Измерение температуры

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА

Лабораторный практикум

Составитель Н.А. Овчинников

Ковров –2006.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы: Ознакомление с различными средствами измерения температуры.

Задание: 1. Изучить методы и средства измерения температуры.

2. Измерить температуру термоэлектрическим термометром.

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Температура - физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества.

Так как кинетическая энергия является функцией массы и скорости, то для измерения температуры в соответствии с данным определением необходимо уметь измерять массы и скорости всех молекул тела с целью их последующего усреднения, что на практике на современном уровне развития науки и техники не может быть реализовано. Таким образом, непосредственно температуру измерить нельзя. О температуре судят опосредованно, измеряя температурное изменение других физических свойств, которые могут быть достаточно просто и точно измерены непосредственно. К числу таких физических свойств в первую очередь относятся объём, давление, электрическое сопротивление, термоэлектрический эффект, интенсивность теплового излучения. Первое достоверно известное устройство для измерения температуры было создано Г. Галилеем около 1595 г. Этот прибор (термоскоп) использовал явление изменения объёма газа при нагревании и охлаждении. Однако этот прибор имел большой недостаток: его шкала была относительной и показания не могли быть выражены в численной форме. Для количественного выражения значений температуры используется температурная шкала.

Температурная шкала – система значений температуры, основанная на 2-х и более опорных (реперных) точках шкалы (от французского слова repere – метка). Первая температурная шкала была введена в начале 18 века изобретателем ртутного термометра Г. Фаренгейтом (G. Fahrenheit), опирающейся на две опорные точки. В качестве нижней опорной точки (0°F) он использовал температуру замерзания солевого раствора – самую низкую температуру, воспроизводимую в то время, а в качестве верхней точки – температуру тела человека (96°F – в старину было принято считать дюжинами). Сам изобретатель определял вторую опорную точку своей шкалы как температуру под мышкой здорового англичанина. Привычная нам десятичная температурная шкала была предложена А.Цельсием (A. Celcius) в 1742 году. В качестве опорных точек для неё используются температура плавления льда (0°С) и температура кипения воды (100°С). Известны и другие температурные шкалы (Реомюра, Ренкина и др.), основанные на реперных точках, значения температуры в которых присваивались их авторами в зависимости от субъективных соображений. В связи с этим одна и та же измеряемая температура в различных температурных шкалах получала разное числовое выражение.

Развитие молекулярно-кинетической теории строения вещества привело к современному пониманию температуры как меры средней кинетической энергии вещества и созданию на этой основе абсолютной термодинамической шкалы температур, предложенной в начале 19 века английским ученым лордом Кельвином (Kelvin). Началом отсчета в этой шкале служит абсолютный нуль температуры, т.е. состояние при котором прекращается всякое тепловое движение молекул. Связь между значениями температуры в различных температурных шкалах устанавливается с помощью следующих соотношений:

Для обеспечения единства измерений температуры в качестве международного стандарта в 1968 году была принята Международная Практическая Температурная Шкала МПТШ-68. В настоящее время в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году версия этой шкалы ITS-90, столь близкая к абсолютной термодинамической шкале насколько это возможно на современном уровне развития техники измерений. В качестве опорных точек этой шкалы приняты температуры состояний фазового равновесия химически чистых веществ, значения которых приведены в таблице1.

Таблица 1.

Перечень основных опорных точек ITS-90

Все средства измерения температуры обобщенно можно называть термометрами. Одна из наиболее общих систем классификации термометров основана на следующем признаке - температурная зависимость какого физического свойства положена в основу измерения. Согласно данной классификации различают средства измерения температуры, основные разновидности которых представлены в таблице 2

Таблица 2.

Основные типы средств измерения температуры.

.

1.1 Жидкостные стеклянные термометры.

В жидкостных стеклянных термометрах используется термометрическое свойство теплового расширения тел. В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть, имеющую одно из самых высоких среди жидкостей значение коэффициента термического расширения. Однако при атмосферном давлении ртуть находится в жидком состоянии в относительно узком температурном интервале

(-37,8…+350°С), поэтому для измерения низких температур используются низкотемпературные органические жидкости, к числу которых относятся спирты и индивидуальные углеводороды (бензол, толуол, пентан и др.). К достоинствам жидкостных стеклянных термометров относится хорошее сочетание простоты применения и невысокой стоимости при достаточно высокой точности измерений. К недостаткам относятся ремонтонепригодность, невозможность дистанционного измерения температуры и автоматической записи показаний.

1.2. Биметаллические преобразователи температуры.

Принцип действия основан на тепловом расширении твердых тел, состоящих из сваренных пластин с разными коэффициентами расширения. При нагреве биметаллических элементов происходит деформация, которая приводит в действие указательную систему. Биметаллические преобразователи в основном применяют в качестве элементов компенсации температурных погрешностей приборов, а также датчиков температурных реле. Достоинствами биметаллических преобразователей являются простота конструкции и надежность в работе.

1.3. Манометрические термометры.

Манометрические термометры основаны на зависимости температуры от давления при постоянном объёме системы. Манометрические термометры состоят из небольшого баллона в качестве температурного датчика, погруженного в измеряемую среду и заполненного газом или легкокипящей жидкостью с высокой упругостью паров, что повышает чувствительность в сравнении с газовыми термометрами. Баллон соединен гибкой капиллярной трубкой с манометром, шкала которого проградуирована в градусах температуры. Конструкция манометрического термометра представлена на рис. 1.

Рис.1. Схема манометрического термометра

К достоинствам манометрических термометров следует отнести возможность измерения температуры на расстоянии. Однако это расстояние невелико (всего несколько десятков метров) из-за того, что при передаче сигнала измерительной информации по трубке на большое расстояние он существенно искажается вследствие потерь давления по длине. К недостаткам относятся громоздкость конструкции и относительно невысокая предельная точность измерения.

1.4. Термометры, основанные на температурной зависимости электрического сопротивления.

Для нахождения температуры используется измерение изменения электрического сопротивления при соответствующем изменении температуры. Чувствительные элементы этих термометров (датчики температуры) изготавливаются из чистых металлов или полупроводниковых материалов. В первом случае в технике эти термометры называются металлическими термометрами сопротивления, во втором случае термисторами или терморезисторами. В качестве металлов для изготовления технических термометров сопротивления применяют медь и платину. Медь относительно недорога и имеет строго линейную температурную зависимость сопротивления. Однако использовать медь можно только в относительно узком температурном интервале

(-50…+180°С) вследствие того, что при более высоких температурах медь интенсивно окисляется. Для измерения температур в более широком интервале

(-260…+1100°С) используется платина, имеющая высокую термическую стабильность. Технические медные и платиновые термометры сопротивления обозначаются соответственно ТСМ и ТСП. К достоинствам металлических термометров сопротивления относится высокая точность измерения в широком интервале температур, а к недостаткам – необходимость использования в измерительной схеме высокостабильного источника тока.

Терморезисторы изготавливают из медно-кобальто-марганцевых оксидных полупроводников. Термисторы представляют собой полупроводниковые элементы с p-n переходами – диоды, транзисторы, стабилитроны. Терморезисторы и термисторы имеют высокое значение температурного коэффициента сопротивления, что обуславливает их высокую чувствительность и малую инерционность, однако недостатком является нелинейная зависимость сопротивления от температуры и большой разброс сопротивления (до 20%) даже для одного типа терморезистора, что снижает точность измерений. Кроме того, температурный интервал их применения ограничен, вследствие низкой термической стойкости полупроводниковых материалов.

1.5. Пирометры излучения.

Принцип действия пирометров основан на зависимости интенсивности теплового излучения тел от температуры. Тепловое излучение может распространяться в пространстве даже в вакууме, поэтому эти средства применяются в качестве бесконтактных средств измерения, т.е. не требующих непосредственного контакта между объектом и средством измерения. Вследствие этого основная сфера их использования – это измерение сверхвысоких температур (порядка нескольких тысяч градусов), где контактными средствами измерения пользоваться невозможно из-за опасности их физического разрушения или измерение температуры труднодоступных для непосредственного контакта объектов, например температуры больших участков местности при аэрокосмической съёмке, объектов в зоне химического или радиационного заражения. Таким образом, к достоинствам пирометров следует отнести возможность бесконтактного измерения температуры, а значит отсутствие влияния на объект измерения, высокое быстродействие. Недостатком пирометров является относительно большая абсолютная погрешность определения температуры, т.к. согласно закону Стефана-Больцмана излучательная способность тела пропорциональна 4-й степени его абсолютной температуры. Однако при измерении высоких температур соответствующая относительная погрешность может оказаться вполне сравнимой с величиной относительной погрешности других средств измерения температуры.

1.6. Термоэлектрические термометры.

Термоэлектрические термометры основаны на физическом эффекте возникновения термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) в цепи, состоящей из 2-х разнородных проводников, соединенных между собой спаями, если температуры этих спаев различны. Этот эффект был открыт в 1821 году немецким ученым Т. Зеебеком (T. Seebeck). ТермоЭДС зависит только от материала термоэлектродов и разности температур спаев:

,

где a - коэффициент Зеебека.

Конструкция из 2-х или более разнородных электродов, соединенных спаями, называется термопарой. Определить разность температур спаев можно, измерив величину термоЭДС. Для этого в цепь термопары должен быть включен прибор для измерения разности потенциалов. Это может быть милливольтметр или потенциометр постоянного тока. Если температура контактов прибора для измерения ТЭДС, к которым подключается термопара, одинакова, то это не искажает значение ТЭДС, развиваемое термопарой.

Таким образом, термоэлектрический термометр представляет собой комплект, в состав которого входят термопара в качестве первичного преобразователя, т.е. датчика температуры, и прибор для измерения ТЭДС.

Однако на практике, как правило, интерес представляет не знание разности температур спаев, а температура одного из них, который находится в контакте с объектом измерения. В этом случае температура другого спая должна оставаться неизменной в процессе измерения и быть известна. В связи с этим условно различают горячий (или рабочий) и холодный спаи термопары. Для соблюдения этого условия в технике при точных измерениях принято поддерживать эту температуру равной 0°С, для чего холодный спай термопары в процессе измерений находится в сосуде с тающим льдом.

Значение температуры, соответствующее измеренному значению термоЭДС, определяется по известной для данного типа термопары зависимости Е = f (T₁-T₂), которая называется градуировочной характеристикой термопары. Градуировочная характеристика может быть представлена в форме таблицы, графика или аналитической зависимости.

В случае, если холодный спай термопары находится при температуре, отличной от 0°С, при определении температуры рабочего спая необходимо учитывать поправку на температуру холодного спая. Схема термоэлектрического термометра представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема термоэлектрического термометра

К материалам для изготовления термопар предъявляется ряд специальных требований:

- высокая ТЭДС. Наилучшее сочетание материалов термоэлектродов то, при котором величина ТЭДС, развиваемой на 1 градус изменения температуры, максимальна. В этом случае выше точность измерения и чувствительность прибора;

- термическая и химическая стабильность;

- относительная дешевизна;

- достаточная пластичность, чтобы иметь возможность изготавливать электроды в виде проволоки различной толщины.

Несмотря на то, что эффект Зеебека проявляется у достаточно большого числа различных материалов, удачное сочетание качеств, отвечающее комплексу вышеназванных требований, предъявляемых к материалам для термопар современной производственной практикой, встречается достаточно редко. Это обстоятельство приводит к необходимости создания специальных сплавов для изготовления термопар. Наиболее чувствительной среди термопар является хромель-копелевая термопара (тип ТХК), развивающая ТЭДС 66,42 мВ/град. Термопары, выпускаемые промышленностью серийно, называются стандартными. Основные типы стандартных термопар и их параметры в соответствии с международной спецификацией представлены в таблице 3. Хромель-копелевая термопара не относится к числу стандартных согласно международной классификации, однако в России выпускается серийно, несмотря на относительно ограниченный диапазон рабочих температур (от –50 до +600°С).

Различают следующие основные варианты конструктивного исполнения термопар:

- неизолированная тонкопроволочная с открытым контактом;

- изолированная с открытым контактом;

- изолированная на самоклеющейся основе;

- изолированная в керамической оболочке;

- в металлическом корпусе с встроенными клеммами для установки в гильзу.

Таблица 3.

Основные типы стандартных термопар в соответствии с международной спецификацией.

*В таблице приведены типы, совпадающие с международным стандартом.

Термоэлектрические термометры обладают следующими достоинствами в сравнении с другими средствами измерения температуры:

- высокая точность измерения при широком диапазоне измеряемых температур;

- возможность измерения температуры в труднодоступных местах благодаря малым размерам чувствительного элемента;

- возможность дистанционного измерения температуры и передачи сигнала измерительной информации на большие расстояния, использования его непосредственно без промежуточных преобразований в системах автоматического регулирования и компьютерного управления, т.к. он вырабатывается в форме электрического сигнала;

- возможность измерения температуры в нескольких точках с помощью одного вторичного прибора (многопозиционное измерение);

- отсутствие необходимости включения в измерительную цепь высокостабильного источника питания;

- относительная дешевизна.

Совокупность вышеназванных качеств послужила причиной того, что термоэлектрические термометры нашли самое широкое применение в различных сферах производственной деятельности и относятся к средствам измерения общепромышленного назначения, знание которых включает кругозор технически грамотного специалиста любого профиля.

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

Схема стенда для выполнения работы представлена на рис. 3

Рис.3. Схема стенда

Лабораторный стенд имеет в своём составе колбу с водой 2, которая помещается на электрическую плитку 3. В колбу для измерения температуры воды помещается термопара 1, рабочий спай которой находится при температуре измеряемой среды. Для измерения ТЭДС, развиваемой термопарой, в цепь включен потенциометр постоянного тока 7. Для подключения термопары к потенциометру служат удлиняющие провода 4, которые припаяны к термоэлектродам термопары, образуя, таким образом, холодный спай термопары, который находится в сосуде Дьюара 6 с тающим льдом при температуре 0°С. Для предотвращения короткого замыкания между термоэлектродами при проведении измерений точки присоединения удлиняющих проводов к термоэлектородам помещаются в пробирку 5 с трансформаторным маслом.

Порядок выполнения работы заключается в следующем:

1. Заполнить колбу дистиллированной водой.

2. Заполнить сосуд Дьюара льдом и добавить небольшое количество воды.

3. Собрать измерительную цепь термоэлектрического термометра.

4. Включить электрическую плитку в сеть и нагреть воду, доведя её до кипения.

5. Выполнить настройку потенциометра постоянного тока.

6. Выполнить измерение ТЭДС, развиваемой термопарой.

7. По градуировочной характеристике термопары определить температуру кипения воды.

8. Представить результат измерения в градусах по шкале Цельсия, Кельвина, Фаренгейта, Реомюра..

9. Занести в протокол данные о типе используемой термопары и характеристиках потенциометра постоянного тока, краткое описание порядка выполнения работы и результаты измерений и расчетов.

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Что называется температурой и какой смысл имеет выражение о том, что «непосредственно измерить температуру нельзя»?

2. Что называется температурной шкалой?

3. В чем принципиальное отличие шкалы Кельвина от других шкал?

4. Какой признак положен в основу наиболее общей классификации средств измерения температуры?

5. Какие существуют типы термометров, их достоинства и недостатки?

6. Какие методические особенности присущи измерению температуры посредством термоэлектрического термометра?

7. Чем обусловлено широкое применение термоэлектрических термометров в производственной практике?

Date: 2015-05-08; view: 1232; Нарушение авторских прав