Kalibrierung eines Thermoelementes

2
Grundlagen
2.1
Fachbegriffe
• Strom I, Spannung U , Widerstand R, elektrische Leistung P , Thermoelement, Seebeck-Effekt, Peltier-Effekt, Kompensationsschaltung,
Physikalisches Grundlagenlabor
• elektrische Energie, Wärme, Temperatur, Thermospannung
Versuch 4.4 Kalibrierung eines Thermoelementes
2.2
1
Theorie
In einem Stromkreis aus zwei verschiedenen Leitern wird eine elektrische Spannung Uth erzeugt, wenn die beiden Kontaktstellen (Lötstellen) unterschiedliche
Temperaturen haben (Seebeck-Effekt). Ist der Stromkreis geschlossen, so fließt
durch die Leiter ein elektrischer Strom. Die elektrische Leistung wird - wie bei
jeder anderen Wärmekraftmaschine - durch Zufuhr von Wärmeenergie an der
wärmeren und Abgabe von Wärmeenergie an der kälteren Kontaktstelle erzeugt. Die Umkehrung des Seebeck-Effekts, d.h. Entnahme von Wärmeenergie
an der kälteren Kontaktstelle und Abgabe von Wärmeenergie an die wärmere
bei gleichzeitiger Zufuhr elektrischer Energie (Wärmepumpe), heißt PeltierEffekt.
Die Thermospannung ist in erster Näherung der Temperaturdifferenz ∆T
der Kontakte proportional:
Uth = α · ∆T
(1)
Geräte
• Thermoelement
• Thermometer
• Walzenbrücke
• Galvanometer
• Dewargefäß
V
V
Der Koeffizient α liegt für Metalle in der Größenordnung 10−5 K
bis 10−4 K
.
Man kann die Thermospannung zur Temperaturmessung benutzen. Dazu werden zwei Drähte aus verschiedenen Metallen miteinander verschweißt oder verlötet (Thermoelement). Einen Lötstelle befindet sich auf einer konstanten Tem-
• Vorwiderstand, Stativmaterial
• Wärmebad mit Umwälzthermostat
1
erstellt: 26.8.2016
peratur, z.B. der Temperatur schmelzenden Eises, die andere erhält die zu
messende Temperatur.
R1
R
3
G
Versuch
R
U0
2
Ein Thermoelement ist im Bereich zwischen 0◦ C und 100◦ C zu kalibrieren. Als
UTH
Referenz wird ein Quecksilberthermometer benutzt. Eine Lötstelle des Thermoelements befindet sich in einem Dewargefäß mit schmelzendem Eis (Referenzersetzen
temp. 0◦ C). Die andere wird in ein Wasserbad getaucht, dessen Temperatur
Abbildung 1: Kompensationsschaltung
mit Hilfe eines Thermostat schrittweise von 0◦ C auf 100◦ C erhöht wird.
Die Thermospannung wird als Funktion der Temperatur für die Als Ausgangsspannung wird an der Spannungsquelle U0 = 2V eingeAufheiz- und die Abkühlphase mit einer Kompensationsschaltung (Bild: stellt.
2Kompensationsschaltungfigure.caption.2) gemessen.
Die Walzenbrücke (RW = R1 + R2 ) wird so eingestellt, daß die an dem
Widerstand R2 liegende Spannung die Thermospannung kompensiert,
d.h. im Thermoelementkreis durch das Galvanometer kein Strom fließt.
Für die Thermospannung gilt dann:
UT h. =
R2
· U0
R + R1 + R2
(2)
Die Walzenbrücke ist in Skalenteilen geeicht, für die Widerstände R1 und R2
gilt:
R1
=
RW ·
abgelesene Skalenteile
1000 Skalenteile
(3)
R2
2
=
RW
1000 − abgelesene Skalenteile
·
1000 Skalenteile
erstellt: 26.8.2016
Die gemessenen Thermospannungen werden als Funktion der Temperatur auf
Millimeterpapier aufgetragen. Der Proportionalitätsfaktor α ist durch eine Regressionsrechnung zu bestimmen.
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erstellt: 26.8.2016