Расчетное задание / РЗ1 Долгов Р ТФ-12-20

Национальный Исследовательский Университет Московский Энергетический Институт Кафедра ИТФ

Типовой расчет По дисциплине

“Экспериментальные методы исследования”

Студент: Долгов Р.Н. Группа: ТФ-12-20 Преподаватель: Виноградов М.М. Вариант: 5(1)

Задача 1

Температура (Т = 400 °С) жидкости, текущей в трубопроводе, измеряется стеклянным ртутным термометром со следующими характеристиками: в капилляре термометра имеется азот над мениском ртути; внутри капилляра созданы некоторые условия, в том числе повышенное давление, Р. Опишите конструкцию этого термодатчика и нарисуйте схему заполнения азотом этого прибора. Оцените значение Р, которое необходимо поддерживать в капилляре с помощью азота, используемого в указанном термодатчике. Нарисуйте график зависимости давления насыщения, Ps , ртути от температуры.

Решение: термометры стеклянные жидкостные применяются для измерения температур в области от - 200 до +750°С. Стеклянные термометры получили большое распространение как в лабораторной, и в промышленной практике вследствие простоты обращения, достаточно высокой точности измерения и низкой стоимости.

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре. Показания жидкостного термометра зависят от изменения объема термометрической жидкости, от изменения объема стеклянного резервуара, в котором находится эта жидкость. Наблюдаемое изменение объема жидкости меньше на размер, соответственно равный увеличению объема резервуара. Из жидкостных термометров наибольшее распространение получили ртутные.

Преимущества ртути:

•Не смачивает стекла.

•Сравнительно легко получается в химически чистом виде.

•При нормальном атмосферном давлении остается жидкой в широком интервале температур (от -38,87 до +356,58° С).

•Давление насыщенных паров ртути при температуре, превышающей 356,58° С, невелико по сравнению с давлением насыщенных паров других жидкостей. Это дает возможность относительно небольшим увеличением давления над ртутью в капилляре заметно повысить ее температуру кипения, а вместе с тем и расширить температурный интервал применения ртутных термометров.

Недостатки:

•сравнительно малый коэффициент расширения

Конструктивные формы стеклянных жидкостных термометров.

Палочные термометры имеют массивный (толстостенный) капилляр с внешним диаметром 6- 8 мм, почти равным диаметру резервуара. Шкала у этих термометров наносится непосредственно на внешней поверхности капилляра.

У термометра с вложенной шкалой, шкала сделана на прямоугольной пластине из стекла молочного цвета, помещенной позади капиллярной трубки, припаянной к резервуару цилиндрической формы. Кроме того, к резервуару припаяна защитная стеклянная оболочка, в которой и находится как капилляр, так и шкальная пластина.

Термометры с вложенной шкалой обладают большей инерционностью, чем палочные, но они более удобны для наблюдения при измерении температур в лабораторных и производственных условиях.

У ртутных термометров с пределом измерения выше 200° С пространство над ртутным столбиком в капилляре заполняется сухим газом под давлением. При, этом давление газа должно быть тем выше, чем больше верхний предел измерения, что обусловливается необходимостью исключить парообразование ртути в резервуаре при высоких температурах. В ртутных термометрах, предназначенных для измерения температуры до 500°С, давление газа достигает свыше 20 кгс/см (2 МПа). Ртутные термометры, имеющие верхний предел измерения до 200°С, в зависимости от их назначения могут быть вакуумными или заполненными сухим газом (ГОСТ 2045-43). Термометры ртутные, предназначенные для точных измерений, с верхними пределами измерения до 105°С изготовляют вакуумными, а выше 105°С +- газонаполненными

(ГОСТ 13646-68).

Термометры жидкостные (не ртутные) изготовляют согласно установленным техническим требованиям в государственных стандартах (ГОСТ 9177-59 и др.).

Рисунок 1. Термометры.

а – со вложенной шкалой; 1 – резервуар; 2 – капилляр; 3 – шкала, нанесенная на пластине из молочного стекла; 4 – защитная стеклянная оболочка.

б – палочный: 1 – резервуар; 2 – толстостенный капилляр; 3 – шкала, нанесенная на внешней поверхности капилляра.

Физ. свойства ртути: Температура плавления составляет 234,32 K (−38,83 °C), кипит при

629,88 K (356,73 °C).

Это означает, что при температуре в 400 °C будет наблюдаться кипение, чего допускать нельзя. Для того чтобы обойти данную проблему, воспользовавшись уравнением

Клапейрона-Клаузиуса для определения давления, при котором ртуть будет кипеть при заданной температуре.

Давление, при котором ртуть будет кипеть при 400 К:

Ответ: Давление которое необходимо поддерживать в капилляре составляет P=208452.3

(Па)

Задача 2.

Определить коэффициент, А, ослабления поглощающего стекла оптического пирометра, если известно, что температура, T1, абсолютно черного тела, измеренная по шкале данного пирометра без применения поглощающего стекла, уменьшилась до Т2 при введении поглощающего стекла. От каких физических свойств стекла зависит коэффициент, А?

Вариант 1 для условий по температурам:

Т1 = 1810 °С, Т2 = 820°С.

Решение

Для измерения температуры можно использовать тепловое излучение, так как известно, что различные свойства (параметры) теплового излучения нагретых тел зависят от их температуры. При этом, естественно, нет необходимости в непосредственном контакте средства измерения и объекта измерения. Таким образом, методы, основанные на различных принципах преобразования теплового излучения объекта измерения в непосредственно измеряемую физическую величину, называют бесконтактными или пирометрическими методами измерения температуры, а средства измерения, реализующие эти методы, – пирометрами. Принцип действия основан на измерении

мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света.

Свет от накаленного тела 1 фокусируется объективом 2 пирометра в плоскость, в которой располагается нить 4 фотометрической лампы. С помощью окуляра 6 глаз наблюдателя 7 видит совмещенные изображения поверхности тела и нити лампы. Меняя величину сопротивления R, можно изменять силу тока, протекающего через нить лампы, и соответственно яркость нити.

Добиваются совпадения яркостей тела и нити, т.е. исчезновения изображения нити на фоне тела. Тогда по шкале гальванометра 8, включенного параллельно нити, определяют яркостную температуру в градусах Цельсия. На рисунке 2 показаны ослабляющий светофильтр 3 и монохроматический (красный) светофильтр 5.

При высоких температурах объекта яркость фона велика, что мешает работе с пирометром. Кроме того, нить пирометрической лампы может устойчиво работать и иметь стабильную градуировку в ограниченном диапазоне температур (до 1400 °С). Поэтому с целью расширения рабочего диапазона температур пирометра на более высокие температуры устанавливают поглощающее стекло 3, которое ослабляет фактическую яркость объекта.

Оптические пирометры позволяют визуально определять, как правило, без использования специальных устройств, температуру нагретого тела, путем сравнения его цвета с цветом эталонной нити.

Для определения коэффициента пирометрического ослабления А поглощающего стекла оптического пирометра воспользуемся формулой

Где С2=hc/k; с-скорость света в вакууме, h-постоянная Планка, k-постоянная Больцмана( ) -коэффициент пропускания стекла

Коэффициент А, характеризующий ослабляющее действие данного стекла, зависит от оптической плотности поглощающего стекла.

В качестве поглощающего стекла применяют обычно стекло марки ПС-2, а иногда марки НС-13. Оптическая плотность этих стёкол зависит от температуры самих стёкол. При повышении температуры поглощающих стекол ПС-2 его оптическая плотность

увеличивается, а НС-13 – уменьшается. Следует также иметь ввиду, что влияние температуры у стекла НС-13 оказывается несколько сильнее, чем у стекла ПС-2.

Значение этого коэффициента показывает, какая доля лучистой энергии спектрального участка, используемого в оптическом пирометре, упавшая на стекло, пропускается этим стеклом. Таким образом, измерение яркостных температур с включенным поглощающим стеклом производится путем сравнения неослабленной яркости нити пирометрической лампы с ослабленной яркостью источника излучения.

Ответ: Коэффициент ослабления А поглощающего стекла оптического пирометра равен

A=0.000667 K

Задача № 3.

Определить температуру, Т, рабочего вещества при условиях, когда с помощью термопары были получены следующие данные.

Вариант 1 граничных условий:

а) показание потенциометра, включенного в цепь хромель – копелевой (ХК) термопары, составляет ЕХК (Т, 25.0 °С) = 32.3 мВ,

б) температур, Т0, холодных спаев составляет Т0 = 25.0 °С.

Основное уравнение термоэлектрического термометра, выражающее в общем виде зависимость суммарной термо-ЭДС, возникающей в цепи из двух разнородных термоэлектродов А и В, от температуры в месте их соединения:

На основании закона Вольта в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников А и В, когда температуры мест их соединения одинаковы t=t0 и отсутствуют посторонние э. д. с., термотока не возникает. Т. е. eAB(0) - eAB(0) = 0

Из всего вышеперечисленного имеем:

Из таблицы учебника Преображенского имеем

E(25 0) = 1.64мв

E(t 25) = 32.3 мв -по условию

EАB(t, 0)=32.3+1.64=33.94 мВ