ДОНБАССКИЙ ГОCУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

ОТЧЕТ

по лабораторной работе № __

“ ___________________________________

Выполнил

_________________________

Принял

ст.преп. Канчукова М.В.

Алчевск 2013

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

ИЗУЧЕНИЕ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ

Цель - изучить наиболее распространенные способы измерения темпе­ратуры и давления, применяемые в промышленных теплоэнергетических и теплотехнических установках, конструкции и принципы работы прибо­ров для измерения температуры и давления.

1.1 Общие указания

Прежде чем приступить к изучению способов измерения термодинамических параметров (Р и Т), проработайте соответствующие разделы курса "Термодинамика и теплотехника" по конспекту и работам [1.2] Термодинамические параметры состояния, удельный обтаем (υ). абсолютное давление ( Р_абс ) и абсолютная температура ( Т ) являются величина­ми, которые играют важную роль при составлении уравнений состояния идеальных и реальных газов, анализе термодинамических циклов и процессов, протекающих в тепловых и холодильных машинах. Удельный объем обычно рассчитывают, а температуру и давление измеряют.

Одним из важнейших термодинамических параметров является абсо­лютная температура. Для измерения температуры применяют различ­ные шкалы – Цельсия, кельвина, Фаренгейта и др. Наиболее употребительной явяляется международная стоградусная температурная шкала (шкала Цельсия, ^оС), в которой интервал температур от точки плавления льда до точки кипения воды при атмосферном давлении разбит на сто равных частей (градусов). Особо важную роль в термодинамике играет так называемая термодинамическая шкала температур (шкала Кельвина, К). Соотношение между шкалой Цельсия и Кельвина следующие:

Т, К = t, ^оС + 273,15

t, ^оС = Т, К - 273,15.

Другой важный параметр состояния – абсолютное давление –представляет собой силу, действующую по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности. Необходимо знать, что что избыточное давление не является параметром состояния, поскольку оно зависит от давления окружающей среды. Основной единицей измерения давления в системе СИ является Паскаль (1 Па = 1 Нм²), используется также килопаскаль, мегапаскаль и т.д.: 1 Па = 10^-3 кПа, 1 Па = 10^-6 МПа. В технике применяются и другие единицы измерения давления: бар, так на­зываемая техническая атмосфера или просто атмосфера (1 кгс/см²), миллиметр ртурного или водного столба. При определении абсолютного давления (которое отсчитывается от абсолютного нуля давления или аб­солютного вакуума) следует различать два случая (рис.1.1).

а) давление в сосуде больше атмосферного;

б) давление в сосуде меньше атмосферного.

В первом случае абсолютное давление следует определять по формуле:

Р_абс = Р_изб + Р_атм,

а во втором случае - по формуле

Р_абс = Р_атм - Р_вак.

Качественная высокопроизводительная и экономичная работа тепло-­ вых устройств требует применения современных контрольно-измерите­ль- ных приборов, наиболее совершенных высокоточных способов измерения. В промышленных системах автоматизации применяются следующие устройства для измерительной аппаратуры:

- термоэлектрические термометры (термопары):

- термометры сопротивления;

- пирометры излучения:

- манометрические термометры;

- термометры расширения.

В качестве датчика температуры широко используются термопары. В основу измерения температуры с помощью термопар положено явление термоэлектрического эффекта, т.е. зависимость термоэлектродвижущей силы (ЭДС), которая возникает на спае двух разнородных проводников (рис. 1.2). В схему термоэлектрической цепи входит термопара, соединительные прововода и измерительный прибор. Термопара состоит из двух разнородных проводников 2, концы которых спаяны между собой. Спай I называют рабочим, а концы3 - свободными. Измерительный прибор 5 соединяется с термопарой с помощью соединительных проводов 4 В ка­честве вторичного измерительного прибора применяются милливольтметр или потенциометры.

Для получения однозначной зависимости между термоЭДС и температурой рабочего спая свободных концов должна быть стабилизирована. Свободные концы не всегда можно термостатировать, т.е поддерживать их температуру постоянной непосредственно вблизи термопары, поэтому их переносят в другую точку. Для этой цели применяют так называемые компенсационные провода 4.

Необходимо знать, что наиболее распространены термопары стандарт­ных градуировок: ПП(платинородий - платина). ХА (хромель - алюмель), ХК (хромель - копель) и др. Платинородий - платиновые термопары применяют для измерения среды температурой до 1600 ^оС ; хромель — алюмелевые - до 1000 и кратковременно до 1300 ^о С; хромель – копелевые - до 600 и кратковременно до 800 ^оС. Конструкция термопары показана

на рис. 1.3.

Электроды изолируют друг от друга фарфоровыми трубками и помещают в защитный чехол 2. Он в зависимости от температуры среды изготавливается из фарфора карборунда жароупорной стали. В головке термопары 1 помещают пластмассовую или фарфоровую панель с клеммами Изнутри к клеммам подключены электроды - термопары, а снаружи соединительные или компенсационные провода. Для измерения высоких температур применяют термопары из тугоплавких материалов, например вольфраммолибденовые, вольфраморениевые и другие.

Измерение температуры термометрами сопротивления основано на свойстве некоторых материалов изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Термометры сопротивления бывают металлические и полупроводниковые. Чувствительный элемент металлического термометра сопротивления представляет собой тонкую проволоку диа­метром 0,05 ... 0,1 мм, намотанную на каркас из изоляционного материала, например, кварца, пластмассы, либо помещенную в виде спирали в керамический каркас с заполнением спирали изолирующим порошком и последующей герметизацией чувствительного элемента. Изготовленные таким образом чувствительные элементы помещаются в защитный чехол, который затем погружается в измеряемую среду (рис. 1.5). Чувствитель­ный элемент полупроводникового термометра сопротивления представля­ет собой кристалл полупроводникового материала как правило, герметизированный в стеклянном или металлическом чехле небольших размеров. В комплекте с термометрами сопротивления используются логометры и автоматические уравновешенные мосты. Термометры сопротивления изготавливают из платины (ТСП) и из меди (ТСМ). Область применения технических платиновых термометров сопротивления от - 260 до + 1100 ^сС, например, термометры сопротивления типа ТСП - 5071 при­меняют в интервале температур - 200 .... + 750 ^оС. Медные термометры сопротивления применяют для измерения температур в интервале - 50 ... + 150 ^оС. Полупроводниковые термометры сопротивления выпускаются для измерения температур в диапазоне от 1 до 600 К.

Следует знать, что в промышленности применяются четыре разновид­ности пирометров, измеряющих температуру по тепловому излучению тел. Измерение температуры тел пирометрами излучения осуществляют бесконтактным способом, т.е. на расстоянии. Все пирометры градуиру­ются по абсолютно черному тату. При этом величина излучения реально­го тела отличается от излучения абсолютно черного теша. Это отличие выражается коэффициентом излучения или степенью черноты тела Воз­можность определения температуры тел с различной степенью черноты при помощи одного и того же прибора достигается градуировкой прибо­ра при температуре абсолютно черного тела. Такой способ градуировки приводит к получению заниженных результатов. Действительную темпе­ратуру определяют введением поправок на неполноту излучения реаль­ного тела по сравнению с абсолютно черным телом. Пирометрами основ­ных типов являются радиационные и оптические.

Метод измерения температуры базируется на зависимости энергии из­лучения тела от его температуры; энергия излучения при этом преобра­зуется в электрический сигнал, который измеряется вторичным прибо­ром (рис. 1.4). Лучи от раскаленного тела 1 собираются линзой объектива 4 и фокусируются на термочувствительный элемент(термобатарею) 2, расположенный в корпусе пирометра 3. В радиационных пирометрах термочувствительным элементом является многослойная батарея, со­стоящая из десяти очень тонких хромель - капелевых термопар. Прибор следует визировать так, чтобы нагретое тело было видно в телескопе и закрывало все поле зрения. Величину термоЭДС, развиваемую термоба­тареей, измеряют милливольтметром или потенциометром 5, отградуиро­ванным в градусах по температуре излучения абсолютно черного тела. Телескоп пирометра соединен со вторичным прибором через панель с уравнительными и эквивалентными сопротивлениями, которые обеспе­чивают независимость показания телескопа при различных сочетаниях вторичных приборов. Интервал измерения температуры 100 .... 4000 ^СС и выше.

Необходимо знать, что принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью основан на сравнении в монохроматическом свете яркости излучения накаленного тела, температура которого измеряется, с яркостью накала эталонной нити. Световой поток испускаемый раска­ленным телом, поступает в прибор через объектив и далее через окуляр в глаз наблюдателя. Наблюдатель сравнивает яркость светового потока с яркостью нити пирометрической лампы. Нить лампы накаляется от акку­мулятора, и регулирование накала осуществляется реостатом до тех пор, пока верхняя часть нити не исчезает на фоне изображения объекта.

Оптический пирометр предназначен для измерения температур от 800 до

2000 °С. Однако нить лампы не выдерживает накала выше 1400 °С, поэтому для измерения температур свыше 1400 °С световой поток нака­ленного тела ослабляется дополнительным светофильтром. Поэтому шкала прибора имеет два различных интервала измерений: без ослабляю­щего светофильтра (800... 1400 °С) и со светофильтром (1200...2000 °С).

Разновидностью пирометров монохроматического излучения являют­ся фотоэлектрические пирометры. В них так же, как и в оптических пи­рометрах, производится сравнение интенсивности излучения от нагретой поверхности и от нити лампы, но в отличие от оптических пирометров это сравнение выполняется не визуально (на глаз), а при помощи фото­элемента или фотосопротивления и специального электронного блока. Если оптический пирометр - переносной прибор, на котором операции измерения температуры производят вручную, то фотоэлектрический пи­рометр - стационарный автоматизированный комплект аппаратуры, со­стоящий из собственно пирометра и вторичного показывающего и реги­стрирующего прибора.

Принцип действия манометрических термометров основан на измене­нии давления рабочего вещества находящегося в замкнутом объеме, в зависимости от температуры. Рабочее вещество, заключенное в термо­баллоне, при нагревании создает давление, которое соответствует опре­деленной температуре вещества. От термобаллона давление передается по капилляру к согнутой по окружности полой трубке манометра Свободный конец трубки закрыт наглухо и может перемещаться. К нему с помощью передаточной механической системы присоединены стрелка и перо. Под воздействием давления внутри трубки манометра ее свободный конец перемещается до тех пор, пока избыточное давление не урав­новесится упругим натяжением материала трубки. На шкале манометра занесены значения температуры, соответствующие давлению рабочего вещества В качестве рабочего вещества используют ртуть, ксилол, бензол, хлористый метил, азот. Соответственно манометрические термометры разделяют на жидкостные, паровые и газовые. Пределы измерения температуры от 0 до 300 °С.

Кроме рассмотренных приборов для измерения температуры, в промышленности находят широкое применение жидкостные термометры расширения, состоящие из стеклянного капилляра с небольшим резервуаром внизу, заполненные ртутью, спиртом и другими жидкостями. Жидкость при нагревании расширяется, высота ее столбика в капилляре увеличивается и является мерой температуры Промышленные жидкост­ные термометры применяются для измерения температуры до 300 ^оС. К термометрам расширения относятся также механические термометры с биметаллическими пластинами.

Необходимо знать, что при измерении давления различают абсолют­ное, избыточное, атмосферное давление, разрежение (вакуум), которые связаны между собой соотношениями:

Приборы измеряющие избыточное давление, называют манометрами, измеряющие разрежение - вакуумметрами; измеряющие разность двух давлений - дифманометрами.

Простейшим прибором для измерения давления и разрежения являет­ся жидкостный U - образный манометр (рис. 1. б). Он состоит из 2 - коленной стеклянной трубки, на которой предусмотрена шкала, градуиро­ванная в миллиметрах вниз и вверх о некоторой средней отметки, обо­значенной нулем. Трубка заполняется жидкостью (водой, спиртом, рту­тью, маслом) примерно до половины ее высоты Если присоединить одно из колеи к сосуду, находящемуся под избыточным давлением, то жид­кость в этом колене опустится, а в другом поднимется Разность уровней жидкости в одном и другом коленах покажет величину избыточного дав­ления, выраженную в миллиметрах столба той жидкости, которая запол­няет прибор В пружинных приборах для измерения давления и разреже­ния используют упругость различных пружин (рис. 1.7): трубчатой, многовитковой трубчатой, пластинчатой (мембраны) и гармоникообразной - сильфона. Упругие элементы - трубка, мембрана сильфон - в таких ма­нометрах механически соединены со стрелкой или с электрическим датчиком регистрации показаний по шкале прибора. Для измерения не­больших давлений и разрежений применяются напоромеры, тягонапоромеры с упругими или вялыми мембранными чувствительными элемента­ми.

Контрольные вопросы

1Краткая характеристика способов измерения температуры.

2 Характеристика термоэлектрических термометров.

3 Основные типы термопар, принцип работы термопары. Укажите пределы измерения температур Какие вторичные приборы используются при измерении температуры с помощью термопар?

4 Какие температурные шкалы применяются?

5 Принцип действия, типы и область применения термометров сопротивления. Какие вторичные приборы используются при измерении тем­ператур с помощью термометров сопротивления?

6 Принцип действия и характеристика пирометров излучения, область применения оптических и радиационных пирометров.

7 Краткая характеристика манометрических термометров. 8 Характеристика термометров расширения.

9 Что такое абсолютное, избыточное давление и разрежение? Единицы измерения давления, связь между абсолютным, избыточным и атмо­сферным давлением, разрежением (вакуумом).

10 Какие приборы используют для измерения избыточного давления?

11 Какие приборы используют для измерения атмосферного давления, разрежения ( вакуума) и перепада давления ?

1 3 Требования к отчету

В отчете отразить основные методы измерения температуры и давле­ния. Привести принципиальные схемы измерения температуры с помо­щью термопар, краткие характеристики термопар, термометров сопро­тивления, пирометров излучения, манометрических термометров и тер­мометров расширения, а также приборов для измерения давления

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗОБАРНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ГАЗОВ

Цель работы - усвоить методы экспериментального определения и практического использования теплоемкости газов (на примере воздуха).