Vysoké UČENÍ technické V brně fakulta elektrotechniky a komunikačNÍch technologií

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ

Ústav elektrotechnologie

LABORATORNÍ CVIČENÍ Z PŘEDMĚTU

MATERIÁLY A TECHNICKÁ DOKUMENTACE

Cílem úlohy je u předložených termočlánků proměřit v předepsaném teplotním rozsahu teplotní závislosti termoelektrického napětí, stanovit citlivost jednotlivých termočlánků a spočítat konstanty náhradní matematické funkce.

U předložených termoelektrických článků proměřte závislost termoelektrického napětí na teplotě v rozsahu teplot 20 °C až 200 °C. Měření proveďte při zvyšování i snižování teploty.

Pro všechny termočlánky proveďte korekci termoelektrického napětí na nulovou srovnávací teplotu a určete konstanty A1 a A2 náhradní matematické funkce korigovaného termoelektrického napětí (viz. rovnice 7.8).

Pro všechny termočlánky vypište náhradní matematické funkce a vytiskněte (nebo nakreslete) výsledné grafické závislosti změřených a korigovaných termoelektrických napětí měřených termočlánků na teplotě Utn = F(ϑ) a Ut = F(ϑ).

Z výsledných grafických závislostí určete, který termočlánek je nejvhodnější a který nejméně vhodný pro měření v teplotním intervalu od 20 do 200 °C.

Měřené termočlánky:

1. Typ J (železo – konstantan) (100 % Fe – 45 % Ni + 55 % Cu)

2. Typ T (měď – konstantan) (100 % Cu – 45 % Ni + 55 % Cu)

3. Typ E (chromel – konstantan) (90 % Ni + 10 % Cr – 45 % Ni + 55 % Cu)

4. Typ K (chromel – alumel) (90 % Ni + 10 % Cr – 95 % Ni + 2 % Al + 2 % Mn + 1 % Si)

5. Typ N (chromel – kopel) (84,6 % Ni + 14 % Cr + 1,4 % Si – 95,6 % Ni + 4,4 % Si)
Teoretický rozbor:

Při dokonalém styku dvou různých kovů dochází k přechodu volných elektronů rozhraním. Tento přechod způsobí v blízkosti stykového místa vytvoření oblastí různých koncentrací elektronů, což vede ke vzniku dotekového rozdílu potenciálů. Velikost tohoto rozdílu potenciálů je úměrná rozdílnosti výstupních prací elektronů z kovu a poměru koncentrací volných elektronů v obou kovech. Jsou-li kovy v dané dvojici označeny symboly 1 a 2 , lze pro dotekový rozdíl potenciálů při teplotě T stykového místa psát základní vztah

v němž V (V) značí výstupní potenciály, číselně rovné výstupním pracím elektronů, vyjádřených v eV a n koncentraci volných elektronů; k je Boltzmannova konstanta, q náboj elektronu a T je absolutní teplota. Rozdíly v koncentracích elektronů nejsou u kovů příliš odlišné; proto o velikosti U12 podle (7.1) rozhoduje v podstatě rozdíl výstupních potenciálů.

Je-li dvojice kovů spojena ve dvou místech – a, b (obr. 7.1), vystavených různým teplotám, vzniká v obvodu termoelektrické napětí Ut dané součtem dotekových rozdílů potenciálů v obou místech styku. Platí-li Ta > Tb , pak po aplikaci (7.1) na případ obou stykových míst, po provedení součtu obou získaných výrazů a po úpravě plyne pro termoelektrické napětí

Při měření teplot pomocí termočlánků se spoj umístěný v měřeném prostoru o teplotě ϑM nazývá měřící, spoj umístěný v prostoru se stabilizovanou teplotou ϑS se nazývá srovnávací. Rozdíl absolutních teplot v rovnici (7.2) lze nahradit rozdílem teplot ϑM a ϑS udaných ve °C. Jestliže se s teplotou nemění poměr koncentrací n1/n2 , nebo je alespoň změna zanedbatelná, lze rovnici (7.2) přepsat do tvaru

kde A (VK-1) je konstanta pro určitou dvojici kovů.

kde ϑ (°C) je teplota měřícího spoje. Hodnoty konstant Ai jsou pro konkrétní termočlánky uvedeny v normě.

kde Ut je termoelektrické napětí vztažené k nulové teplotě srovnávacího konce a K je citlivost termočlánku (VK-1) poblíž teploty okolí ϑS, stanovená experimentálně nebo z tabulek. Lze ji také určit z měření jako směrnici přímky grafické závislosti termoelektrického napětí termočlánku na teplotě poblíž teploty okolí ϑS.

Rovnice (7.4) může být až čtrnáctého stupně a je pro praxi příliš složitá. V úzkém teplotním intervalu ji lze nahradit lineární funkcí typu nebo v širším rozsahu teplot kvadratickou závislostí.

Závislost Ut = f (ϑ) při nulové teplotě srovnávacího konce termočlánku prochází počátkem souřadnicového systému, tedy koeficient A0 v rovnici (7.4) je vždy rovný nule.