شکل 1: شماتيک اتصال دو فلز طال و آلومينيوم با دو تابع کار متفاوت. این مقدار در حد ميکرو ولت است و به جنس فلز و دمای اتصال بستگی دارد.

Transcript

1 پدیده ترموالکتریک و دماسنجی با ترموکوپل هدف آزمایش: آشنایی با پدیده ترموالکتریک بررسي بستگي اختالف پتانسيل ترمو الکتریک به تغييرات دما مشاهده اثر پلتيه. ساخت و کاليبراسيون ترموکوپل سرد سازی با استفاده از اثر پلتيه به طوري كه مقدار متوسط آن در حدود ٠١ ٨٢ الكترون دارند مباني نظري: اختالف پتانسیل در اتصال دو فلز فلزات تعداد بسيار زيادي الكترون آزاد است.تفاوت انرژی است. البته ميزان دقيق آن هادر فلزات مختلف متفاوت آزاد در متر مكعب الکترون هایی که بيشترین انرژی را در فلز ات دارند )سطح فرمی( تا سطح صفر انرژی) حالت آزاد( متفاوت با یکدیگر در تماس الکتریکی قرار می گيرند چون وقتی دو فلز با تابع کار را تابع کار گویند. در اتصال اختالف پتانسيلی معادل اختالف تابع کار ایجاد می سطوح فرمی هم سطح می شوند e φ اختالف دو تابع کار فلز طال با آلومينيوم معادل شود که پتانسيل اتصال نام دارد.درشکل زیر است. شکل 1: شماتيک اتصال دو فلز طال و آلومينيوم با دو تابع کار متفاوت. این مقدار در حد ميکرو ولت است و به جنس فلز و دمای اتصال بستگی دارد. اختالف پتانسیل ترموالکتریک اگر دو سر یک قطعه فلزی در دو دمای مختلفی باشند اختالف دما موجب اختالف پتانسيل بين اين دو نقطه مي شود كه اختالف پتانسیل ترموالكتريك نام دارد. این به دليل تفاوت سرعت ميانگبن الكترون ها و بيشتر بودن در نقطه گرم نسبت به نقطه سرد است.در نتيجه بطور ميانگين تعداد الكترون هايي كه از نقطه گرم به سرد در واحد زمان ميروند بيشتر از جهت عكس است یعنی در نقطه سرد پتانسيل منفي و در نقطه گرم پتانسيل مثبت ايجاد مي گردد. این پدیده را اثر سيبک گویند و مقدار آن بستگی به جنس و دما دارد. اختالف پتانسيل برای اختالف دمای یک درجه کلوین را ضریب سی بک نامند. جدول 1 مقادیر این ضریب را برای چند ماده نشان می دهد.

2 ساختار ترموکوپل براي اندازه گيري اختالف پتانسيل ترمو الكتريك نميتوان نقاط سرد و گرم نمونه را به ولتمتر متصل نمود زيرا معموال اتصاالت الکتریکی نمونه ها به ولت متر از طریق سيم های مسی و ولتمتر در دمای اتاق قرار می گيرد. حال برای درک ارتباط ولتاژ اندازه گيری شده به جنس و دما باید بستگی دمایی ولتاژ دو سر اتصاالت را بررسی کنيم.مشاهدات نشان می دهد ولتاژ دو سر اتصال دو فلز غير مشابه که اصطالحا ترموکوپل ناميده می شود بستگی به جنس دو فلز و دما دارد. بنابر این با دانستن جنس فلزات و اندازه گيری اختالف پتانسيل می توان دمای محل اتصال را اندازه گيری کرد. در عمل سعی می شود از فلزاتی استفاده شود که بستگی ولتاژ به دما خطی باشد و بتوان از ترموکوپل ها در دماسنجی استفاده کرد. انواع مختلف مواد تر موکوپل های رایج و ضرایب سی بک آنها در چدول 1 نمایش داده شده است. جدول 1: مواد مناسب با ضریب سی بک نسبتا زیاد برای داشتن ترموکوپل قا بل استفاده در مصارف آزمایشگاهی معموال از آرایش شکل 2 استفاده می شود در این چيدمان یک اتصال در یک دمایی مرجع که معموال دمای صفر است استفاده شده و اتصال دیگر در دمای مورد نظر و نقاط اتصال به ولت متر در دمای اتاق هستند. در این صورت ولتاژ اندازه گيری شده عبارتست از اختالف دو ولتاژ ترموالکتریک دو سيم Aو. B )ثابت نمایيد ولتاژ اتصاالت بدليل اختالف توابع کار در اندازه گيری با این آرایش وارد نمی شود(.

3 شکل 2: شماتيک اندازه گيری معمول دما در آزمایشگاه ها ولتاژ اندازه گيری شده متناسب با اختالف دماي محيط هاي سرد و گرم است.اگر محيط سرد ثابت مثال صفر و یا در دماي اتاق باشد عدد ولتمتر بستگي به دماي محبط گرم دارد و مي توان از آن بعنوان دماسنج ترموكوپل استفاده نمود. پس ترموكوپل ها ابزار مناسبي براي دما سنجی در دماهای زیادتر و کمتر از صفر که دماسنج های جيوه ای و یا الکلی قادر به کار نيستند می باشند و بنابر این در صتایع مختلف کاربردهای فراوانی دارند. چندین نوع متداول در بازار در جدول 3 ارایه شده است. )چند مثال از کاربردها ی ترموکوپل های جدول 3 را ارایه دهيد.( اثر پلتیه و اثر تامسون Peltier and Thomson effects در 1834 ميالدی پلتيه دریافت که جریان الکتریکی عبوری از یک اتصال از فلزات غير مشابه منجر به سرد و یا گرم شدن نقطه اتصال می شود. در سال 1131 "لنز" نشان داد که بسته به جهت جریان نقطه اتصال فلزات تا حدی که آب منجمد و به یخ تبدیل شو د سرد شده و یا با تغيير جهت جریان گرم و یخ ذوب می شود. حرارت جذب و یا ایجاد شده در نقطه اتصال با ميزان جریان الکتریکی متناسب است. این تناسب دارای ثابت تناسبی به نام "ضریب پلتييه" است. بيست سال بعد ویليام تامسون که مدتی بعد لقب "لرد کلوین" را دریافت نمود توضيح جامعی از اثر های سی بک و پلتيه ارایه و رابطه بين آنها را تشریح کرد که به عنوان روابط کلوین شناخته می شوند. مواد نيمه هادی متعددی برای اتصاالت ساخته و در صنعت از این پدیده در سرد سازی استفاده می شود.) روابط کلوین و یک حوزه کاربردی را بيابيد(.

4 جدول 2: انواع ترموکوپل های رایج و مشخصات آنها نکات ایمنی آزمایش ها سعی كنيد كه روكش سيمها با سطح هيتر تماس پيدا نكنند. مایعات بر روی ميز نریزند و قسمت های بدون روکش سيم ها با بدنه ظروف فلزی تماس نداشته باشند. در کار با شعله به نکات ایمنی توجه کنيد. آزمایش 1 مشاهده اثر سی بک وزنه مگنت را مطابق شکل 3 روی جک آزمایشگاهی مطابق شکل قرار دهيد و ترموکوپل مس کنستانتين قطور را بين شيار مگنت قرار داده و قرص حلقه دار را روی آن قرار دهيد و فشار دهيد تا کامال دو سطح بهم بچسبد. سپس با پر کردن یک بشر از آب قسمت اعظم سر ميله قطور مسی که قائم است را در آب قرار دهيد. حال با روشن کردن فندک شعله را نزدیک سر دیگر برده و حدود چند دقيقه آن سر را گرم کنيد. مشاهده می کنيد که براحتی دیگر نمی توانيد وزنه )قرص حلقه دار( را از روی مگنت جدا کنيد. چرا جریان الکتریکی ناشی از اثر ترموالکتریک و ميدان مغناطيسی ایجاد شده تقریبا چقدر است

5 شکل 3: مجموعه آزمایش مشاهده اثر ترموالکتریک آزمایش 2: مشاهده اثر سی بک عقربه مغناطيسی که بين دو فلز با دو اتصال قرار دارد )شکل 4 (را روی پایه قرار داده و یکی از اتصاالت را با شعله گرم کنيد و حرکت عقربه را مشاهده کنيد. دليل حرکت چيست آیا ميزان انحراف بستگی به اتصال ها دارد به جهت ابتدایی ميله ها نسبت به ميدان زمين چطور ا سم شکل 4: عقربه مغناطيسی محصور بين دو اتصال فلزی آزمايش : 3 کالیبراسیون ترموکوپل مواد و وسايل مورد نیاز: ميكرو ولتمتر بشر دماسنج الكلي هيتر برقي كنستانتين+كروم نيكل كنستانتين+آهن ویا ترموكوپل هاي كنستانتين+ ویا مراحل آزمايش: مقدار که بر روی هيتر قرار دارد جای داده و یکی از ترموکوپل ها را در ظرف حاوی آب و یا روغن تا دمای مشخص شده توسط مسئول آزمایشگاه ولتمتر را نسبت به دما ولتاژ خوانده شده توسط که با دماسنج قرائت می کنيد ثبت نمایيد. دقت کنيد که دما سنج و ترموكوپل را طوري در آب قرار دهيد كه اوالاسر ترموكوپل و مخزن دماسنج تا حد ممکن به هم نزديك باشند و ثانيا هيچكدام با

6 و( كف ظرف در تماس نباشند. دقت نمایيد ولتمتر قبل از اتصال ترموکوپل با اتصال کوتاه کردن و یا دکمه تنظيم صفر شود. با استفاده از داده هاي گردآوري شده نمودار ولتاژ ترموكوپل ها را بر حسب دما رسم و تابع رياضي نمودار حاصل را بدست آوريد. دماسنج هاي ترموكوپل چه امتيازاتي نسبت به دماسنج هاي ديگر دارند آزمایش 4: ساخت ترموکوپل با دو قطعه سيم یک ترموکوپل بسازید و آنرا با ترمو پل موجود آنرا برای یک محدوده دمایی حداقل 22 درجه مدرج کنيد. آیا ولتاژ اندازه گيری شما بستگی به نحوه اتصال دو سيم دارد چگونه اتصا ل قابل اطمينان) از نظر پایداری و تکرار پذیری( ایجاد کنيم. آزمایش 5: سرد سازی با عبور جریان از اتصال سرد ساز مورد استفاده از شرکت نيو کيت است )شکل 5 در اصل شامل تعداد زیادی از اتصاالت دو فلز و یا نيمه هادی غير همجنس سری شده است. با اتصال آن به ولتاژ مستقيم DCیکطرف آن به شدت سرد و طرف دیگر به شدت داغ می گردد. برای سرد سازی حرارت ایجاد شده در طرف داغ باید توسط هيت سينک بزرگ و مناسب توام با فن بطور مناسبی دفع کرد ودر صورتيکه آنرا بدون اتصال به هيت سينک مناسب راه اندازی کنيد این قطعه بسرعت خواهد سوخت. مشخصات فنی این قطعه از این قرار است: 4 در 4 سانتيمتر ابعاد 12 ولت مستقيم ولتاژ کار 15/2 ولت مستقيم حداکثر ولتاژ مجاز آمپر 6 حداکثر جریان مصرفی وات 56/5 حداکثر توان 02 درجه سانتيگراد حداکثر اختالف دمای پشت و رو اگر طرف گرم را خنگ نکنيم قطعه با یخ زدن آب مشاهده کنيد. چرا با عبور جریان سرد سازی را چه موادی مناسب برای این سرد سازها می سوزد چند کاربرد از این المان را کر کنيد. هستند