H˝om´ers´eklet m´er´es termoelemmel

A h˝om´ers´ekletet m´er´es¨unkben termoelemmel m´erj¨uk. A termoelem oly m´ert´ekben fontos

´es ´altal´anos h˝om´ers´ekletm´er˝o eszk¨oz a k´ıs´erleti fizik´aban ´es a m˝uszaki gyakorlatban, hogy

´erdemes alaposabban megismerkedn¨unk ezzel az eszk¨ozzel.

A termoelemes h˝om´er˝o ´ep´ıt´es´en´el a Seebeck jelens´eget haszn´aljuk fel. Az Seebeck-effektus azon alapul, hogy egy vezet˝oben h˝om´ers´eklet-gradiens hat´as´ara az elektrons˝ u-r˝us´eg inhomog´enn´e v´al´asa miatt elektromos t´er keletkezik, ahogy ezt a 7.6. ´abr´an sema-tikusan ´abr´azoltuk. A t´erer˝oss´eg gradT-vel ar´anyos; az ar´anyoss´agi t´enyez˝o az anyagra jellemz˝o S Seebeck egy¨utthat´o.

M´erhet˝o termofesz¨ults´eg akkor keletkezik, amikor k´et k¨ul¨onb¨oz˝o anyagi min˝os´eg˝u vezet˝ot kapcsolunk ¨ossze, ´ugy, hogy a kapcsol´od´asi pontok k¨ul¨onb¨oz˝o h˝om´ers´ekleten legyenek (a 7.7. ´abr´an az A-B kapcsol´od´asi pont T1-en ´es T2-n). A k¨orben m´erhet˝o

T

gradT T

hideg meleg

E I = 0

7.6. ´abra. A Seebeck-egy¨utthat´o fizikai jelent´ese

A

7.7. ´abra. A termofesz¨ults´eg m´er´ese

(termo)fesz¨ults´eg az elektromos t´er integr´aljak´ent ad´odik. A 7.7. ´abra szerint:

U =

Ahol bevezett¨uk azSAB arelat´ıv Seebeck egy¨utthat´ofogalm´at. Ha ismerj¨uk, mondjuk a T1 h˝om´ers´ekletet, ez legyen a referencia h˝om´ers´ekleti pont, valamint a termop´arunkra jellemz˝oS_ABrelat´ıv Seebeck egy¨utthat´ot, akkor a fesz¨ults´eg m´er´es´evel meghat´arozhatjuk a T2 h˝om´ers´ekletet.

A7.7. ´abr´an l´athat´o ¨ossze´all´ıt´as, b´ar elm´eletileg helyes, azonban ´altal´aban nem hasz-n´alatos. A termoelem vezet´ekek t¨obbnyire nagyon v´ekonyak, s´er¨ul´ekenyek, ´es igen

dr´a-g´ak. Nem c´elszer˝u ezeket a m´er˝o-t´eren k´ıv¨ul is haszn´alni, ezekkel kapcsol´odni a fesz¨ults´eg m´er˝o m˝uszerhez. Gyakorlati szempontb´ol A 7.8. ´abr´an l´athat´o ¨ossze´all´ıt´as a c´elszer˝u.

V

T₀

T T_r

Referencia B

A C

C

7.8. ´abra. A termofesz¨ults´eg m´er´ese a gyakorlatban

A fesz¨ults´eg az integr´al´as elv´egz´es´evel

U =SC(T0−Tr)+SB(T−T0)+SA(T0−T)+SC(Tr−T0) = (SB−SA)(T−T0)≡SBA(T−T0), ahol Tr-rel a szobah˝om´ers´ekletet jel¨olt¨uk. A C anyag b´armilyen vezet˝o lehet, ´altal´aban a gyenge´aram´u technik´aban r´ez: az ´arny´ekolt k´abel anyaga. L´atjuk, ¨orvendetes m´o-don SC ´es Tr nem szerepel a m´ert fesz¨ults´egben, most is csak SAB ´es T0. Az A ´es B a termop´ar anyagai. A Klasszikus Fizika Laborban leggyakrabban cromel-alumel ter-mop´art haszn´alunk. Ez a K-t´ıpus´u szabv´anyos termoelem, melynek anyag-¨osszet´etele (hozz´avet˝olegesen) Ni ´es Ni-Cr. ´Erz´ekenys´ege kb. 40µV /K.

A termoelemes h˝om´ers´ekletm´er´es el˝onyei - Elektronikusan k¨ozvetlen¨ul feldolgozhat´o.

- A termoelem huzal sz¨uks´eg szerint igen v´ekony is lehet, ekkor h˝okapacit´asa rendk´ıv¨ul kicsi ´es a kis huzalkeresztmetszeten kis h˝ofluxus ´aramlik a referencia-pontt´ol a mint´ahoz.

Ez´ert kis objektumok h˝om´ers´eklete is j´ol m´erhet˝o.

- T´ıpust´ol f¨ugg˝o m´ert´ekben igen nagy a m˝uk¨od´esi h˝om´ers´eklettartom´anya, hozz´ave-t˝olegesen [20-2000K].

A termoelemes h˝om´ers´ekletm´er´es h´atr´anyai - Sz¨uks´eg van referencia-h˝om´ers´ekleti pontra - Viszonylag kis ´erz´ekenys´eg: 10−80µV /K.

- A termop´ar megszak´ıt´asa probl´em´at okoz. Tekints¨uk p´eld´anak egy termoelemnek a v´akuumt´erb˝ol val´o kivezet´es´et. Mondjuk r´ez v´akuum´atmenetet ´es K-t´ıpus´u (Cromel-Alumel) termop´art haszn´alva a Cromel-Cu-Cromel kapcsolatnak ´es a Alumel-Cu-Alumel kapcsolatnak azonos h˝om´ers´eklet˝unek kell lenni, k¨ul¨onben parazita termofesz¨ults´eg ke-letkezik, mely nyilv´an lehetetlenn´e teszi a pontos h˝om´ers´eklet m´er´est.

A termop´ar ponthegeszt´ese

Az ¨osszehegesztend˝o termoelem huzalokat k´et tiszt´ara csiszolt r´ez elektr´oda k¨oz´e tessz¨uk, majd a fels˝o elektr´od´at r´anyomjuk a huzalp´arra (7.9. ´abra). Amikor k₁ kap-csol´o z´arva ´es k2 nyitva van, a C kondenz´ator felt¨olt˝odik. Ezut´an k1 kapcsol´ot nyitjuk,

´esk2 z´ar´as´aval a kondenz´ator t¨olt´es´et r´as¨utj¨uk a termop´ar egym´asra fektetett huzaljaira.

N´eh´any ms alatt megt¨ort´enik a kis¨ul´es. Az ´ori´asi ´araml¨ok´es megolvasztja a huzalp´art,

C U

R

Cu

k1

k2

7.9. ´abra. A ponthegeszt˝o k´esz¨ul´ek elvi v´azlata

mely ´ıgy ¨osszeheged. Term´eszetesen a C kapacit´as ´esU t¨olt˝ofesz¨ults´eg nagys´aga a huza-lok ´atm´er˝oj´ehez ´es anyag´ahoz az ide´alis ´ert´ekre be´all´ıthat´o. A 0.005 inch´atm´er˝oj˝u (0.13 mm-es) kr´omel-alumel termoelem ponthegeszt´es´ehez p´eld´aul C = 10mF ´es U = 24V sz¨uks´eges.

A termoelem megv´alaszt´asa

A termoelem megv´alaszt´asa a k´ıs´erleti ig´enyekt˝ol f¨ugg. A k¨ovetkez˝o szempontokat vessz¨uk figyelembe: h˝om´ers´eklet-tartom´any, ´erz´ekenys´eg, karakterisztika, korrozi´o´all´o-s´ag, m´agneses ´erz´ekenys´eg, ´ar. Az al´abbiakban n´eh´any gyakrabban haszn´alt szabv´anyos termop´art mutatunk be (7.1. ´es 7.2. t´abl´azat). (Megjegyz´es: az SAB-k 500 ^oC-on ´erten-d˝ok, kiv´eve a T t´ıpus´u´e, amely100 ^oC-on.)

Referencia h˝om´ers´ekleti pontok

Hogyan hozzunk l´etre referencia h˝om´ers´ekletet? Az al´abbiakban bemutatjuk a k´et leggyakoribb megold´as t´ıpust: az olvad´o j´eg referenci´at (0 ^oC), (7.10. ´abra), ´es a m˝ujeget (tipikusan 40-50 ^oC), (7.11. ´abra). Ez ut´obbi nev´eben szerepl˝o

”j´eg” terminus az olvad´o j´eg h˝om´ers´eklet´enek ´alland´os´ag´ara utal. A m˝uj´eg val´oj´aban egy f´emt¨omb, t¨obbnyire

K´od Anyag (+ oldal) Anyag (- oldal) S_AB (µV /K)

T_min (^oC)

T_max (^oC) K Nikkel-kr´om (kr´omel) Nikkel-alumin. (alumel) 43 -180 1100

T R´ez R´ez-nikkel (konstant´an) 46 -185 300

J Vas R´ez-nikkel (konstant´an) 56 -180 700

E Nikkel-kr´om R´ez-nikkel (konstant´an) 81 0 800

R Platina-13% r´odium Platina 10 -50 1600

7.1. t´abl´azat. A leggyakrabban haszn´alt termoelemek

K´od Jellemz´es

K Ez a legelterjedtebb, sz´eles h˝om´ers´eklet-tartom´any´u termoelem

T Alacsony h˝om´ers´eklet˝u alkalmaz´asok, enyh´en oxid´al´o, vagy reduk´al´o atmoszf´e-r´aban

J A vas rozsd´asodik: m˝uanyag bevonattal, vagy reduk´al´o atmoszf´er´aban hasz-n´alhat´o

E A legnagyobb ´erz´ekenys´eg˝u termoelem, enyh´en oxid´al´o, vagy reduk´al´o atmosz-f´er´aban haszn´alhat´o

R Magas h˝om´ers´eklet˝u alkalmaz´asok, nem korrod´al´odik

7.2. t´abl´azat. A leggyakrabban haszn´alt termoelemek felhaszn´al´asi k¨ore

alum´ınium, vagy v¨or¨osr´ez, melyet egy elektromos automatika negat´ıv visszacsatol´assal

´alland´o h˝om´ers´ekleten tart f˝ut˝otest ´es visszajelz˝o h˝om´er˝o seg´ıts´eg´evel.

A laborban m˝ujeget haszn´alunk. Term´eszetesen meg kell v´arni, am´ıg a bekapcsol´as ut´an a m˝uj´eg el´eri ´alland´o h˝om´ers´eklet´et. A jelen berendez´esben a m˝uj´eg h˝om´ers´eklete 41,0 ^oC ±0,1 ^oC. A m˝uj´eg be´all´as´at (kb.15 perc) az mutatja, hogy a DTA berendez´es elektronikus egys´eg´enek el˝olapj´an l´ev˝o piros jelz˝ol´ampa kialszik.