Министерство образования и науки днр Донецкий национальный университет

Физико-технический факультет

Кафедра метрологии и неравновесных процессов

Реферат на тему : «Температурные шкалы. Механические контактные термометры. Приборы для измерения количества тепла»

Студентка: Астахова М.А.

4 курса Группа МИТ

Преподаватель: Недопекин Ф.В.

Донецк 2016

Содержание

1. Введение

2. Температурные шкалы

3. Механические контактные термометры

4. Приборы для измерения количества тепла

   1. Общие сведения о приборах учета тепловой энергии и теплоносителя

   2. Датчики расхода теплоносителя

   3. Анализ характеристик теплосчетчиков

   4. Как выбрать теплосчетчик

5. Вывод

6. Список литературы

Введение

Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Она обладает некоторыми принципиальными особенностями, что обусловливает необходимость применения большого количества методов и технических средств для ее измерения. Температура может быть определена как параметр теплового состояния.

Значение этого параметра обусловливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. При соприкосновении двух тел, например газообразных, переход тепла от одного тела к другому будет происходить до тех пор, пока значения средней кинетической энергии поступательного движения молекул этих тел не будут равны. С изменением средней кинетической энергии движения молекул тела изменяется степень его нагретости, а вместе с тем изменяются также физические свойства тела.

При данной температуре кинетическая энергия каждой отдельной молекулы тела может значительно отличаться от его средней кинетической энергии. Поэтому понятие температуры является статистическим и применимо только к телу, состоящему из достаточно большого числа молекул; в применении к отдельной молекуле оно бессмысленно. К пространству со значительно разреженной материей статистические законы неприменимы.

Температура в этом случае определяется мощностью потоков лучистой энергии, пронизывающей тело, и равна температуре абсолютно черного тела с такой же мощностью излучения. Известно, что с развитием науки и техники понятие «температура» расширяется. Например, при исследованиях высокотемпературной плазмы было введено понятие «электронная температура», характеризующее поток электронов в плазме.

Возможность измерять температуру термометром основывается на явлении теплового обмена между телами с различной степенью нагретости и на изменении термометрических .

Температурные шкалы

Температурные шкалы - это системы сопоставимых числовых значений температуры.

Поскольку температура не является непосредственно измеряемой величиной, то её значение определяют по температурному изменению какого-либо удобного для измерения физического свойства термометрического вещества. Выбрав термометрическое вещество и свойство, необходимо задать начальную точку отсчёта и размер единицы температуры — градуса. Таким образом определяют эмпирические температурные шкалы.

В температурных шкалах обычно фиксируют две основные температуры, соответствующие точкам фазовых равновесий однокомпонентных систем (так называемые реперные или постоянные точки), расстояние между которыми называется основным температурным интервалом шкалы. В качестве реперных точек используют: тройную точку воды, точки кипения воды, водорода и кислорода, точки затвердевания серебра, золота и др. Размер единичного интервала (единицы температуры) устанавливают как определённую долю основного интервала. За начало отсчёта температурных шкал принимают одну из реперных точек.

Так можно определить эмпирическую (условную) температурную шкалу по любому термометрическому свойству х. Если принять, что связь между х и температурой t линейна, то температура t^x= n (x_t - х₀) / (x_n - x₀), где x_t, x₀ и x_n — числовые значения свойства х при температуре t  в начальной и конечной точках основного интервала, (x_n - x₀) / n — размер градуса, п — число делений основного интервала.

Температурная шкала представляет собой, таким образом, систему последовательных значений температуры, связанных линейно со значениями измеряемой физической величины (эта величина должна быть однозначной и монотонной функцией температуры).

В общем случае температурные шкалы могут различаться по термометрическому свойству (им может быть тепловое расширение тел, изменение электрического сопротивления проводников с температурой и т. п.), по термометрическому веществу (газ, жидкость, твёрдое тело), а также зависеть от реперных точек.

В простейшем случае температурные шкалы различаются числовыми значениями, принятыми для одинаковых реперных точек. Так, в шкалах Цельсия (°С), Реомюра (°R) и Фаренгейта (°F) точкам таяния льда и кипения воды при нормальном давлении приписаны разные значения температуры.

 Соотношение для пересчёта температуры из одной шкалы в другую:

n °C = 0,8n°R = (1,8n+32) °F.

В температурной шкале Цельсия за начало отсчёта принята температура затвердевания воды (таяния льда), а интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении (101325 паскалей или 760 мм рт. ст.) разделён на 100 равных частей (n = 100). Название данная шкала получила в честь предложившего её (в 1742) шведского учёного А. Цельсия (A. Celsius, 1701—44). Температура по шкале Цельсия выражается в градусах Цельсия (°С), при этом температура таяния льда принимается равной 0°С, кипения воды 100°С.

Практическая температурная шкала Реомюра, предложена в 1730 Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр. Единица шкалы Реомюра — градус Реомюра (°R). 1 °R равен ¹/₈₀ части температурного интервала между опорными точками: таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R), т. е. 1 °R = 1,25 °С. В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

В температурной шкале Фаренгейта опорными точками являются температура таяния смеси снега и нашатыря (0 град.F) и нормальная температура человеческого тела (100 град.F), а величина градуса в шкале термометра определяется как сотая часть интервала между опорными точками. таким образом, температурный интервал между точками таяния льда и кипения воды (при нормальном атмосферном давлении) разделён на 180 частей – градусов Фаренгейта (°F), причём точке таяния льда присвоено значение 32° F, а точке кипения воды 212°F. Данная шкала предложена в 1724 нем. физиком Д. Г. Фаренгейтом (D. G. Fahrenheit, 1686–1736); традиционно применяется в ряде стран (в частности, в США).

Непосредственный пересчёт для температурных шкал, различающихся основными температурами, без дополнительных экспериментальных данных невозможен. Температурные шкалы, различающиеся по термометрическому свойству или веществу, существенно различны. Возможно неограниченное число не совпадающих друг с другом эмпирических температурных шкал, так как все термометрические свойства связаны с температурой нелинейно и степень нелинейности различна для разных свойств, и вещественную температуру, измеренную по эмпирической температурной шкале, называют условной ("ртутная", "платиновая" температура и т. д.), её единицу — условным градусом.

Среди эмпирических температурных шкал особое место занимают газовые шкалы, в которых термометрическим веществом служат газы ("азотная", "водородная", "гелиевая" температурные шкалы). Эти температурные шкалы меньше других зависят от применяемого газа и могут быть (введением поправок) приведены к теоретической газовой температурной шкале Авогадро, справедливой для идеального газа.

Абсолютной эмпирической температурной шкалой называют шкалу, абсолютный нуль которой соответствует температуре, при которой численное значение физического свойства х = 0 (например, в газовой температурной шкале Авогадро абсолютный нуль температуры соответствует нулевому давлению идеального газа). температуры t ^(x)(по эмпирической температурной шкале) и Т ^(Х) (по абсолютной эмпирической температурной шкале) связаны соотношением T ^(X)=t ^(x)+T₀^(x), где T₀^(x — абсолютный нуль эмпирической температурной шкалы (введение абсолютного нуля является экстраполяцией и не предполагает его реализации).

Принципиальный недостаток эмпирических температурных шкал — их зависимость от термометрического вещества — отсутствует у термодинамической температурной шкалы, основанной на втором начале термодинамики. При определении абсолютной термодинамической температурной шкалы (шкала Кельвина) исходят из цикла Карно. Если в цикле Карно тело, совершающее цикл, поглощает теплоту Q₁ при температуре T₁ и отдаёт теплоту Q₂ при температуре Т₂, то отношение T₁ / T₂ = Q₁ / Q₂ не зависит от свойств рабочего тела и позволяет по доступным для измерений величинам Q₁ и Q₂ определять абсолютную температуру. Вначале основной интервал этой шкалы был задан точками таяния льда и кипения воды при атмосферном давлении, единица абсолютной температуры соответствовала части основного интервала, за начало отсчёта была принята точка таяния льда. В 1954 Х Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой — тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °С. температура Т в абсолютной термодинамической температурной шкале измеряется в кельвинах (К). Термодинамическая температурная шкала, в которой для точки таяния льда принята температура t = 0 °С, называется стоградусной.

Единица термодинамической температуры, равная части термодинамической температуры тройной точки воды; обозначается К. Названа по имени У. Томсона (Кельвина). До 1968 именовалась градус Кельвина (° К). По размеру К. равен градусу Цельсия (°С). 

 

Соотношения между температурами, выраженными в шкале Цельсия и абсолютной термодинамической температурной шкалой:

TK = t °C + 273,15K, nK= n °C.

В США и некоторых других странах, где принято измерять температуру по шкале Фаренгейта, применяют также абсолютную температурную шкалу Ранкина (названа по имени шотландского физика Уильяма Ранкина (1820—1872)). Градус по этой шкале равен градусу по шкале Фаренгейта.  Шкала Ранкина начинается при температуре абсолютного нуля, точка замерзания воды соответствует 491,67°Ra, точка кипения воды 671,67°Ra.

 

Градусы Фаренгейта переводятся в градусы Ранкина по формуле °Ra = °F + 459,67.

Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: nK = 1,8n °Ra.

Любая эмпирическая температурная шкала приводится к термодинамической температурной шкале введением поправок, учитывающих характер связи термометрического свойства с термодинамической температурой. Термодинамическая температурная шкала осуществляется не непосредственно (проведением цикла Карно с термометрическим веществом), а с помощью других процессов, связанных с термодинамической температурой. В широком интервале температур (примерно от точки кипения гелия до точки затвердевания золота) термодинамические температурные шкалы  совпадают с температурной шкалой Авогадро, так что термодинамическую температуру определяют по газовой, которую измеряют газовым термометром. При более низких температурах термодинамическая температурная шкала осуществляется по температурной зависимости магнитной восприимчивости парамагнетиков, при более высоких — по измерениям интенсивности излучения абсолютно чёрного тела. Осуществить термодинамическую температурную шкалу даже с помощью температурной шкалы Авогадро очень сложно, поэтому в 1927 была принята Международная практическая температурная шкала (МПТШ), которая совпадает с термодинамической температурной шкалой с той степенью точности, которая экспериментально достижима. Все приборы для измерения температуры градуированы в МПТШ.

Механические контактные термометры

Механические контактные термометры основаны на тепловом расширении веществ (твердых, жидких, газообразных). Это жидкостные и газовые, биметаллические, дилатометрические термометры.

Достоинства: надежность, малые затраты при эксплуатации, хорошая точность, низкая стоимость.

Дилатометрический термометр с чувствительным элементом в виде трубки и стержня из разнородных материалов (а) и в виде двух стержней (б).

Варианты конструктивного исполнения биметаллических чувствительных элементов.

Биметаллический датчик температуры сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собою. Различные металлы имеют различный коэффициент расширения при той или иной температуре. Например, константан практически не расширяется при температуре, железо, напротив испытывает заметное расширение. Если полоски из этих металлов скрепить между собой и нагреть (или охладить), то они изогнутся. В биметаллических датчиках пластинки замыкают или размыкают контакты реле, или двигают стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков от -40 °С до +550 °С.

Биметаллические датчики используют для измерения поверхности твердых тел, реже для измерения температуры жидкости.

Основным преимуществом датчиков является простота и надежность конструкции, возможность работы без электрического тока, низкая стоимость.Вместе с тем, биметаллические датчики температуры имеют большой разброс характеристик, а так же большой гистерезис переключения, особенно при низких температурах.

Основные области применения биметаллических температурных датчиков – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды. Жидкостные и газовые термометры являются распространенными типами датчиков температуры.

Первая шкала температуры была предложена Фаренгейтом в начале 18-го века именно для жидкостного термометра. Жидкостные термометры используют эффект расширения жидкостей при повышении температуры.

В качестве жидкостей используется спирт или ртуть в диапазоне комнатных температур. Для измерений низких температур, например в криогенной технике, может быть использован жидкий неон, а для измерения высоких температур обычно используют галлий, который находится в жидком состоянии уже от 20 °С. В газовых термометрах используется эффект расширения, при переходе вещества из жидкого в газообразное состояние. Газ давит через мембрану и замыкает электрические контакты. Диапазон измерений для жидкостных и газовых термометров от -200 °С до +500 °С. Термометры этого класса обычно применяются для визуального контроля температуры, либо в качестве термостатов в различных нагревателях и холодильной технике.

Применение современных методов и средств получения и обработки первичной информации дает новый импульс развития традиционных методов измерения температуры.

Рис. 16.3 Двухступенчатый датчик температуры:

1 — стеклянный ртутный термометр; 2 — обмотка катушки индуктивности.

Приборы для измерения количества тепла

Теплосчётчик — прибор или комплект приборов (средство измерения), предназначенный для определения количества теплоты и измерения массы и параметров теплоносителя.

Назначение

Учет и регистрация отпуска и потребления тепловой энергии организуются с целью:

• осуществления взаимных финансовых расчетов между энергоснабжающими организациями и потребителями тепловой энергии;

• контроля за тепловыми и гидравлическими режимами работы систем теплоснабжения и теплопотребления;

• контроля за рациональным использованием тепловой энергии и теплоносителя;

• документирования параметров теплоносителя: массы (объема), температуры и давления.

Учёт тепловой энергии и теплоносителя осуществляется:

• на источнике теплоты (ТЭЦ, районные тепловые станции, котельные);

• у потребителя теплоты (жилые, общественные, производственные здания и сооружения).

Состав и принцип работы

Принципиально теплосчётчик состоит из следующих элементов:

• вычислитель количества теплоты;

• первичные преобразователи расхода;

• термопреобразователи сопротивления;

• преобразователи избыточного давления (по заказу потребителя);

• блоки питания расходомеров и датчиков давления (при необходимости).

На каждом узле учёта тепловой энергии с помощью приборов должны определяться:

• время работы приборов узла учёта;

• отпущенная тепловая энергия;

• масса (объем) отпущенного и полученного теплоносителя;

• масса (объем) теплоносителя, расходуемого на подпитку системы теплоснабжения;

• тепловая энергия, отпущенная за каждый час;

• масса (объем) отпущенного и полученного теплоносителя за каждый час;

• масса (объем) теплоносителя, расходуемого на подпитку системы теплоснабжения за каждый час;

• среднечасовая и среднесуточная температура теплоносителя в подающем, обратном трубопроводах и трубопроводе холодной воды, используемой для подпитки;

• среднечасовое давление теплоносителя в подающем, обратном трубопроводах и трубопроводе холодной воды, используемой для подпитки.

Типы теплосчётчиков

Теплосчётчики по типу присоединённых к ним расходомеров делятся на:

• тахометрические;

• ультразвуковые;

• электромагнитные;

• вихревые.