Теплотехнические измерения и приборы лабораторный практикум. Учебное пособие

Порядок выполнения работы

1.Включить тумблер питания стенда.

2.Установить диапазон измерения в милливольтах (мВ).

3.Включить электронагреватель 8 и установить положение пере­ ключателя мощности на позицию 4.

4.При выходе на режим кипения переключатель мощности элек­ тронагревателя 8 установить в положение 2.

5.Произвести запись показаний прибора 6 (Е, мВ) и стеклянного термометра 4 термостата (tх.с).

6.Отключить установку, для чего переключатель электронагрева­ теля необходимо перевести в положение 0, нажать кнопку СЕТЬ прибора 6.

7.Отключить тумблер питания стенда.

Обработка полученных результатов

По градуировочной таблице определить значение термо-ЭДС Ех.с (см. приложения 1–4), соответствующее температуре холодных спа­ ев tх.с, установленной по показаниям стеклянного термометра 4.

Рассчитать суммарную термо-ЭДС кипящей воды Е* (мВ) с учетом найденного значения поправки Ех.с на температуру и показаний при­ бора 6 (Е, мВ) по формуле

По найденному значению Е (мВ) определить температуру кипе­ ния воды tк по градуировочной таблице.

Сравнить полученное значение tк с действительным значением температуры кипения воды tд, рассчитанной по формуле

где Р – давление по барометру, Па; Р0 = 101325,6 Па.

Оценить абсолютную ∆ (°С) и относительную δ (%) погрешности измерений по следующим формулам:

Сравнить полученную абсолютную погрешность ∆ с допускаемой (для ТХК ∆д = 2,5 °С).

21

Установить, во сколько раз крутизна характеристики (чувстви­ тельность) термометра градуировки ТХК больше ТХА, ТПП.

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Краткий порядок проведения измерений.

3.Результаты измерений и расчетов.

4.Графики статических характеристик термометров ТХА, ТХК, ТПП (выполненные по градуировочным таблицам) с оценкой чув­ ствительности термометров различных градуировок.

5.Выводы.

22

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Поверка термоэлектрических термометров

Цель: изучить способы проведения градуировок термоэлектриче­ ских термометров, провести поверку.

Общие сведения

Градуировкой термоэлектрического термометра называется экс­ периментальное определение термо-ЭДС термопары в зависимости от температуры рабочего конца при постоянном значении темпера­ туры свободного конца (холодного спая), обычно равном 0 °С.

На основании градуировки термометров составляют градуировоч­ ные таблицы и графики для практического использования (статиче­ ские характеристики). Градуировки термоэлектрических термоме­ тров производятся двумя способами:

•  по реперным точкам плавления (затвердевания) и кипения хи­ мически чистых веществ;

•  путем сравнивания показаний поверяемого и образцового тер­ мометра.

Первый способ градуировки весьма трудоемок и сложен. Он при­ меняется для образцовых платинородий-платиновых термометров. В процессе градуировки измеряется барометрическое давление, по которому точно определяется температура кипения и затвердевания применяемых веществ. Погрешность измерения по реперным точ­ кам не превышает ±0,2...0,3%.

По второму способу градуировка термометров до температуры +300 °С производится путем сравнения показаний термоэлектриче­ ского термометра с показаниями образцового ртутного термометра. При температурах выше +300 °С путем сравнения с показаниями об­ разцовой платинородий-платиновой термопары. Погрешность гра­ дуировки методом сличения не превышает ±0,5...0,7%.

В процессе градуировки температуру свободных концов (холод­ ного спая) термометров необходимо поддерживать постоянной с по­ мощью термостата. Если во время опыта не представляется возмож­ ным поддерживать температуру холодного спая, равной 0 °С, то ис­ тинное значение термо-ЭДС, соответствующее данной температуре, находят с учетом поправки на температуру холодного спая.

Схема лабораторной установки

Схема установки для поверки термоэлектрических термометров приведена на рис. 2.1.

23

3

2

1

-500

220

Рис. 2.1. Схема установки для поверки термоэлектрических термометров:

1 – калибратор температуры эталонный типа КТ-500; 2 – поверяемая термопара ТПУ-0304/М2 градуировки ТХК; 3 – блок питания (БП)

Калибратор КТ-500 выполнен в виде моноблока, составными частями­ которого являются термостатирующий блок и измерительрегулятор температуры презиционный.

В измерителе-регуляторе в качестве термопреобразователя ис­ пользуется высокостабильный платиновый термопреобразователь сопротивления.

Предел допустимой основной абсолютной погрешности воспро­ изведения температур для КТ-500 составляет ±(0,05 + 0,06t/100) °С.

Порядок выполнения работы

1.Включить калибратор 1. Установить задание температуры устав­ ки для калибратора 1 +50 °С.

2.Установить поверяемую термопару в калибратор 1. Произвести измерение после того, как температура стабилизируется.

3.Аналогично проделать пункты 1, 2 для температур +300 и +550 °С.

4.Экспериментальные данные занести в табл. 2.1.

24

Таблица 2.1. Результаты измерений и вычислений

+50

+300

+550

П р и м е ч а н и е. Основную приведенную погрешность термопары допускается определять в трех точках, соответствующих 5%, 50% и 95% диапазона измерения тем­ пературы (–50…+600 °С), при предварительной поверке линейности измерительно­ го преобразователя.

Обработка полученных результатов

Основную абсолютную и основную приведенную погрешности определить по формулам соответственно:

где tт – диапазон измерения поверяемой термопары.

Затем сравнить максимальное значение основной приведенной погрешности δmax c допускаемым значением δдоп (для термопары ТПУ-0304/М2 δдоп = 0,4).

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Краткий порядок проведения измерений.

3.Результаты измерений и расчетов (см. табл. 2.1).

4.Выводы.

25

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Изучение принципа действия, конструкции и поверки термометров сопротивления

Цель: изучить принцип действия, конструкции и поверки термо­ метров сопротивления.

Общие сведения

Термометры сопротивления служат для измерения температур в интервале от –260 до +1100 °С. Принцип их действия основан на свойстве материала изменять свое сопротивление с изменением тем­ пературы.

Вторичными приборами термометров сопротивления являются логометры и измерительные мосты (уравновешенные и неуравнове­ шенные).

Для изготовления термометров сопротивления применяют метал­ лы (медь, платину) и полупроводники (порошкообразная смесь окислов некоторых металлов: меди (Cu2O3), марганца (Mn2O3), ко­ бальта (CoO), никеля (NiO) и др., спрессованная и спеченная при высокой температуре). Пределы измерения полупроводниковых тер­ мометров от –100 до +300 °С.

В теплоэнергетике наибольшее применение получили термоме­ тры сопротивления из меди и платины. Для платинового термометра зависимость сопротивления от температуры для интервала от 0 до +630,5 °С выражается уравнением

где R0 – сопротивление термометра при 0 °С, Ом; А, В – постоянные коэффициенты, определяемые при градуировке термометра по точ­ кам кипения воды и серы:

А= 3,96847 10–3 (град-1);

В= –5,847 10–7 (град-1).

Для медных термометров эта зависимость имеет линейный характер

где а – температурный коэффициент электрического сопротивле­ ния, равный 4,28 10–3 град–1.

26

Металлы, предназначенные для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления, должны отвечать ряду тре­ бований: не окисляться, обладать высокой воспроизводимостью зна­ чений электрического сопротивления в интервале рабочих темпера­ тур, иметь достаточно высокое значение температурного коэффици­ ента сопротивления а.

Большие требования предъявляются к химической чистоте ме­ талла. Чем чище металл, тем лучше у него воспроизводимость тер­ моэлектрических свойств. В качестве критерия чистоты металла применяется отношение его сопротивления при +100 °С к сопро­

тивлению при 0 °С, т.е. величина W100 = R100 / R0. Эта величина ха­ рактеризует степень точности градуировки и оценивается классом

точности.

Основной характеристикой термометра сопротивления, по кото­ рой устанавливается градуировка, является его сопротивление, изме­ ренное при температуре таяния льда. В зависимости от этого разли­ чают разного рода градуировки термометров, например термометра­ сопротивления платинового (ТСП) и термометра сопротивления мед­ ного (ТСМ) (табл. 3.1, 3.2).

Таблица 3.1. Классы точности медного термометра сопротивления

27

Для изготовления чувствительного элемента платинового термо­ метра сопротивления применяют платиновую проволоку диаметром от 0,05 до 0,1 мм. Для изготовления каркасов используют слюду, плавленый кварц, специальную керамику. Наиболее широко распро­ странены каркасы из кварца. Плавленый кварц химически устойчив, обладает достаточной механической прочностью, высокими изоля­ ционными свойствами.

При изготовлении термометров сопротивления для температур +750…+1100 °С применяют платиновую проволоку диаметром 0,5 мм и каркасы из керамики. Они обладают высокой механической проч­ ностью, хорошей теплопроводностью, малой газопроницаемостью, высокими изоляционными свойствами.

На рис. 3.1, а показана одна из разновидностей платиновых термо­ метров. У этого термометра каркас чувствительного элемента 2, име­ ющий геликоидальную форму, изготовлен из плавленого кварца. Чув­ ствительный элемент 3 имеет бифилярную обмотку из платиновой проволоки диаметром 0,05–0,1 мм, свернутую в спираль. Снизу петля платиновой спирали закреплена в каркас 4. К верхним концам спира­ ли, закрепленным в каркасе, приварены по два выходных проводника 1 из платиновой проволоки диаметром 0,3 мм. Чувствительный элемент помещен в защитную оболочку 5 (гильзу), для изготовления которой применяют плавленый кварц, металл или стекло в зависимости от на­ значения термометра. Обычно гильза термометра герметична и запол­ нена сухим гелием, азотом или воздухом при давлении около 0,02 МПа в зависимости от назначения и области применяемых температур. Тер­ мометры такой конструкции применяют в качестве эталонных, образ­ цовых и лабораторных (повышенной точности).

Медные термометры сопротивления используют для измерения температур от –50 до +200 °С. К достоинству меди как материала, применяемого для изготовления чувствительных элементов термо­ метров сопротивления типа ТСМ, следует отнести дешевизну, про­ стоту получения тонкой проволоки в различной изоляции, возмож­ ность получения проводниковой меди высокой частоты. Термометры сопротивления с чувствительным элементом, изготовленным из мед­ ной проволоки диаметром 0,1 мм, изолированным эмалью, могут быть использованы для длительного измерения температуры не вы­ ше +100 °С, а из медной проволоки с кремнийорганической и ви­ нифлексовой изоляцией – до +200 °С.

На рис. 3.1, б показано устройство медного термометра. Чувстви­ тельный элемент 2 выполнен из изолированной медной проволоки диаметром 0,1 мм многослойной безындукционной намоткой 3 на цилиндрическом каркасе из пластмассы или металла, герметизиро­ ванной слоем лака 4. К концам обмотки припаяны выводы из мед­ ной проволоки 1. Чувствительный элемент вставляют в металличе­ ский чехол 5.

28

Рис. 3.1. Устройство платинового (а) и медного (б) термометров сопротивлений

Методика поверки термометра сопротивления. Поверка постоян­ ства градуировочной характеристики имеет целью установить соот­ ветствие характеристики термометра стандартной градуировке и определить постоянные коэффициенты в формулах, определяющих зависимость сопротивления данного термометра от температуры (в формулах (3.1) и (3.2)). Определив эти коэффициенты, можно про­ извести переградуировку термометра в случае, если полученные зна­ чения R100, R0 и а отличаются от стандартных.

Поверку платинового термометра достаточно произвести по трем точкам: температуре таяния льда, кипения воды, кипения нафтали­ на или серы. Для поверки медного термометра достаточно взять две точки: температуру таяния льда, кипения воды.

Для поверки постоянства градуировочной характеристики мед­ ного термометра необходимо определить сопротивление его чувстви­ тельного элемента при +100 и 0 °С (R100 и R0). Затем вычислить от­ ношение R100/R0 и сравнить полученные данные величины с номи­ нальными значениями R0 и R100/R0, рассчитать коэффициент а.

29

Измерение сопротивления термометра при соответствующих темпе­ ратурах производится с помощью цифрового вольтметра универсаль­ ного В7-54/3 с относительной погрешностью 0,0035%. Поверка тер­ мометра сопротивления производится с внешней защитной армату­ рой. Для определения сопротивления термометра при 0 °С (R0) термостат (сосуд Дьюара) заполняют мелко раздробленным льдом или чистым снегом и заливают небольшим количеством дистиллирован­ ной воды (при использовании снега водой заливать не требуется).

Смесь льда с водой уплотняют так, чтобы в ней не было пузырей воздуха. После этого в термостат погружают гильзу с чувствительным элементом термометра. Гильза должна быть окружена со всех сторон слоем льда толщиной не менее 3 см. Лед (или снег) должен плотно прилегать к гильзе в течение всего опыта.

С помощью вольтметра универсального измеряют сопротивление R0. Для определения сопротивления термометра при +100 °С его опу­ скают в водяной кипятильник (паровой термостат) и выдерживают в насыщенных парах кипящей воды до установления стационарного режима (не менее 20 мин). Термометр должен погружаться в термо­ стат по возможности на большую глубину (50–200 мм). Схема уста­ новки изображена на рис. 3.2.

Измерения сопротивлений производится при установившемся стационарном тепловом режиме не менее 5 раз с интервалом време­ ни 1–2 мин.

Температура tк насыщенных паров кипящей воды при давлении Р находится из соотношения:

где Р0 – номинальное давление (101325,6 Па) при температуре 0 °С; Р – абсолютное давление паров воды в кипятильнике, вычисленное по показаниям избыточного давления манометра у кипятильника Ризб и барометрическому давлению Рб, кПа:

Р = Ризб + Рб.

Сопротивление R100 вычисляется по формуле

где Rtк – сопротивление термометра при tк паров кипящей воды; Rtк – поправка, вычисляемая с помощью табл. 3.3. Значение этой

поправки соответствует разности температур

Определение поправки Rtк производится следующим образом. До­ пустим, что температура кипения, определенная по формуле (3.3), равна

30