Lucrarea 3STUDIUL EFECTULUI TERMOELECTRIC. TERMOCUPLU

1. Scopul lucrǎriiLucrarea are drept scop studiul efectului Seebeck precum și modul de etalonare a unui termocuplu.

2. Consideratii teoretice Efectul termoelectric, descoperit de Seebeck in 1823, consta in aparitia unei tensiuni intr-un circuit format din doua metale diferite (1 și 2) ale caror jonctiuni nu au aceeasi temperatura (T 1 și T2) (fig.1). Tensiunea electromotoare din circuit se numeste tensiune termoelectrica si se anuleaza in momentul egalarii temperaturilor (T1 =T2).

Figura 1. Generarea tensiunii termoelectrice prin aplicarea unei diferente de temperatura unui dispozitiv cu 2 metale diferite.

Efectul Seebeck constă deci, în apariția unei tensiuni electromotoare (termoelectrică) într-un circuit format din două materiale diferite, ale căror contacte (suduri) sunt menținute la temperaturi diferite. Tensiunea termoelectromotoare (Seebeck) depinde de natura conductoarelor și de diferența de temperatură între cele două suduri.

E=α(T1-T2) unde α reprezintă coeficientul Seebeck. Acest coeficient depinde de temperatură şi caracterizează perechea de materiale care alcătuiesc termocuplul.Pentru  metalele simple, aflate la temperatura camerei, α este de câțiva microvolți/ ͦ C, astfel încât la o diferență de temperatură între suduri de 100 ͦ C, se obține o tensiune termoelectromotoare de ordinul milivolților.In tabelul de mai jos prezentam valoarea tensiunii termoelectromotoare (t.t.e.m.) E, in milivolti, pentru diverse materiale fata de platina (Pt) atunci cand o jonctiune este mentinuta la 0 oC si cealalta la 100 oC.

Metal Ag Bi Cu Co Fe Ge Mo Ni Pb Sb SiE(mV) 0,74 -7,34 0,76 -1,33 1,98 33,9 1,45 -1,48 0,44 4,89 -41,5

Efectul Seebeck are aplicații la confecționarea termocuplelor - dispozitive folosite la măsurarea temperaturilor.Termocuplul se compune din doua fire din metale diferite, numite termoelectrozi, sudate la un capat 1. Capatul sudat se numeste sudura calda, iar celelalte capete 2 si 3, numite capete libere ale termocuplului, se leaga prin conductoarele de legatura c la aparatul electric pentru masurarea fortei termoelectromotoare. Legaturile dintre capetele libere si conductoarele de legatura constituie sudura rece. Temperatura sudurilor reci trebuie mentinuta la o valoare constanta.

1

Fig.2. Sistem de măsură cu termocuplu

Deoarece termoelectrozii au o lungime maxima de 200 cm, din care 2/3 intra in cuptorul in care se masoara temperatura, sudura rece se va gasi totdeauna in apropierea cuptorului. Acesta fiind la temperatura ridicata, degaja caldura si creeaza in jurul lui o temperatura mai ridicata decat a camerei si variabila in timp. Din acest motiv, cat si pentru ca este incomod sa se realizeze sudura rece in imediata apropiere a cuptorului, s-a cautat sa se deplaseze sudura rece in alta parte, unde se poate mentine o temperatura constanta. Rezolvarea problemei a fost prelungirea termoelectrozilor cu alte conductoare de aceeasi natura, in general chiar din acelasi material. In felul acesta la contactul dintre conductoarele de prelungire si firele termocuplului nu se formeaza un termocuplu, deci nu ia nastere forta termoelectromotoare. Aceste fire se numesc cabluri de compensare si sunt complet separate de termocuplu, legatura executandu-se numai la montarea termocuplului. Cablul de compensare are rolul de a muta sudura rece din apropierea cuptorului intr-un loc cu temperatura constanta. Sudura rece se va forma acum la legatura dintre cablul de compensare si cablul de legatura. Termocuplurile se executa din diferite metale sau aliaje (Tabelul 1).

Tabelul 1

Valoarea tensiunii termoelectromotoare a diferitelor termocupluri depinde atat de materialul din care sunt executati termoelectrozii, cat si de temperatura sudurilor calde si reci.Dacă temperatura sudurii reci și este menținută constantă (de obicei prin introducerea ei într-un amestec de apă cu gheață), tensiunea termoelectromotoare va fi funcție numai de temperatura sudurii calde.                                     E=f(T)Dacă se măsoară experimental valorile tensiunii E la diferite temperaturi și se reprezintă într-un sistem de axe perechile de valori (Ei, Ti), se obține o curbă numită curbă de etalonare a termocuplului.

2

3. Partea experimentala Instalatia experimentala consta din sudurile A si B ale celor doua metale, sursa de incalzire si un milivoltmetru pentru masurarea tensiunii termoelectromotoare. Sudura B este mentinuta la temperatura constanta (0 oC intr-un pahar cu apa si gheata), iar sudura A este introdusa intr-un vas cu apa care va fi incalzita, temperatura masurandu-se cu termometrul.

Figura 2. Instalatia experimentala ce cuprinde sudura "calda" A, din vasul cu apa incalzita de un resou (cuptor), sudura "rece" B mentinuta la temperatura constanta (ex. apa cu gheata, 0oC),

termometrul si milivoltmetrul.

Modul de lucru 1. Se introduce sudura A in vasul cu apa care va fi incalzit, iar sudura B in vasul cu apa si

gheata. 2. Se leaga capetele libere ale termocuplului la bornele instrumentului de masura. 3. Se conecteaza incalzitorul la sursa de putere. 4. Se masoara tensiunea termoelectromotoare din 10 in 10 oC atât la încălzire cât și la răcire. 5. Temperatura se citeste pe termometru.

4. Prelucrarea datelor experimentale 1. Valorile obtinute experimental se trec in tabelul 2. 2. Se reprezinta grafic tensiunea termoelectrica in functie de diferenta de temperatura dintre

cele doua jonctiuni, E = f(TA – TB) (daca in vasul B nu este gheata, se citeste temperatura corespunzatoare). E=1/2(E1+E2)

3. Se calculeaza coeficientul Seebeck sau coeficientul de temperatura al tensiunii termoelectromotoare.

4. Se va tine cont de relația: 5. Presupunând că termocuplu are caracteristica liniară pe intervalul 50 ... 100 C să se

determine sensibilitatea medie in acest interval.

3

Tabelul 2Temperatura E1

încălzireE2

răcireE T α

0C mV mV mV 0K µV/0K50 24 2060 28 2470 33 2880 38 3390 42 37100 47 43110 52 47120 56 52130 61 56140 65 60150 69 64160 74 68170 78 72180 81 76190 85 79200 88 85210 93 88220 98 92230 100 95240 104 100250 109 103260 112 107270 116 113280 119 116290 123 120300 127 125

5. Circuit electronic pentru termocuplu

4

Un amplificator operational de precizie preia diferential semnalul de la termocuplu si de la o punte in care se afla o dioda cu rolul de compensare a jonctiunii reci.

Rezistenta R1 injecteaza curent in dioda de siliciu D. Coeficientul de temperatura al tensiunii de deschidere al diodei fiind - 2,1 mV/ oC, este

divizat prin intermediul rezistentelor R2 si R3 pentru a ajunge la valoarea de 40,7 µV/oC corespunzatoare coeficientului Seebeck al termocuplului de tip K (cromel-alumel).

Prin intermediul potentiometrului R6 de la intrarea "+" a amplificatorului operational se realizeaza aducerea la zero a iesirii acestuia cand jonctiunea de masurare a termocuplului este la 0 oC.

Rezistentele R8 si R9 stabilesc amplificarea circuitului :

A = R9 /R8 = 10 mV/0,0407 mV = 245,7

astfel incat sa avem la iesirea amplificatorului operational 10 mV/oC, ceea ce permite o citire usoara a temperaturii folosind ca dispozitiv de afisare un voltmetru digital.

5