterende termiske emf. målt med et digitalt voltmeter.
9.4. Eksperimentell prosedyre og resultatbehandling
9.4.1. Eksperimentell teknikk
Arbeidet bruker direkte målinger av emk generert i termoelementet. Temperaturen på knutepunktene bestemmes av temperaturen på vannet i karene ved hjelp av et termometer (se fig. 9.3)
9.4.2. Arbeidsordre
- Plugg inn strømledningen til voltmeteret.
- Trykk på strømknappen på frontpanelet til det digitale voltmeteret. La enheten varmes opp i 20 minutter.
- Løsne klemskruen på termoelementstativet, løft den opp og fest den. Hell kaldt vann i begge glassene. Slipp termoelementforbindelsene ned i glassene til omtrent halve dybden av vannet.
- Skriv det ned i tabellen. 9.1 verdien av starttemperaturen T 1 til overgangene (vann) i henhold til termometeret (for det andre krysset forblir den konstant gjennom hele forsøket).
- Slå på den elektriske komfyren.
- Registrer emf-verdiene. og temperaturer T 2 i tabellen. 9,1 hver tiende grad.
- Når vannet koker, slå av den elektriske komfyren og voltmeteret.
9.4.3. Behandling av måleresultater
- Basert på måledataene, konstruer en graf av emf. termoelementer 8T (ordinatakse) fra temperaturforskjellen mellom kryssene ΔT = T 2 - T 1 (abscisseakse).
- Ved å bruke den resulterende grafen for den lineære avhengigheten av E T av ∆T, bestemmer du den spesifikke termiske emf. i henhold til formelen: α = ΔE T / Δ(ΔT)
9.5. Sjekkliste
- Hva er essensen og hva er naturen til Seebeck-fenomenet?
- Hva forårsaker utseendet til den volumetriske komponenten til termo-emf?
- Hva forårsaker utseendet til fononkomponenten til termo-emf?
- Hva forårsaker forekomsten av en kontaktpotensialforskjell?
- Hvilke enheter kalles termoelementer og hvor brukes de?
- Hva er essensen og hva er naturen til Peltier- og Thomson-fenomenene?
- Savelyev I.V. Kurs i generell fysikk. T.3. - M.: Nauka, 1982. -304 s.
- Epifanov G.I. Faststofffysikk. M.: Høyere skole, 1977. - 288 s.
- Sivukhin D.V. Generelt kurs i fysikk. Elektrisitet. T.3. - M.: Nauka, 1983. -688 s.
- Trofimova T.I. Fysikkkurs. M.: Høyere skole, 1985. - 432 s.
- Detlaf A. A., Yavorsky V. M. Fysikkkurs. M.: Høyere skole, 1989. - 608 s.
Enheter for å måle temperaturen på flytende metaller og EMF for oksygenaktivitetssensorer iM Sensor Lab er designet for å måle termo-EMF som kommer fra primære termoelektriske omformere som måler temperaturen på flytende metaller (støpejern, stål, kobber og andre) og EMF generert av oksygenaktivitetssensorer.
Beskrivelse
Driftsprinsipp
Termo-EMF-signaler fra den primære termoelektriske omformeren (termoelement) og EMF fra oksygenaktivitetssensorer (mV) levert til "måle"-inngangen på enheten for måling av temperaturen på flytende metaller og EMF til oksygenaktivitetssensorene iM2 Sensor Lab konverteres til digital form og, ved hjelp av passende program, konverteres til temperatur- og oksygenaktivitetsverdier. Disse signalene oppfattes av klokker med en frekvens på opptil 250 s-1. Enheten har 4 innganger: Ch0 og Ch2 - for måling av signaler fra termoelementer, og Ch1, Ch3 - for måling av EMF-signaler fra oksygenaktivitetssensorer.
I prosessen med temperaturmålinger analyseres endringen i det innkommende inngangssignalet for å bestemme utgangen til stabile avlesninger (karakterisert av parametrene til den såkalte "temperaturplattformen", bestemt av lengden (tiden) og høyden ( temperaturendring) Hvis den faktiske temperaturendringen ikke overstiger dens spesifiserte høyde i løpet av den tiden som er spesifisert av plattformen (dvs. den tillatte temperaturendringen), anses stedet som valgt for måling av temperaturen på flytende metaller og EMF for oksygenaktivitetssensorer, gjennomsnitt av klokketemperaturverdiene målt langs lengden av det valgte stedet og viser dem som et resultat av målinger på skjermen.
På lignende måte identifiseres områder som tilsvarer at EMF når stabile målinger, hvis dimensjoner også er spesifisert av lengde (tid) og høyde (tillatt endring i EMF-verdien).
I tillegg til å måle badtemperaturen, lar enheten deg bestemme likvidustemperaturen til flytende stål, som kan konverteres til karboninnhold ved hjelp av en empirisk ligning. Basert på resultatene av målinger av EMF generert av oksygenaktivitetssensorer, aktiviteten til oksygen i flytende stål, støpejern og kobber, karboninnholdet i stål, innholdet av svovel og silisium i støpejern, aktiviteten til FeO (FeO) +MnO) i flytende metallurgisk slagg og noen andre parametere bestemmes ved beregning, relatert til den termiske tilstanden og den kjemiske sammensetningen av flytende metaller. Enheten har også evnen til å bestemme badnivået (posisjonen til slagg-metall-grensen) ved å analysere hastigheten på temperaturendringer når et termoelement nedsenkes i badet og bestemme tykkelsen på slagglaget med spesielle sonder.
Enheter for måling av temperaturen til flytende metaller og EMF i iM2 Sensor Lab oksygenaktivitetssensorer har to modifikasjoner, som er forskjellige i nærvær eller fravær av en LCD-berøringsskjerm (Figur 1). I mangel av skjerm styres enheten fra en ekstern datamaskin eller fra et industrinettbrett. I dette tilfellet leveres spesialprogramvare for å muliggjøre kommunikasjon mellom dem.
Berøringsskjermen er plassert på frontpanelet til enheten og viser fremdriften til målingene, resultatene og annen informasjon relatert til målinger i digital og grafisk form. En meny i form av tekstfaner vises også på skjermen, ved hjelp av hvilken enheten kan kontrolleres, diagnostiseres og ses.
Blad nr. 2 Totalt ark 4
tidligere målte mål. I modifikasjonen "ingen skjerm" vises all informasjonen ovenfor på skjermen til en datamaskin eller et industrinettbrett.
De elektroniske brettene til enheten for måling av temperaturen på flytende metaller og EMF til iM2 Sensor Lab oksygenaktivitetssensorer er installert i en støvtett stålkasse, laget i henhold til 19" standarden for installasjon på et monteringsstativ eller montering i en panel.
Signaler fra primære omformere kan overføres til enheten på to måter - via kabel og via radio. I sistnevnte tilfelle er enheten koblet til mottaksenheten (Reciver Box) via et seriell grensesnitt, og en sendeenhet (QUBE) er installert på håndtaket til de nedsenkbare stavene, som konverterer signalene som kommer fra sensorene til radiosignaler overført til mottakerenheten. Sistnevnte mottar dem og overfører dem til enheten for behandling.
Enheten er ikke forseglet.
Programvare
Installasjon av programvare utføres hos produsenten. Tilgang til en metrologisk betydelig del av programvaren er umulig.
Utformingen av måleinstrumentet utelukker muligheten for uautorisert påvirkning på programvaren til måleinstrumentet og måleinformasjon.
Nivå av fastvarebeskyttelse mot utilsiktede og tilsiktede endringer
Høy i henhold til R 50.2.077-2014.
Spesifikasjoner
Metrologiske og tekniske egenskaper for enheter for måling av temperaturen til flytende metaller og EMF til iM2 Sensor Lab oksygenaktivitetssensorer er gitt i tabell 1. Tabell 1
* - uten å ta hensyn til feilen på primæromformeren, skjøteledningen og EMF-sensoren.
Typegodkjenningsmerke
Typegodkjenningsmerket er trykt på tittelsiden til driftsdokumentasjonen ved utskrift og på frontpanelet til enheten ved bruk av offsettrykk.
Fullstendighet
Det komplette settet av måleinstrumentet er vist i tabell 2. Tabell 2
Bekreftelse
utført i henhold til MP RT 2173-2014 "Instrumenter for måling av temperaturen på flytende metaller og EMF for oksygenaktivitetssensorer iM2 Sensor Lab. Verifikasjonsmetodikk", godkjent av statens sentrale inspeksjonssenter for den føderale budsjettinstitusjonen "Rostest-Moskva" 26. oktober 2014.
Hovedmetodene for verifisering er gitt i tabell 3. Tabell 3
Informasjon om målemetoder
Informasjon om målemetoder finnes i bruksanvisningen.
Regulatoriske og tekniske dokumenter som fastsetter krav til instrumenter for måling av temperaturen på flytende metaller og emk til oksygenaktivitetssensorer iM2 Sensor Lab
1 Teknisk dokumentasjon fra produsenten Heraeus Electro-Nite GmbH & Co. KG.
2 GOST R 52931-2008 "Instrumenter for overvåking og regulering av teknologiske prosesser. Generelle tekniske forhold".
3 GOST R 8.585-2001 “GSP. Termoelementer. Nominelle statiske egenskaper ved transformasjon".
4 GOST 8.558-2009 "GSP. Statlig verifiseringsordning for temperaturmåleinstrumenter."
når du utfører arbeid for å vurdere samsvar med produkter og andre gjenstander med obligatoriske krav i samsvar med lovgivningen til den russiske føderasjonen om teknisk forskrift.