Термоэлектрические явления

Предмет: Физика
Тип работы: Реферат
Язык: Русский
Дата добавления: 06.08.2019

 

 

 

 

 

  • Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой работой!
  • Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых тем для рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

 
 
 
 

 

Введение:

Современная термодинамика определяет температуру как величину, которая выражает состояние внутреннего движения равновесной макроскопической системы и определяется внутренней энергией и внешними параметрами системы.

Непосредственно измерить температуру невозможно, ее можно судить только по изменению внешних параметров, вызванному нарушением равновесного состояния из-за теплообмена с другими телами.

Каждый метод определения температуры, основанный на взаимосвязи между любым внешним параметром системы и температурой, соответствует определенной последовательности значений параметров для каждого размера температуры, называемой температурной шкалой. Наиболее продвинутой шкалой является термодинамическая шкала температур (шкала Кельвина).

Исходный температурный стандарт представляет собой набор газовых термометров, изготовленных в разных странах мира, по показаниям которых определяются числовые значения контрольных точек по отношению к температуре кипения химически чистой воды при давлении 101325 Па, температуре из которых предполагается равным

100,00 ° С (точно 373,15 К).

Весь температурный диапазон покрыт семью шкалами, для воспроизведения которых, в зависимости от площади шкалы, используются различные методы: от 1,5 до 4 К - измерение давления паров гелия-4, от 4,2 до 13,8 К. - германиевые термисторы от 13,8 до 273,16 К и от 273,16 до 903,89 K - платиновые термисторы от 903,89 до 1337,58 K - термопары платина родий - платина, от 1337,58 до 2800 K - температурные лампы и от 2800 до 100 000 К.

Спектральные методы

Огромный диапазон существующих температур (теоретически максимально возможная температура составляет 1012 К) привел к широкому разнообразию методов их измерения.

Метод измерения термоэлектрической температуры основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры.

Нас будут интересовать контактные методы и средства измерения электрической температуры.

Thermal - это преобразователь, принцип работы которого основан на тепловых процессах, а естественным входным значением является температура. Такие преобразователи включают термопары и термисторы, металлические и полупроводниковые. Основным уравнением теплопередачи является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что все тепло, поступающее в преобразователь, направляется на увеличение его теплосодержания QTC и, следовательно, если содержание тепла в преобразователе остается неизменным (температура и состояние агрегации не меняются), то количество тепла, поставляемого за единицу времени, равно количеству передаваемого тепла. Тепло, поступающее в преобразователь, представляет собой сумму количества тепла, выделяемого Qel в результате выделения в нем электрической энергии, и количества тепла Q, поступающего в преобразователь или отдаваемого в результате теплообмена с окружающей средой.

Явление термоэлектричества было открыто Зибеком в 1823 году и заключается в следующем. Если вы сделаете цепь из двух разных проводников (или полупроводников) A и B, соединив их вместе и сделаете температуру одной точки подключения отличной от температуры другой, в цепи появится ЭДС , , называемая термоэлектродвижущей силой (термоэдс) и представляющая собой разность температурных функций стыков проводников.

Такая схема называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, из которых состоит термопара, являются термоэлектродами, а их соединения соединены переходами.

При небольшой разнице температур между спаями термоэдс. можно считать пропорциональным разнице температур.

Метрологические характеристики средств измерений

Метрологические характеристики - это характеристики, которые влияют на результат и погрешность измерений, они позволяют оптимально выбирать приборы и сравнивать их. Все метрологические характеристики можно разделить на пять групп:

  1. Характеристики, влияющие на результат измерения (статическая характеристика (функция преобразования), чувствительность, цена шкалы, диапазон измерения).
  2. Характеристики погрешности средств измерений (погрешность гистерезиса, абсолютная, относительная, случайная, аддитивная, систематическая, мультипликативная, нелинейная, базовая, динамическая погрешность, порог чувствительности).
  3. Характеристики чувствительности к влияющим величинам (функция влияния, дополнительная погрешность).
  4. Динамические характеристики (дифференциальные уравнения, частотные характеристики, переходные характеристики, передаточная функция, постоянная времени и др.).
  5. Характеристики взаимодействия с подключенными устройствами (входное и выходное сопротивление и др.).

Статическая характеристика - это зависимость выходного информационного сигнала от входа в статическом режиме.

Порог чувствительности - это наименьшее, обязательно фиксированное, изменение выходной величины, по которому его можно измерить.

Цена деления - это значение между отметками шкалы, оно не выбрано произвольно и позволяет предварительно оценить точность устройства.

Динамический диапазон измерений - это отношение максимального значения к минимальной шкале устройства (не все устройства измеряют от нуля).

Любое измерение, независимо от того, насколько тщательно оно выполняется, неизбежно сопровождается ошибками (погрешностями), которые вызваны несовершенством метода измерения, конструктивными особенностями устройства и другими причинами.

Есть ошибки в результате измерения и ошибки в измерительных приборах. Ошибка результата измерения - это разница между результатом измерения и истинным значением измеренного значения. Истинное значение измеренного значения - это значение, которое идеально отражает свойство данного объекта как в количественном, так и в качественном отношении. Понятие истинного значения абстрактно, на практике оно заменяется реальным значением (экспериментальное значение настолько близко к истинному значению, что его можно использовать вместо этого). Ошибка измерительного прибора - это разница между показаниями измерительного прибора и истинным (фактическим) значением измеренной физической величины.

Эти две концепции довольно близки, поэтому для их оценки используются одни и те же модели, и очень часто они выражаются одинаково. По способу выражения ошибки делятся на абсолютные, относительные и уменьшенные ошибки.

По характеру проявления ошибки делятся на случайные и систематические. Случайная ошибка - это ошибка, которая случайно изменяется при повторных наблюдениях. Систематическая ошибка - это ошибка, которая остается постоянной или изменяется в соответствии с известным законом при повторных наблюдениях.

По зависимости абсолютной погрешности от значений измеряемой величины различают мультипликативную (прямо пропорциональную измеренной величине), аддитивную (не зависящую от измеренной величины) нелинейную (нелинейную зависимость от измеренной величины) стоимость).

По влиянию внешних условий выделяются основные и дополнительные погрешности средств измерений. Основной ошибкой является ошибка устройства при работе в нормальных условиях. Дополнительная ошибка - это ошибка, которая возникает, когда хотя бы одна влияющая величина отклоняется за пределы, установленные нормальными условиями.

В зависимости от характера изменения измеряемых величин погрешности измерительных приборов подразделяются на статические и динамические. Статическая ошибка - это ошибка измерительного прибора, используемого для измерения физической величины, взятой в качестве постоянной. Динамическая ошибка измерительного прибора, которая возникает дополнительно при измерении переменной физической величины и из-за несоответствия его реакции скорости изменения измеряемого сигнала.

Влияние влияющих величин на метрологические характеристики средств измерений описывается функцией влияния - зависимостью изменений характеристик и параметров от изменений влияющей величины (совокупности величин).

Ошибка гистерезиса (обратная) - возникает из-за наличия люфта в механических компонентах и ​​магнитных элементах. Погрешность гистерезиса труднее всего устранить, ее оценкой является вариация.

Вариация - это средняя разница между значением выходной величины, соответствующей одному и тому же значению входной величины, и полученным с помощью многократного и многогранного подхода к этой величине.

Стандарты должны быть установлены для метрологических характеристик, информация о них указана в нормативной документации на устройство (приложение к сертификату).

Исходные метрологические характеристики устанавливаются при разработке и испытании средств измерений. Они могут быть представлены либо в виде функций номинального преобразования (для статических характеристик, для функций влияния), либо в виде пределов допустимых значений (для ошибок и т. д.). Если норма для метрологических характеристик принимается в виде функций номинального преобразования, то эта функция задается в виде формулы, таблицы, графика, а если норма для метрологических характеристик принимается в виде предела допустимых значений , то этот предел выбирается из серии :, где.

Для приборов погрешность нормируется по классу точности, который понимается как совокупность систематических и случайных ошибок, не исключенных. Кроме того, если преобладает мультипликативная ошибка, то она нормализуется относительной ошибкой, если преобладает аддитивная ошибка, то она нормализуется уменьшенной ошибкой. Класс точности размещается на циферблате прибора (в первом случае значение класса точности указывается внутри круга, во втором - без круга). Точность устройства стандартизирована только для рабочей части весов.

Документация по стандартизации средств измерений оформляется в ГОСТ 8009-84

При использовании измерительного инструмента принципиально важно знать степень соответствия информации об измеренном значении, содержащейся в выходном сигнале, его истинному значению. Для этого для каждого измерительного прибора вводятся и нормализуются определенные метрологические характеристики. Любые патентные решения направлены на улучшение метрологических характеристик средств измерений. Расширение диапазона измерений и уменьшение погрешности устройства приводит к улучшению его качества, поэтому расширяются его возможности в той области, где оно используется.

Номенклатура метрологических характеристик

Согласно номенклатура MX представлена ​​следующим образом:
Характеристики для определения результатов измерений (без поправок)
Функция преобразования измерительного преобразователя, а также измерительного устройства с безымянной шкалой или со шкалой, градуированной в единицах, отличных от единиц входной величины, f (x).

Значение деления шкалы измерительного устройства или многократного измерения.
разрядный код средств измерений, предназначенных для вывода результатов в цифровой код.

Характеристики погрешности средств измерений

Характеристики систематического компонента s погрешности измерительных приборов выбираются из следующего: значение систематического компонента s или математическое ожидание M [s] и стандартное отклонение [s] систематического компонента ошибки.
Характеристики случайной составляющей погрешности измерительных приборов выбираются из следующего: стандартное отклонение [] случайной составляющей погрешности, нормализованная функция автокорреляции (T) или функция спектральной плотности случайной составляющей погрешности.

Характеристика случайной составляющей H ошибки по гистерезису - это изменение H выходного сигнала (индикации) измерительного прибора.

В научно-технической документации (научно-технической документации) разрешается нормализовать функции или плотность распределения вероятностей систематической и случайной составляющих погрешности на измерительных приборах конкретных типов или типов.

Полный динамический ответ выбирается из следующего:

  • Переходный отклик h (t).
  • Характеристика импульсного отклика g (t).
  • Амплитудно-фазовая характеристика G (j).
  • Амплитудно-частотная характеристика A () - для минимально-фазных измерительных приборов.
  • Набор амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик.
  • Передаточная функция G (S).

Особые динамические характеристики аналоговых измерительных приборов, которые можно рассматривать как линейные.
Конкретные динамические характеристики включают любые функционалы или параметры полных динамических характеристик.

Примеры таких характеристик:

  • Время реакции tr.
  • Коэффициент демпфирования плотины.
  • Постоянная времени Т.
  • Значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте A (0).
  • Значение резонансной собственной круговой частоты 0.

Частные динамические характеристики аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифровых измерительных приборов (ЦИВ), время реакции которых не превышает интервал времени между двумя измерениями, соответствующий максимальной частоте (скорости) fmax измерений, а также в качестве цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).

Примерами частных динамических характеристик АЦП являются:

  • Время реакции tr.
  • Ошибка тд ссылочной датировки.
  • Максимальная частота (скорость) измерений fmax.
  • Примером конкретных динамических характеристик ЦАП является время отклика преобразователя tr.

Динамические характеристики аналого-цифровых измерительных приборов (включая измерительные каналы измерительных систем и измерительных и вычислительных систем, оканчивающихся на АЦП), время реакции которых превышает интервал времени между двумя измерениями, соответствующий максимально возможной частоте (скорости) ) fmax для этого типа измерительного прибора:

  • Полные динамические характеристики (п. 2.4.1) эквивалентной аналоговой части аналогово-цифровых измерительных приборов.
  • Точность датирования ссылок td.
  • Максимальная частота (скорость) измерений fmax.

В NTD, на цифровых измерительных приборах определенных типов или типов, наряду с установлением времени реакции или погрешности подсчета датировок, вы можете установить их отдельные компоненты, такие как время задержки запуска, время ожидания, преобразование время, время задержки вывода результата и т. д.

Для АЦП и ЦАП динамические характеристики должны указываться с учетом времени выполнения официальных операций, предоставляемых интерфейсом, в котором выполнены устройства обмена информацией этих измерительных приборов.

Характеристики измерительных приборов, отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерения вследствие взаимодействия измерительных приборов с любыми компонентами, подключенными к их входу или выходу (такими как объект измерения, измерительный прибор и т. Д.).

Примерами характеристик этой группы являются входное и выходное сопротивление линейного преобразователя.

Неинформативные параметры выходного сигнала измерителя.

Термопары. Принцип действия, конструкция, достоинства и недостатки

Явление термоэлектричества было открыто Зибеком в 1823 году и заключается в следующем. Если вы сделаете цепь из двух разных проводников (или полупроводников) A и B, соединив их вместе, и сделаете температуру одной точки подключения отличной от температуры другой, в цепи появится ЭДС , называемая термоэлектродвижущей силой (термоэдс) и представляющая собой разность температурных функций стыков проводников.

Такая схема называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой. Проводники, из которых состоит термопара, являются термоэлектродами, а их соединения соединены переходами.

При небольшой разнице температур между спаями термоэдс можно считать пропорциональным разнице температур.

Опыт показывает, что для любой пары однородных проводников, подчиняющихся закону Ома, значение термоЭДС. зависит только от природы проводников и от температуры контактов и не зависит от распределения температуры между контактами.

Действие термопары основано на эффекте Зеебека. Эффект Зеебека основан на следующих явлениях. Если вдоль проводника существует градиент температуры, электроны на горячем конце производят более высокие энергии и скорости, чем на холодном. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному концу, и отрицательный заряд накапливается на холодном конце, в то время как некомпенсированный положительный заряд остается на горячем конце. Поскольку средняя энергия электронов зависит от природы проводника и увеличивается по-разному с температурой, для одной и той же разности температур термоЭДС на концах разных проводников будет отличаться:

e1 = k1 (T1 - T2); e2 = k2 (T1 - T2)

где Т1 и Т2 - температуры горячего и холодного концов соответственно; k1 и k2 - коэффициенты, которые зависят от физических свойств 1-го и 2-го проводников соответственно. Результирующая разность потенциалов называется объемной термо-ЭФК:

eob = e1 - e2 = (k1 - k2) (T1 - T2).

В местах адгезии разнородных проводников возникает контактная разность потенциалов, которая зависит от площади и материалов соседних поверхностей и пропорциональна их температуре:

ek1 = kpovT1; ek2 = kpovT2

где кпов - коэффициент поверхностей касательных металлов. В результате появляется вторая составляющая начального напряжения - контакт термоэпс:

ek = ek1 - ek2 = кпов (T1 - T2)

Напряжение на выходе термопары определяется как сумма объемной и контактной термоэдс:
Uvih = eob + ek = (k1 - k2 + kpo) (T1 - T2) = k (T1 - T2)

где k - коэффициент передачи.

Основные преимущества термопар:

  • Широкий диапазон рабочих температур, это самая высокая температура контактных датчиков.
  • Контакт термопары может быть заземлен напрямую или приведен в непосредственный контакт с измеряемым объектом.
  • Простота изготовления, надежность и прочность конструкции.

Недостатки термопар:

  • Необходимость контролировать температуру холодных спаев. В современных конструкциях счетчиков на основе термопар температура блока холодных спаев используется с использованием встроенного терморезисторного или полупроводникового датчика, и вводится автоматическая коррекция измеренного значения TEMF.
  • Возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение калибровочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.
  • Материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться воздействию агрессивных сред, атмосферы и т. д.
  • На большой длине термопары и удлинительных проводов может возникнуть эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.
  • Температурная зависимость коэффициента термоЭДС не является существенно линейной. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигналов.
  • Если установлены строгие требования к времени тепловой инерции термопары, и необходимо заземлить рабочий переход, преобразователь сигнала должен быть электрически изолирован, чтобы исключить риск утечки на землю.

Методы улучшения метрологических характеристик и устранения ошибок термопар

Метрологическая погрешность термопары

Анализ причин появления ошибок измерений и выбор методов их выявления и устранения являются основными этапами процесса измерений. Ошибки измерения обычно делятся на систематические и случайные. В процессе измерения систематические и случайные ошибки появляются вместе и образуют нестационарный случайный процесс. Разделение ошибок на систематические и случайные - это удобный метод анализа и разработки методов, позволяющих уменьшить их влияние на результат измерения.

Рассмотрим методы обнаружения и устранения систематических ошибок, поскольку они зависят от выбора метода измерения и его реализации.

По характеру изменения систематические ошибки делятся:

  • Константа - ошибки, связанные с неточной калибровкой шкалы прибора, отклонением размера меры от номинального значения, неточным подбором моделей объектов.
  • Переменные
  • Периодическая - ошибка изменяется в соответствии с периодическим законом, например, эталонная ошибка при определении времени по башенным часам, если вы посмотрите на стрелку ниже, ошибка температуры из-за изменений температуры в течение дня и т. Д.
  • Прогрессивные - ошибки, монотонно изменяющиеся (увеличивающиеся или уменьшающиеся) в общем случае по сложному, обычно неизвестному закону. Во многих случаях прогрессивные ошибки вызваны старением элементов измерительных приборов и могут быть исправлены во время его периодической проверки.

В связи с возникновением ошибок измерений они делятся на три основные группы:

  • Методологические - ошибки, вызванные неадекватностью принятых моделей для реальных объектов, несовершенством методов измерения, упрощением зависимостей, лежащих в основе измерений, неопределенностью объекта измерения.
  • Инструментальные - ошибки, вызванные, прежде всего, особенностями принципов и методов измерения, применяемых в измерительных приборах, а также схемотехническим, конструктивным и технологическим несовершенством средств измерений.
  • Взаимодействия - за счет взаимовлияния измерительного прибора, объекта исследования и экспериментатора. Ошибки из-за взаимного влияния средств и объекта измерения обычно относятся к методологическим ошибкам, а ошибки, связанные с действиями экспериментатора, называются личными ошибками. Однако такая классификация не в полной мере отражает суть рассматриваемых ошибок.

Выявление и устранение причин ошибок является наиболее распространенным способом уменьшения всех видов систематических ошибок. Примерами этого метода являются: контроль температуры отдельных блоков или устройства в целом, а также измерения в помещениях с контролируемой температурой, чтобы исключить температурные ошибки, использование экранов, фильтров и специальных цепей (например, эквипотенциальных цепей) для устранения ошибки из-за влияния электромагнитных полей, датчиков и токов утечки; использование стабилизированных источников питания.

Чтобы уменьшить прогрессивную погрешность из-за старения элементов измерительных приборов, параметры таких элементов стабилизируются путем искусственного и естественного старения. Кроме того, систематические ошибки могут быть уменьшены за счет рационального расположения измерительных приборов по отношению друг к другу, источнику влияющих влияний и объекту исследования. Например, магнитоэлектрические устройства должны быть удалены друг от друга, оси индукторов должны быть расположены под углом 90 градусов, выводы термопар должны быть расположены вдоль изотермических линий объекта.

Многие систематические ошибки, которые являются постоянными во времени функциями влияющих величин или обусловлены стабильными физическими эффектами, могут быть теоретически рассчитаны и устранены путем введения поправок или использования специальных корректирующих схем.

Другим радикальным способом устранения систематических ошибок является проверка измерительных приборов в условиях эксплуатации с целью определения поправок к результатам измерений. Это позволяет учесть все систематические ошибки, не выявляя причин их возникновения. Степень коррекции систематических ошибок в этом случае, конечно, зависит от метрологических характеристик используемых эталонных приборов и случайных ошибок калибруемых приборов.

Фактически, проверка средств измерений перед их использованием и внесение поправок адекватны использованию средств измерений более высоких классов точности, при условии, что случайные погрешности средств измерений являются небольшими по сравнению с систематическими и систематическими ошибками. сами меняются со временем медленно.

Фактически, проверка средств измерений перед их использованием и внесение поправок адекватны использованию средств измерений более высоких классов точности, при условии, что случайные погрешности средств измерений являются небольшими по сравнению с систематическими и систематическими ошибками. сами меняются со временем медленно.

Метод инвертирования - широко используется для устранения ряда постоянных и медленно меняющихся систематических ошибок. Этот метод и ряд его разновидностей (метод устранения ошибок знака, инверсии переключения, структурной модуляции, двойных измерений, инвертирования функции преобразования и т. Д.) Основаны на распределении алгебраической суммы действительного числа информационных сигналов измерения , который, из-за инверсии, различаются в направлении информативного сигнала, опорный сигнал или знак ошибки.

Метод модуляции - это метод, близкий к методу инверсии, в котором входной сигнал периодически инвертируется, а помехи от однонаправленного воздействия подавляются.

Метод устранения знаковых ошибок является вариантом метода инверсии, который часто используется для устранения известных по своей природе ошибок, источники которых имеют направленное действие, например, ошибки из-за влияния постоянных магнитных полей, TEDS и т. Д.

Метод подстановки (метод одновременного сравнения) является наиболее универсальным методом, позволяющим устранить большинство систематических ошибок. Измерения проводятся в два этапа. Сначала измеренное значение подсчитывается считывающим устройством устройства, затем, сохраняя все экспериментальные условия без изменений, вместо измеренного значения на вход устройства подается соответствующее значение, значение которого устанавливается с помощью Регулируемая мера (калибратор), чтобы показания прибора были такими же, как при включении измеренного значения.

Метод равномерного сравнения является типом метода замещения; он используется в измерениях величин, которые невозможно воспроизвести с высокой точностью, используя контролируемые меры или другие технические средства. Обычно это величины, которые изменяются с высокой частотой или по сложному закону. В этом случае в качестве известных регулируемых величин используются значения того же типа, что и измеренные, но различающиеся по своему спектральному составу (как правило, постоянные во времени и пространстве) и создающие тот же сигнал, что и измеренное значение, на выходе сравнения конвертер.

Метод опорных сигналов - это то, что на вход измерительных приборов периодически вместо измеренного значения подаются опорные сигналы того же типа, что и измеряемая величина. Разница между фактической характеристикой калибровки используется для коррекции чувствительности или для автоматического ввода коррекции в результат измерения. В то же время, как и в случае метода замещения, устраняются все систематические ошибки, но только в тех точках диапазона измерений, которые соответствуют опорным сигналам. Метод широко используется в современных точных цифровых приборах и в информационно-измерительных системах. Примером использования этого метода является периодическая регулировка рабочего тока в компенсаторах и цифровых вольтметрах постоянного тока с использованием нормального элемента.

Метод испытания - при использовании этого метода значение измеренного значения определяется по результатам нескольких наблюдений, в которых в одном случае измеренный сигнал X является входным сигналом измерительного устройства, а в другом, так называемом тесты, которые являются функциями измеренного значения.

Метод вспомогательных измерений используется для устранения ошибок, связанных с влиянием величин и неинформативных параметров входного сигнала. Для реализации этого способа одновременно с измеренным значением X с использованием вспомогательных измерительных устройств каждая из влияющих величин измеряется и рассчитывается с использованием вычислительного устройства, а также формул и алгоритмов коррекции для результатов измерений.

Заключение

Метод симметричных наблюдений состоит в проведении нескольких наблюдений через равные промежутки времени и усреднении результатов наблюдений, симметрично расположенных относительно среднего наблюдения. Как правило, этот метод используется для устранения прогрессивных ошибок, которые изменяются линейно. Таким образом, при измерении сопротивления резистора путем сравнения напряжения на измеряемом и эталонном резисторах, соединенных последовательно и питаемых от общей батареи, может произойти ошибка из-за разряда источника питания.