Что такое градуировка термопары: Измерение термопара и градуировка термопар

Учебно-методическая разработка лабораторной работы по курсу «Медицинская и биологическая физика»

потенциальные энергии свободных электронов в металлах

k — постоянная Больцмана

Т — температура в градусах Кельвина

Запишем выражение для разности потенциальных энергий

Е₂ — Е₁ = еU_i

Где е — заряд электрона

U_i — внутренняя контактная разность потенциалов

Теперь найдем отношение концентраций электронов в металлах

                                            (1)

Выразим из этой формулы внутреннюю контактную разность потенциалов. Для этого пропотенцируем выражение (1).

     

                                                                       (2)                                                                            

Как видно, U_i зависит ещё и от температуры контакта.

Рассмотрим замкнутую цепь из двух металлов 1 и 2 (рис.2), концентрации свободных электронов в которых равны n₁ и n₂ .

                  2                 2

                                  

                                                                  

              U_iA                  U_iB

1

А                    В

Рис. 2     Схема подключения термопары

Контакты А и В металлов поддерживаются при температурах Т_А и  Т_В соответственно. Примем  , .

Запишем выражение (2) для обоих контактов

;                                                                  (3)    

 , так как

Вследствие этого в цепи, состоящей из двух разных металлов при разной температуре на контактах, возникает термоэлектродвижущая сила e_{nи это явление называется эффектом Зеебека. Оно имеет место и при контакте полупроводников. Существует также и обратный эффект. Он состоит в том, что в местах контакта проводников (полупроводников) происходит выделение или поглощение теплоты, при пропускании через контакты постоянного электрического тока и называется эффект Пельтье.}

Эффекты Зеебека и Пельтье — это наиболее важные эффекты в теории термоэлектричесва.

Так как термо ЭДС равна сумме скачков потенциалов в местах спаев, а они имеют противоположные знаки, то

                               (4)

Обозначив    ,      получим

                                              (5)                                                         

Устройство, показанное на рис.2, называется термопарой.

В медицине термопары используются для нахождения температуры отдельных органов и их частей при контактных и бесконтактных методах измерения. В последнем случае используется несколько термопар, включённых последовательно для увеличения термо Э.Д.С., и таким образом определяют мощность инфракрасного излучения участков тела.

 С помощью термопары определяют только разность температур. При этом температуру второго спая, так называемого, холодного спая, поддерживают постоянной либо с помощью термостата, либо с помощью электрической схемы. Для измерения температуры термопару предварительно градуируют. Температуру участка тела определяют по рабочей формуле

                         t₁=t₀+ kN                                                             (6).

Где Т₁ – температура рабочего спая

Т₀  – температура холодного спая, находящегося при Т=0⁰ С.

N — показания цифрового гальванометра(число делений)

К —  коэффициент чувствительности термопары. Он показывает, насколько изменяется термо Э.Д.С. при изменении разности температур на 1

0С или 1К и имеет размерность:

В / К=В / ⁰С.

Это основная характеристика термопары. Его величина зависит от типа металлов или полупроводников.

                                             Протокол

Лабораторная работа

Градуировка термопары и её применение для определения кожных температур.

Цель работы

1.1  Углубление знаний по теории термоэлектричества.

1.2  Изучение методики градуировки термопары.

1.3  Изучение использования термопары для измерения кожных температур.

Оборудование

1.  Термопара

2.  Цифровой гальванометр

3.  Сосуд с горячей водой.

4.  Сосуд с таящим льдом.

5.  Термометр.

6.  Лист миллиметровой бумаги и линейка

Вывод рабочей формулы

Запишем закон Ома для полной цепи

                               (7)

где e_т — термо ЭДС; R — сопротивление проводов термопары;

r- сопротивление измерительного прибора

Подставим выражение (5) в формулу (7)

, а затем выразим t₁

                                           (8)

Силу тока в цепи термопары можно выразить следующим образом:

I = C N

Где С — чувствительность измерительного прибора

N — показания прибора

Подставим эту формулу в (8)

        

Введем обозначение ,  поскольку все величины входящие постоянны, после этого запишем рабочую формулу в виде

t₁ = t_o + kN

Ход работы

1. Градуировка термопары.

Схема установки:

Холодный спай (смесь льда с водой).

Горячий или измеритель-ный спай.

Рис. 3 Схема установки для градуировки термопары.

Подключают термопару спаи 1,4 к цифровому гальванометру 6 (рис.3).

1.Холодный спай 1 помещают в сосуд 2 с тающим льдом. Температура тающего льда всегда равна t₀=0⁰ C.   Рабочий(горячий) спай 4 помещают в сосуд с водой 3. Для определения температуры воды используется термометр 5.

2. Сначала вносят спай 4 в среду 2 и записывают показания гальванометра N  при Dt=0. При одинаковой температуре двух спаев Dt=0⁰ C показания прибора  N равны нулю (возможны варианты).

3. Далее, переносят спай 4 в сосуд 3 и фиксируют значение температуры t₁ и показания прибора N. Аналогичные измерения проводят при   различных значениях температуры спая 4, добавляя горячую воду в сосуд 3.

Результаты заносят в таблицу 1.

В соответствии с полученными данными строят зависимость  (рис. 4). Это – градуировочный график. Полученную кривую аппроксимируют прямой линией, проходящий через 0⁰С, и определяют величину, обратную коэффициенту     чувствительности термопары  β=— градуировочный коэффициент.

Рис.4

2 Определение температуры кожных участков тела.

Просушить рабочий спай с помощью фильтрованной бумаги.

Прижать рабочий спай 4 к избранному участку кожи на 0,5…1 мин. Холодный спай 1 находится в сосуде с тающим льдом 2. Для исключения влияния температуры прижимающегося пальца между термопарой 4 и пальцем поместить в несколько раз сложенный лист бумаги.

Результаты внести в таблицу 2

Результаты измерений

                                                                                              Табл. 1

t  , 0C
N

                                                                                   Табл.2

№ п/п	Участок кожи	N	t=kN, 0С         аналитически	tx графически
1 2 3 4 5 6 7	Лоб Нос Щека Подбородок Шея Локоть Кисть

График градуировки термопары

Выводы_________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Контрольные вопросы преподавателя:

1. Дать определения температуры.

2. Рассказать о температурных шкалах Цельсия, Кельвина, Фаренгейта.

3.  Какие типы термометров вам известны?

4. Что представляет собой внутренняя контактная разность потенциалов?

5. Дать определение термоэлектродвижущей силы.

6. Описать устройство термопары. Указать ее преимущества и недостатки по сравнению с другими термопреобразователями.

7. Факторы, определяющие чувствительность термопары. Дифференциальная термопара.

8. Пояснить принцип градуировки термопары, привести градуировочный график.

9. Эффект Пельтье.

10. Привести примеры использования термоэлектрических датчиков в медицине.

11. Рассказать о применении термоэлектрических явлений в биологии

Градуировка термопары и её применение для определения кожных температур.

Вывод рабочей формулы

Запишем закон Ома для полной цепи

(7)

где _т — термо ЭДС; R — сопротивление проводов термопары;

r- сопротивление измерительного прибора

Подставим выражение (5) в формулу (7)

, а затем выразим t₁

(8)

Силу тока в цепи термопары можно выразить следующим образом:

I = C N

Где С — чувствительность измерительного прибора

N — показания прибора

Подставим эту формулу в (8)

Введем обозначение , поскольку все величины входящие постоянны, после этого запишем рабочую формулу в виде

t₁ = t_o + kN

Ход работы

Схема установки:

Горячий

или измерительный спай.

Холодный

спай (смесь

льда с водой).

Рис. 3 Схема установки для градуировки термопары.

Подключают термопару спаи 1,4 к цифровому гальванометру 6 (рис.3).

1.Холодный спай 1 помещают в сосуд 2 с тающим льдом. Температура тающего льда всегдаравна t₀=0⁰ C. Рабочий(горячий) спай 4 помещают в сосуд с водой 3. Для определения температуры воды используется термометр 5.

2. Сначала вносят спай 4 в среду 2 и записывают показания гальванометра N при Dt=0. При одинаковой температуре двух спаев Dt=0⁰ C показания прибора N равны нулю (возможны варианты).

3. Далее, переносят спай 4 в сосуд 3 и фиксируют значение температуры t₁ и показания прибора N. Аналогичные измерения проводят при различных значениях температуры спая 4, добавляя горячую воду в сосуд 3.

Результаты заносят в таблицу 1.

В соответствии с полученными данными строят зависимость (рис. 4). Это – градуировочный график. Полученную кривую аппроксимируют прямой линией, проходящий через 0⁰С, и определяют величину, обратную коэффициенту чувствительности термопары β=-градуировочный коэффициент.

Рис.4

2 Определение температуры кожных участков тела.

Просушить рабочий спай с помощью фильтрованной бумаги.

Прижать рабочий спай 4 к избранному участку кожи на 0,5…1 мин. Холодный спай 1 находится в сосуде с тающим льдом 2. Для исключения

влияния температуры прижимающегося пальца между термопарой 4 и пальцем поместить в несколько раз сложенный лист бумаги.

Результаты внести в таблицу 2

Результаты измерений

Табл. 1

t ,0C
N

Табл.2

№ п/п	Участок кожи	N	t=kN, 0С аналитически	tx графически
1 2 3 4 5 6 7	Лоб Нос Щека Подбородок Шея Локоть Кисть

Выводы_________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

.

Как калибровать термопары? Общие методы

text.skipToContent text.skipToNavigation

Поиск Омега

• Связаться с нами

• Все продукты
• Ресурсы
• О нас

1. Дом
2. См. Ресурсы
3. Общие методы калибровки термопар

Измерение температуры возможно несколькими способами. Мы обычно используем термометры для измерения температуры. Однако для точных измерений, когда требуется регистрировать даже небольшой скачок температуры, мы используем передовые формы измерительных устройств, таких как термопары. Термопары — это измерительные устройства, которые могут считывать очень незначительные изменения температуры. Следовательно, они широко используются в приложениях, где точность имеет первостепенное значение. Однако, как и любое измерительное устройство, эффективность термопар со временем ухудшается при постоянном использовании. В этот момент термопара нуждается в повторной калибровке.

Что такое калибровка термопары?

Термопара — это, по сути, датчик, который регистрирует изменение температуры. Термопара состоит из двух разнородных проводов, спаянных с одного конца и свободных с другого. Когда эти провода испытывают разность температур, возникает напряжение, создающее разность потенциалов на стыке. Это напряжение на переходе измеряется и соотносится с температурой. Термопары изготавливаются прочными и надежными. Они могут выдерживать широкий диапазон температур. Однако, поскольку измерение температуры зависит от напряжения, необходима регулярная калибровка термопары, чтобы устройство могло успешно распознавать напряжение. Процесс калибровки включает сравнение точности измерения термопары с известным стандартным эталоном.

Как откалибровать термопару?

Калибровка термопар требует специального оборудования. В основном есть три способа калибровки термопары. Термодинамическая калибровка с фиксированной точкой : Термодинамическая калибровка с фиксированной точкой является наиболее точным способом калибровки термопары. Этот метод включает сравнение показаний температуры термопары с общепринятыми фиксированными точками температуры обычных элементов и соединений, где изменяется их физическое состояние. Например, температура замерзания металла, такого как олово, составляет 231,9.28 градусов Цельсия в соответствии с ITS-90 или Международной температурной шкалой, разработанной в 1990 году. При температуре эталонного спая 0 градусов Цельсия тепловая ЭДС (электродвижущая сила) термопары измеряется во время перехода с фиксированной точкой, когда металлические материалы переходят из твердого состояния в жидкое. Затем эту ЭДС сравнивают со стандартными таблицами измерений, чтобы определить точность измерения термопары. Термодинамическая калибровка с фиксированной точкой является наиболее точным способом калибровки термометра. Метод в ванне с мешалкой или в печи : В зависимости от температурных требований используется вариант между ванной с мешалкой или печью. Когда температура достигает желаемого уровня, калибруемая термопара используется для измерения температуры вместе с известной точной термопарой. Если термопаре требуется калибровка, две термопары будут показывать разные показания. Этот метод также проводится в лаборатории, но он менее точен, чем термодинамическая калибровка с фиксированной точкой. Калибратор сухих блоков : В методе сухого блочного калибратора используется сухоблочная машина. Зонды термопары вставляются в сухой блок. Затем металлический блок охлаждают или нагревают до определенной температуры и измеряют показания термопары. Если термопара показывает ту же температуру, что и в сухом блоке, калибровка не требуется. Однако, если вы обнаружите отклонение, может потребоваться калибровка.

Нужно ли калибровать термопары?

Термопары являются важными компонентами системы, которые точно измеряют физические свойства. Ожидается, что такие устройства будут работать без компромиссов, потому что ошибка или неправильное считывание могут привести к катастрофе. В промышленности термопары могут подвергаться воздействию различных температур в течение всего дня в течение нескольких месяцев подряд. Как правило, для каждой термопары рекомендуется ежегодная калибровка. Однако для термопар, которые используются постоянно, калибровку следует проводить с более короткими интервалами. При постоянном использовании эффективность термопары со временем ухудшается. Поэтому важно выполнить калибровку, чтобы обеспечить бесперебойную работу термопары. Кроме того, некоторые компании или приложения требуют наличия сертификата калибровки в соответствии с правилами.

Как часто следует калибровать термопару?

Частота калибровки действительно зависит от пользователя. Многие термопары калибруются ежегодно, но в зависимости от условий, в которых используется термопара, может потребоваться более частая калибровка. Такие условия, как длительное воздействие высоких температур, суровые условия окружающей среды, термические или механические удары, могут повлиять на точность термопары.

Как узнать, когда в последний раз выполнялась калибровка термопары?

Не существует надежного способа определить срок службы термопары по ее внешнему виду. Тем не менее, предприятия ведут журнал деталей, прошедших калибровку, и тех, для которых запланировано техническое обслуживание в будущем. Термопары следует калибровать в следующих случаях:

• Срок их цикла калибровки.
• Их производительность ставится под сомнение.
• При непредвиденных или необычных условиях эксплуатации.

Термопары следует менять в следующих случаях:

• Обрыв цепи термопары.
• Когда незаземленная термопара имеет низкую электрическую изоляцию от оболочки или корпуса.
• При повреждении термопары из-за механических воздействий.
• Оболочка повреждена из-за коррозии или окисления.
• При калибровке выявляется отклонение точности от технических характеристик.

Сертификаты качества термопар

При изменении температуры стандартная термопара дает показания, соответствующие изменению температуры. Однако как мы можем убедиться, что то, что мы видим, достоверно? Чтобы решить эту проблему, мы придерживаемся международных стандартов, которые введены в действие для предоставления эталона для измерений. ISO и NIST являются одними из наиболее широко известных стандартов, используемых для оценки характеристик термопар. В Omega Engineering мы предоставляем услуги по калибровке в соответствии с международными стандартами. Omega использует различные жидкостные ванны, печи и калибраторы для выполнения температурных калибровок в широком диапазоне температур. Каждый источник тепла оснащен независимым прослеживаемым стандартом NIST. Свяжитесь с нами, чтобы узнать о ваших требованиях к калибровке термопар и получить первоклассное обслуживание и непревзойденное качество работы.

Поговорите с нашими экспертами

Процедура калибровки термопары

Изображение предоставлено: florin oprea/Shutterstock.com

Термопары, устройства, используемые для измерения температуры, состоят из специально изготовленных проводов из двух разнородных металлов, которые производят небольшое напряжение, когда они соединены вместе на одном конце (горячий спай) и подключены на другом конце к более холодной точке, известной как холодный стык. Это небольшое напряжение можно использовать для определения разницы между известной эталонной температурой и второй неизвестной точкой. Напряжение используется для определения температуры неизвестной точки. Термопары изготавливаются из множества комбинаций металлов, которые используются в нескольких диапазонах, которые обычно находятся в диапазоне от -200 до 1250°C. В зависимости от типов металлов в термопаре конкретный диапазон температур будет варьироваться. Термопары широко используются в промышленности, а также во многих других непромышленных условиях, таких как бытовая техника. Они прочны, недороги и могут работать в широком диапазоне температур и в различных средах. Термопары не измеряют температуру напрямую — они просто создают напряжение при воздействии температурного градиента. Следовательно, необходима калибровка, чтобы соотнести это напряжение с разностью температур.

Типы термопар

Учитывая диапазон температур, химическую стойкость металлов термопары, а также общую устойчивость к вибрации и истиранию, это может помочь при выборе термопары. Существует четыре распространенных калибровки термопар — J, K, T и E, каждая из которых подходит для своего диапазона температур. Более высокие температуры измеряются термопарами, изготовленными из благородных металлов. Термопары в защитной оболочке доступны с тремя различными соединениями: заземленным, незаземленным и открытым. Заземленные соединения имеют соединения проводов, прикрепленные к внутренней стенке зонда, что обеспечивает эффективную передачу тепла от внешней стенки зонда к соединению. Незаземленные пробники имеют незаземленные соединения проводов, что обеспечивает гальваническую изоляцию. Открытые соединения имеют соединение, которое выходит за пределы оболочки, что обеспечивает быстрое время отклика, но ограничивает их использование неагрессивными средами и средами без давления.

Основы калибровки

Термопары первоначально калибруются их производителями, но регулярная повторная калибровка необходима для большинства промышленных операций, чтобы гарантировать, что приборы продолжают обеспечивать точные измерения. Хотя термопары являются надежными устройствами, со временем они могут дрейфовать и выходить из строя. Как правило, термопары стандартизированы с использованием 0 °C в качестве контрольной точки, и многие устройства могут регулироваться, чтобы компенсировать различные температуры на спаях термопар. Когда-то ледяные ванны использовались для холодных спаев, и по этой причине большинство термопар привязано к этой температуре. Но ледяные ванны непрактичны для большинства настроек приборов, и компенсация холодного спая стала общепринятой практикой. Здесь температура эталонного или холодного спая измеряется другим чувствительным к температуре устройством (например, термистором, диодом или термометром сопротивления), а напряжение термопары компенсируется для отражения температуры эталонного спая.

В зависимости от требуемой точности термопары, они обычно калибруются обученными лаборантами с использованием нескольких методов. Ряд стандартов охватывает процедуры проверки и калибровки термопар, в том числе ASTM E220 Стандартный метод испытаний для калибровки термопар с помощью сравнительных методов . В этом методе используется либо баня с перемешиваемой жидкостью, либо печь, а датчик сравнивается с калиброванным эталонным датчиком. Этот так называемый метод сравнения используется для получения прослеживаемой калибровки. В другом методе используются термодинамические фиксированные точки (температуры замерзания цинка, алюминия, серебра и золота по ITS-9).0), а также производит прослеживаемую калибровку. Сложность любого лабораторного метода заключается в том, что термопара должна быть выведена из эксплуатации. Отсюда популярность калибровки на месте , когда термопара может быть откалибрована на месте.

Процесс калибровки

Для калибровки термопары необходимо наличие различных типов измерительного оборудования, стандартов и процедур. Во-первых, необходимо установить контрольную температуру, которая является стабильной и обеспечивает постоянную температуру; он должен быть однородным и покрывать достаточно большую площадь, чтобы в него можно было надлежащим образом вставить термопару (например, ледяную баню). Источники контролируемых температур называются неподвижными точками. Ячейка с фиксированной точкой состоит из образца металла в графитовом тигле с графитовым термометром, погруженным в образец металла. Когда этот образец металла достигает точки замерзания, он поддерживает очень стабильную температуру. Точка замерзания возникает, когда материал достигает точки между твердой и жидкой фазами. Также должна быть установлена ​​температура холодного спая; обычно используется 0°C. Измерительный прибор, такой как калибратор Fluke 702, можно использовать для измерения выходного сигнала термопары.

Можно выполнить простой процесс калибровки, следуя нескольким основным инструкциям. (Для энтузиастов, занимающихся своими руками, обязательно проконсультируйтесь с профессионалом перед калибровкой термопары.) Основной процесс калибровки включает нагрев воды до 30°C в термальной ванне. Далее к свободному концу (холодному спаю) термопары присоединяют каждый из двух выводов мультиметра — в этот момент мультиметр должен регистрировать ноль микровольт, так как оба конца имеют одинаковую температуру. Затем горячий спай термопары помещают в термованну. Напряжение может быть записано, как только показания мультиметра станут стабильными. Температуру воды повышают до 35°С и снова регистрируют напряжение. Этот процесс повторяется путем повышения температуры с шагом в пять градусов и регистрации напряжения до тех пор, пока не будет достигнуто 60°C. После проведения всех измерений определяется напряжение для типа термопары при комнатной температуре. (Эту цифру обычно можно найти.) Затем данная цифра добавляется к каждому из записанных значений напряжения, собранных ранее. Затем используется метод подгонки кривой для подгонки линии к записанным данным — наклон линии будет представлять собой увеличение напряжения на каждый градус повышения температуры.

Расчеты термопар

Взаимосвязь между напряжением термопары и температурой не является линейной, хотя некоторые типы (тип K, тип J) имеют большие области, в которых наклон приращения чувствительности или коэффициент Зеебека остается довольно однородным. Для других типов термопар значения могут быть сохранены в виде справочных таблиц или кривых, соответствующих уравнениям. Последний метод дает наиболее точные результаты, но требует значительной вычислительной мощности.

Резюме

В этой статье представлено краткое обсуждение калибровки термопар. Для получения дополнительной информации о сопутствующих продуктах обратитесь к другим нашим руководствам или посетите платформу поиска поставщиков Thomas, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть подробную информацию о конкретных продуктах.