A m´er´esi ¨ossze´all´ıt´as ´es a m´er´es elve

A t´enyleges m´er´esi ¨ossze´all´ıt´asban az5.1. ´abr´an szerepl˝oa´esbanyag nagy Peltier-egy¨utt-hat´oj´u n ´es p t´ıpus´u f´elvezet˝o. Ilyen anyagokb´ol k´esz´ıtik a gyakorlatban is j´ol bev´alt f´elvezet˝o h˝ut˝oelemeket. A f´elvezet˝o rudak k¨oz¨ott a f´emes kapcsolatot j´o elektromos ´es j´o h˝ovezet˝o tulajdons´agokkal rendelkez˝o, v¨or¨osr´ezb˝ol k´esz¨ult, h´ıd szolg´altatja. Ezt mutatja az 5.4. ´abra, ahol a m´er´es elvi ¨ossze´all´ıt´asi rajza l´athat´o.

Q (T)

_ab

T °C

a I b

I

T

₀

Tápegység

Q (T )

_{ab 0}

elektromos szigetelés

V

5.4. ´abra. A m´er´es elvi ¨ossze´all´ıt´asa

A h˝ut˝oelem alul ´alland´o h˝om´ers´eklet˝u h˝otart´alyhoz csatlakozik, amelyet v´ızzel h˝ut¨ott v¨or¨osr´ez t¨omb val´os´ıt meg. A h˝ut˝oelem j´o h˝okontaktussal, de elektromosan szigetelve csatlakozik a h˝otart´alyhoz. A Peltier-elemet egy ford´ıtott U-alak´u bakelit-elemmel szo-r´ıtjuk r´a a r´ezt¨obre. A szor´ıt´oelem csak kis fel¨uleten ´erintkezik a h˝ut¨ott oldalhoz, hogy

kis h˝ohidat k´epezzen a hidegpont ´es a h˝otart´aly k¨oz¨ott. A h˝okontaktust a r´ezt¨omb ´es a Peltier-elem k¨oz¨ott h˝ovezet˝o paszta is seg´ıti. A h˝otart´aly h˝om´ers´eklet´et To-lal jel¨olj¨uk.

A h˝utend˝o t´er szint´en egy v¨or¨osr´ez t¨omb, melybe h˝om´ers´ekletm´er´es c´elj´ab´ol az egyik m´er˝ohelyen egy platina ellen´all´as-h˝om´er˝ot, a m´asikon pedig egy tranzisztoros h˝om´er˝ot helyezt¨unk el. A h˝om´er˝ot m˝uk¨odtet˝o elektronikai egys´egek ´ugy vannak be´all´ıtva, hogy a h˝om´ers´ekletet, tizedfok pontoss´aggal, ^oC-ban olvashassuk le. Az ´aramir´anyt ´ugy v´a-lasztjuk meg, hogy a Peltier-elem a fels˝o r´ezt¨ombt˝ol vonjon el h˝ot.

T

I a b a b a b I

T

₀

víz

5.5. ´abra. A h˝ut˝oelemek kapcsol´asa

A m´er´es megval´os´ıt´asakor t¨obb h˝ut˝oelemet (10-40) elektromosan sorba k¨ot¨ott¨unk, ahogy azt az 5.5. ´abra mutatja. H˝ut´es szempontj´ab´ol a h˝ut˝oelemek p´arhuzamosan m˝ u-k¨odnek, ezzel nagyobb h˝ut˝oteljes´ıtm´eny ´erhet˝o el. Az ´aramot k¨uls˝o ´aramgener´atorb´ol adjuk a Peltier-elemekre.

Mivel a Peltier-elem¨unket jelent˝osen, hozz´avet˝olegesen-20^oC-ra leh˝utj¨uk, ´ıgy a leveg˝o p´aratartalma kicsap´odna a hidegpontra. Ezt megakad´alyozand´o egy b´ur´at helyezt¨unk a k´esz¨ul´ekre, mely mell´ekesen mechanikai v´edelmet is ny´ujt. A b´ura al´ol nem sz¨uks´eges a leveg˝ot kiszivatty´uzni, elegend˝o, hogy a terem leveg˝oj´et˝ol elz´arjuk a rendszert. ´Igy csak a b´ura alatt l´ev˝o igen kis t´arfogat´u leveg˝o p´ar´aja tud kifagyni a k´esz¨ul´ekre, ami m´ar nem zavarja a m´er´est.

Ezzel a m´er´esi ¨ossze´all´ıt´assal a h˝ut˝oelem termodinamikai jellemz˝oit m´erj¨uk meg.

5.2.1. A v´ızh˝ om´ ers´ eklet ´ es a kezdeti h˝ om´ ers´ eklet meghat´ aro-z´ asa

A h˝ut˝ov´ız megind´ıt´asa ut´an, 10-20 perc eltelt´evel, be´all az egyens´ulyi ´allapot. A h˝ u-tend˝o t´er h˝om´ers´eklet´ere ekkor kapott ´ert´eket tekinthetj¨uk a T(0) h˝om´ers´ekletnek. Ez a h˝om´ers´eklet magasabb, mint a To v´ızh˝om´ers´eklet, mert a k¨ornyezetb˝ol valamekkora h˝omennyis´eg mindig bejut a h˝utend˝o t´erbe. A To v´ızh˝om´ers´ekletet ezek ut´an ´ugy ha-t´arozhatjuk meg, hogy kb. 1 A-es ´arammal kiss´e leh˝utj¨uk a rendszert, majd az ´aramot

megsz¨untetve hagyjuk visszamelegedni, mik¨ozben figyelj¨uk a Peltier-elem sarkain es˝o fesz¨ults´eget. Amikor ez a fesz¨ults´eg null´av´a v´alik, akkor a h˝utend˝o t´er h˝om´ers´eklete megegyezik a v´ızh˝om´ers´eklettel, ugyanis, ahogy m´ar l´attuk U =Sab(T −T0).

5.2.2. A h˝ ut´ es id˝ of¨ ugg´ es´ enek vizsg´ alata

A k¨ul¨onb¨oz˝o ´aramer˝oss´egek eset´en kialakul´o egyens´ulyi h˝om´ers´ekletek meghat´aroz´as´ahoz sz¨uks´eg¨unk van arra, hogy tudjuk, a rendszer mennyi id˝o m´ulva tekinthet˝o egyens´ulyban l´ev˝onek. Ehhez egy adott ´aramer˝oss´egn´el (2-3 A) hat´arozzuk meg a h˝ut´es id˝of¨ugg´es´et.

A h˝ut¨ott t´err´esz exponenci´alisan ´eri el az egyens´ulyi ´allapot´at:

T(t) = Ae^−τt +T^∞, (5.1)

ahol T^∞ a kialakul´o egyens´ulyi h˝om´ers´ekletet, A a h˝om´ers´ekletv´altoz´ast jel¨oli, τ a

be-´all´as karakterisztikus ideje. A h˝om´ers´ekletet az id˝o f¨uggv´eny´eben ´abr´azolva a kapott grafikonr´ol leolvashatjuk az egyens´ulyi h˝om´ers´ekletet, T∞-t.

A τ karakterisztikus id˝o kisz´am´ıt´as´ahoz,T^∞ kivon´asa ut´an, k´epezz¨uk mindk´et oldal term´eszetes alap´u logaritmus´at:

ln (T −T^∞) =−t

τ + lnA. (5.2)

Teh´at, ln (T-T∞)-t ´abr´azolva az id˝o f¨uggv´eny´eben, egyenest kapunk, melynek meredek-s´ege -1/τ. Innen a τ karakterisztikus id˝o kisz´amolhat´o.

5.2.3. A maxim´ alis h˝ om´ ers´ ekletk¨ ul¨ onbs´ eg meghat´ aroz´ asa

Az egyens´ulyi h˝om´ers´ekletet t¨obb ´aramer˝oss´eg mellett m´erve, ´es az ´aramer˝oss´eg f¨uggv´e-ny´eben ´abr´azolva, az 5.6. ´abr´ahoz hasonl´o, minimummal rendelkez˝o g¨orb´et kapunk. A g¨orb´er˝ol leolvashat´o a maxim´alis h˝ut´est ad´o I_min ´aram, ´es a hozz´atartoz´o T_min h˝om´er-s´eklet ´ert´eke. Ezekb˝ol az adatokb´ol kisz´am´ıthatjuk a h˝ut˝oelem j´os´agi sz´am´at, a k¨ul¨on m´ert Seebeck-egy¨utthat´o ismeret´eben a Peltier-egy¨utthat´o ´ert´ek´et, valamint a h˝ut˝oelem R_ab ¨osszellen´all´as´at, ´es a h˝ovezet´esre jellemz˝oh_ab ´ert´eket is.

A Kelvin-¨osszef¨ugg´es alapj´an l´athat´o, hogy a To h˝om´ers´eklethez tartoz´o Peltier-egy¨utthat´o

P_ab(T₀) = T₀S(T₀). (5.3)

Az elm´eleti r´eszben megmutatjuk, hogy Tmin ´esImin´ert´ekekb˝ol meghat´arozhat´oRab/Sab

´ert´eke a k¨ovetkez˝o ¨osszef¨ugg´es alapj´an:

Tmin = RabImin

Sab

. (5.4)

Innen S_ab ismeret´eben R_ab kisz´amolhat´o.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - 30

- 25 - 20 - 15 - 10 - 5 0 5 10

T min

I min

T(

o C)

I(A)

0 2 4 6

5.6. ´abra. A Peltier-elem egyens´ulyi h˝om´ers´eklete az ´aramer˝oss´eg f¨uggv´eny´eben

A Peltier-elem z j´os´agi sz´ama az elem param´etereib˝ol ´all´o mennyis´eg:

z= S_ab² habRab

. (5.5)

A j´os´agi sz´am meghat´arozhat´o T(0) ´es T_min m´er´es´evel, az al´abbi ¨osszef¨ugg´es alapj´an:

z = 2(T(0)−Tmin)

T_min² . (5.6)

Vegy¨uk ´eszre, hogy ha az anyagi ´alland´okt´ol f¨ugg˝oz´ert´eke n˝o, akkorT_min´ert´eke cs¨okken.

Innen a j´os´agi sz´am elnevez´es. Olyan anyagok j´ok h˝ut˝oelemnek, amelyek nagy Seebeck-egy¨utthat´o mellett gyenge h˝ovezet˝ok ´es j´o elektromos vezet˝ok. F´emekre ez nem igaz z ≈10⁻⁵/f ok, a f´elvezet˝ok viszont m´ar a gyakorlatban j´ol hasznos´ıthat´o tulajdons´ag´uak (szobah˝om´ers´eklet k¨orny´ek´en z ≈10⁻³/f ok).

A j´os´agi sz´am meghat´aroz´asa ut´an, (5.5) alapj´an, kisz´amolhat´o hab ´ert´eke is.

5.2.4. A Seebeck-egy¨ utthat´ o m´ er´ ese

Az Sab Seebeck-egy¨utthat´ot nagy pontoss´aggal meghat´arozhatjuk, ha h˝om´ers´ekletk¨u-l¨onbs´eget hozunk l´etre a Peltier-elem k´et oldal´an, ´es megm´erj¨uk az elem sarkain jelent-kez˝o potenci´alk¨ul¨onbs´eget ´ugy, hogy k¨ozben az elemen nem folyik ´aram. Meg´allapod´as

szerint, a fesz¨ults´egm´er˝o m˝uszert ´ugy kell a Peltier-elem sarkaira k¨otni, hogy a m˝uszer pozit´ıv p´olusa a h˝ut¨ott oldalra legyen k¨otve. Az ´ıgy kapott m´er´esi eredm´enyek alapj´an a Seebeck-egy¨utthat´o el˝ojel´et is helyesen kapjuk meg. T¨obb h˝om´ers´ekleten megism´etelve a m´er´est, az ´ıgy kapott potenci´alk¨ul¨onbs´eg-h˝om´ers´eklet grafikon meredeks´ege szolg´altatja a Seebeck-egy¨utthat´o ´ert´ek´et, ahogyan azt az 5.7. ´abra mutatja.

- 450 - 400 - 350 - 300 - 250 - 200 - 150 - 100

0 5 10 15 20 25 30 35 40

U(mV)

T(

o

C)

5.7. ´abra. A Peltier-elemen m´ert potenci´alk¨ul¨onbs´eg h˝om´ers´ekletf¨ugg´ese

5.3. A m´ er´ es menete

1. El˝ok´esz´ıt´es.

A h˝ut˝ovizet a laborvezet˝o nyitja meg. Kapcsoljuk be a m´er˝om˝uszereket ´es az

´aramgener´atort.

2. Az egyens´ulyi h˝om´ers´ekletnek, T(0) ´es a h˝otart´aly h˝om´ers´eklet´enek, T0 m´er´ese.

Az ´aram bekapcsol´asa n´elk¨ul figyelj¨uk meg a h˝utend˝o t´er h˝om´ers´eklet´enek v´alto-z´as´at. Ha be´allt az egyens´uly, olvassuk le a T(0) egyens´ulyi h˝om´ers´eklet ´ert´ek´et.

R¨ovid id˝ore kapcsoljunk a h˝ut˝oelemreI = 1A´aramot, ´es kiss´e, kb. 5^oC-kal h˝uts¨uk le a fels˝o r´ezt¨omb¨ot. Kapcsoljuk ki az ´aramot ´es a fesz¨ults´egm´er˝o m˝uszeren figyelj¨uk a h˝ut˝oelem k´et sark´an m´erhet˝o termofesz¨ults´eget. Ahogy cs¨okken a fesz¨ults´eg,

kapcsoljuk a m˝uszert egyre ´erz´ekenyebb m´er´eshat´arra. Amikor a fesz¨ults´eg el˝ojelet v´alt, a h˝om´er˝o m˝uszeren olvassuk le a h˝ut¨ott t´er h˝om´ers´eklet´et. Ez a h˝om´ers´eklet megegyezik a h˝ut˝ov´ız T0 h˝om´ers´eklet´evel.

3. A beh˝ul´es id˝o´alland´oj´anak m´er´ese.

I ≈2−3A ´aramer˝oss´eg mellett m´erj¨uk meg a h˝ut˝oelemre jellemz˝oT(t) f¨uggv´enyt.

Abr´azoljuk ezt a f¨uggv´enyt, ´es grafikusan hat´arozzuk meg a f¨uggv´eny nagy id˝okh¨oz´ tartoz´o hat´ar´ert´ek´et. ´Abr´azoljuk az ln (T −T∞) ´ert´ekeket az id˝o f¨uggv´eny´eben, ´es a meredeks´egb˝ol hat´arozzuk meg a τ karakterisztikus id˝o ´ert´ek´et. Ha sz¨uks´eges, az illeszt´es sor´an kiss´e v´altoztassuk T∞ ´ert´ek´et annak ´erdek´eben, hogy a m´er´esi pontok jobban illeszkedjenek az egyenesre.

4. M´erj¨uk meg a h˝ut¨ott t´er egyens´ulyi h˝om´ers´eklet´et, mint az ´aramer˝oss´eg f¨uggv´eny´et.

Az ´aramer˝oss´eget 1 amperenk´ent n¨ovelj¨uk. Ne alkalmazzunk nagyobb ´aramot, mint a maxim´alis h˝ut´eshez tartoz´o ´ert´ek 120 %-a. A m´ert legnagyobb h˝ut´eshez tartoz´o

´aram al´a ´es f¨ol´e0.5 A-re m´erj¨unk m´eg egy-egy pontot. Legal´abb n´egyszeresτ id˝ot hagyjunk az egyens´uly be´all´as´ara.

5. M´erj¨uk meg a Seebeck-egy¨utthat´ot.

H˝uts¨uk le hozz´avet˝olegesen15 fokkal a Peltier-elemet, majd kapcsoljuk ki az ´ara-mot. M´erj¨uk a visszameleged´es sor´an a hidegponton ´eszlelhet˝o T h˝om´ers´ekletet, ´es a Peltier-elem sarkain fell´ep˝o UP fesz¨ults´egk¨ul¨onbs´eget. Az UP fesz¨ults´egk¨ul¨onb-s´eget a T f¨uggv´eny´eben ´abr´azolva a kapott egyenes meredeks´ege adja a h˝ut˝oelem Seebeck-egy¨utthat´oj´at.

6. Kikapcsol´as.

A m´er´es v´egezt´evel kapcsoljuk ki a m˝uszereket. A h˝ut˝ovizet a laborvezet˝o z´arja el.

In document FIZIKAI M´ER´ESEK (Pldal 94-99)