Термометри опору

Принцип дії електричного термометра опору ґрунтується на властивості його чутливого елементу, виконаного з металу або напівпровідника, змінювати свій опір залежно від температури.

Термометри опору виготовляють із тонкого металічного дроту, який намотується на каркас із ізоляційного матеріалу (слюди, пластмаси, кварцу, кераміки). Для термометра опору в паспорті вказується залежність опору від температури у вигляді співвідношення:

R_t=R_o(1+At+Bt²),

де R_o-опір матеріалу, з якого виготовлений термометр при 0⁰С, коефіцієнти А, В встановлені для кожного термометра. Наприклад, для платини А=3,968470·10^-3 град^-1; В=5,8470·10^-7 град^-1.

Термометр опору поміщують у дослідне середовище, його опір вимірюється потенціометром, після чого на основі паспортних даних визначається значення температури.

Чутливий елемент термометрів опору виготовляють із платини (до 600°С), міді (до 200°С) або нікеля (до 150°C).

Оптичні пірометри

Технічні візуальні оптичні пірометри призначені для вимірювання температури від 800 до 4500°С і вище. Найбільш досконалим є монохроматичний пірометр із зникаючою ниткою розжарювання. Схема оптичного пірометра подана на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема оптичного пірометра

1 – об'єктив; 2 – сіре скло; 3 – пірометрична лампа; 4 – червоний світлофільтр; 5 – окуляр; 6 – вольтметр; 7 – реостат; 8 – джерело струму.

За допомогою об’єктива 1 зображення джерела випромінювання збігаються в одній площині із зображенням нитки пірометричної лампи 3. Переміщуючи окуляр, одержують різке зображення нитки розжарювання лампи на фоні джерела випромінювання. Потім за допомогою реостата 7 (у колі акумуляторної батареї 8) змінюють яскравість розжарювання нитки. У той момент, коли яскравість нитки дорівнює яскравості джерела випромінювання (у межах контрастної чутливості людського ока), тобто коли зображення нитки лампи зникає з поля зору спостерігача, проводять підрахунок температури на шкалі вольтметра 6, проградуйованого у градусах Цельсія. Постійність показників оптичного пірометра залежить від стабільності характеристик пірометричної лампи. У лампи з вольфрамовою ниткою протягом довгого часу залежність яскравості нитки від сили струму є сталою, якщо температура розігріву не більше 1500°С. Щоб виміряти більш високі температури, використовують сіре скло 2. Його оптична щільність така, що температура зображення не перевищує 1500°С.

Градуювання термопари

Після виготовлення термопари проводиться її градуювання за допомогою еталонної термопари, градуювальна крива якої відома, або за допомогою термометра опору. Крім еталонної термопари, необхідні електрична нагрівальна піч і лабораторний потенціометр.

Температура робочих кінців еталонної і дослідної термопари повинна бути однакова, тому їх розміщують у металевому блоці, який опускають у піч. Холодні спаї занурюють у пробірку з трансформаторним маслом, а пробірку встановлюють у суміш льоду з водою (льодовий термостат). Допускається градуювання термопар при температурі вільних кінців відмінних від 0°С. У цьому випадку температура вільних кінців повинна підтримуватися постійною і вимірюватись із високою точністю.

Послідовність виконання роботи

1. Включити електричну піч.

2. Дочекатися встановлення стаціонарного режиму.

3. Провести вимірювання термо-ЕРС спочатку еталонної термопари, а потім дослідної при температурах 20, 30, 40, 50, 70, 90, 100^оС.

4. Побудувати градуювальний графік залежності, t=f(ΔE).

Контрольні питання

1. Які існують методи вимірювання температури?

2. На яких принципах ґрунтується робота термопари та термометру опору?

3. Які бувають пірометри і в якому діапазоні температур вони використовуються? Принцип дії пірометрів випромінювання.

4. Мета та методи градуювання термопари.

5. Будова та принцип дії манометричних, біметалічних термометрів.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТУ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ІЗОЛЯЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ МЕТОДОМ «ТРУБИ»

Мета роботи:	Закріплення та поглиблення теоретичних знань з теорії теплопровідності, ознайомлення з методами та способами визначення коефіцієнту теплопровідності твердих ізоляційних матеріалів.
Прилади та обладнання:	Експериментальна установка, штангенциркуль, термометр, лінійка.

Теоретичні відомості

Теплопровідність – це передача тепла від більш нагрітого тіла до менш нагрітого шляхом безпосереднього контакту між цими тілами, або у середині тіла між його частинками.

Теплопровідність визначається тепловим рухом мікрочастинок тіла. У газах теплота передається за допомогою атомів і молекул, у металах переважно електронами, у діелектриках внаслідок коливання атомів, які складають кристалічну решітку.

Передача теплоти теплопровідністю пов’язана з різницею температур. Сукупність значень температур у кожній точці простору в даний момент часу називають температурним полем. Математично воно описується рівнянням:

t=f(x, y, z, τ),

де x, y, z – координати точки; τ – час.

Якщо температурне поле не змінюється з чаcом, то воно є стаціонарним, якщо змінюється – нестаціонарним. Крім того, температурне поле може бути одновимірним, двовимірним, тривимірним. Якщо теплота розповсюджується тільки в одному напрямку, то таке температурне поле називають одновимірним, якщо в двох напрямках – двовимірним, якщо в просторі – тривимірним.

Поверхня, в кожній точці якої температура однакова, називається ізотермічною.

Зміна температури у тілі може бути лише в напрямках, що перетинають ізотермічні поверхні, причому найбільш різка зміна температури на одиниці довжини спостерігається в напрямку перпендикулярному до ізотермічної поверхні.

Границя відношення зміни температури до відстані між ізотермічними поверхнями по нормалі за умови, що →0, називається градієнтом температури . Градієнт температур є векторна величина, що завжди напрямлена по нормалі до ізотермічної поверхні у бік збільшення температури і чисельно дорівнює частинній похідній від температури по цьому напрямку . За додатний напрямок градієнта обирається напрямок зростання температури:

.

Кількість теплоти, яка переноситься за одиницю часу, називають тепловим потоком або потужністю теплового потоку Q.

Тепловий потік, що проходить через одиницю площі поверхні, називають густиною теплового потоку:

.

Густина теплового потоку є векторною величиною, напрямленою в протилежний бік градієнта температур, оскільки теплота завжди розповсюджується у бік зменшення температури.

Теорію теплопровідності вивчав французький вчений Фур’є, який встановив, що теплова потужність, яка передається теплопровідністю, пропорційна градієнту температури й площі перерізу, перпендикулярному напрямку теплового потоку:

,

або:

,

де λ – коефіцієнт теплопровідності, який показує, як дане тіло проводить тепло.

Сформулюємо фізичний зміст коефіцієнта теплопровідності: це тепловий потік, який проходить через одиницю поверхні при зміні температури на 1 градус на одиниці довжини:

.

Коефіцієнт теплопровідності визначають експериментально і заносять у довідкові таблиці.

Знак «–» в рівнянні Фур'є показує, що вектори густини теплового потоку і градієнта температури напрямлені в різні боки.

Матеріали, теплопровідність яких менша λ < 0,2, називають теплоізоляційними.

Рис. 2.1. Графічна інтерпретація рівняння Фур’є

Експериментальним шляхом встановлено, що коефіцієнт теплопровідності залежить від властивостей речовини (його густини, структури, вологості і т.д.) та параметрів стану (тиску температури). Залежність теплопровідності від температури виражається формулою:

,

де ₀ – значення коефіцієнта теплопровідності  при 0^оС;  – стала, яка залежить від властивостей матеріалу.

Для всіх твердих матеріалів, крім металів,  зростає зі збільшенням температури , для металів – падає.

Із рівняння Фур’є можна одержати формулу для теплового потоку Q, який проходить через циліндричний шар за одиницю часу:

,

де d₁ і d₂ – внутрішній і зовнішній діаметри циліндра (d₁= 5мм, d₂= 35мм); l - довжина циліндра (l =0,5м); t₁ і t₂- температури внутрішньої і зовнішньої поверхонь циліндра.