Теплотехнические измерения и приборы лабораторный практикум. Учебное пособие

R4

5

3 4

Рис. 3.2. Схема установки для определения сопротивления термометра при кипении воды:

1 – термометр сопротивления; 2 – сосуд Дьюара; 3 – водяной электрокипятильник; 4 – соеди­ нительные провода; 5 – вольтметр универсальный В7-54/3

+99,81 °С. Сопротивление медного термометра 50М при этой темпера­ туре, определенное с помощью моста, равно Rt = 71,22 Ом; tк = 100 –

– 99,81 = 0,19 °С. По табл. 3.3 находимк 0,1 + 0,09 = 0,19 и 0,022 + 0,0192 = 0,0412, соответственно R100 = 71,22 + 0,0412 = 71,26 Ом.

Таблица 3.3. Вычисления поправки

31

Окончание табл. 3.3

П р и м е ч а н и е. Поправки Rtк для tк, равные десятым и сотым градуса, мень­ ше значений, приведенных в табл. 3.3, в 10 и 100 раз соответственно.

За результат измерения принимается среднее арифметическое из полученных значений Rt и R0. Определив значения R100 и R0, вы­ числяют отношение R100к/R0, которое в пределах допуска должно быть равно номинальному значению.

Коэффициент а интерполяционной формулы, определяющей за­ висимость медного термометра от температуры, вычисляют на осно­ вании следующего соотношения:

где tк – температура паров кипящей воды; Rt – сопротивление мед­ ного термометра при температуре tк; R0, R100к – сопротивление тер­ мометра при 0 и +100 °С.

Определив а по формуле Rt = R0(1 + аt), можно вычислить сопро­ тивление Rt для значений температуры t, кратных 20 °С, и составить градуировочную таблицу.

Схема лабораторной установки

Схема лабораторной установки приведена на рис. 3.2. Она вклю­ чает поверяемый термометр сопротивления, сосуд Дьюара, водяной электрокипятильник (паровой термостат-гипсометр), вольтметр уни­ версальный В7-54/3, соединительные провода.

32

Порядок выполнения работы

1.Термометр сопротивления погрузить в термостат с тающим льдом или снегом.

2.По истечении нескольких минут измерить сопротивление тер­ мометра.

3.Результаты измерений занести в табл. 3.4.

4.Перенести термометр в паровой термостат-гипсометр. После выдержки термометра в парах кипящей воды в течение не менее чем 20 мин измерить сопротивление термометра 5 раз с интервалом вре­ мени в 1–2 мин. Одновременно сделать отсчет избыточного давле­ ния по манометру у кипятильника, барометрического давления по барометру и температуры окружающего воздуха.

5.Результаты измерений записать в табл. 3.4.

Таблица 3.4. Результаты измерений

Таяния льда 0 °С

Кипения воды, 100 °С

Обработка полученных результатов

1.Вычислить значения R0 и R100.

2.Определить отношение R100/R0 и сопоставить полученную ве­ личину с данными табл. 3.1. Сделать соответствующее заключение.

3.Определить величину коэффициента а в интерполяционной формуле (3.2), используя соотношение (3.6) или (3.7).

4.Для нескольких значений температуры, кратных 20, произве­ сти градуировку термометра, составить градуировочную таблицу и построить график зависимости сопротивления от температуры. Сравнить полученные данные с номинальными (заводскими) и сде­ лать соответствующий вывод.

При проведении эксперимента и обработке опытных данных не­ обходимо иметь в виду, что корректные результаты могут быть полу­

чены при условии, если отклонение R0 от номинального значения не превышает ±0,11, температура кипящей воды определена с точностью

до десятых долей градуса, а температурный коэффициент а вычислен до третьей значащей цифры. Результаты поверки занести в табл. 3.5.

33

Таблица 3.5. Результаты поверки

Сопротивление термометра при 0 °С R0, Ом

Абсолютное давление паров Р в гипсо­ метре, Па

Температура насыщенных паров ки­ пящей воды tк при давлении Р, форму­ ла (3.3), °С

Сопротивление термометра при tк Rtк, Ом

Разность температур ∆tк = 100 – tк, °С

Поправка ∆Rtк (из табл. 3.3) соответ­ ствующая:

сопротивлению термометра при

+100 °С, R100; отношению R100 /R0;

отклонению от номинального зна­ чения: действительное допускаемое (см. табл. 3.2)

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Краткий порядок проведения измерений.

3.Результаты измерений (см. табл. 3.4).

4.Результаты поверки (см. табл. 3.5).

5.Графики зависимости Rt от t, полученные экспериментально и на основании стандартных данных.

6.Выводы.

34

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Изучение принципа действия и конструкции манометрического термометра

Цель: изучить принцип действия и конструкцию манометриче­ ского термометра.

Общие сведения

Принцип действия манометрических манометров основан на из­ менении давления газа, жидкости или насыщенного пара в замкну­ том объеме в зависимости от температуры. Конструктивно термо­ метр состоит из термобаллона 1, погружаемого в контролируемую среду, капилляра 2 и деформационного элемента 3 (рис. 4.1).

3

12

Рис. 4.1. Структура манометрического термометра

Манометрические термометры используются для измерения тем­ ператур от –200 до +600 °С и подразделяются на газовые, жидкост­ ные, конденсационные.

Газовые манометрические термометры используют в качестве ра­ бочего вещества гелий (для низких температур), азот (для средних температур) или аргон (для высоких температур). Зависимость дав­ ления газа от температуры при постоянном объеме имеет вид

P = P0(1+βt) ,

где Р и Р0 – давление газа при температурах t и 0 °С; β – температур­ ный коэффициент объемного расширения газа.

В данном случае уравнение шкалы линейное. Для компенсации температурной погрешности, вызванной изменением температуры окружающей среды, объем термобаллона Vт делают гораздо боль­ ше, чем объем капилляра Vк и деформационного элемента Vд, т.е.

Vт >> (Vк +Vд ).

35

Длина капилляра газового манометрического термометра может достигать 60 м.

Жидкостные манометрические термометры применяют в каче­ стве рабочего вещества органические жидкости. Уравнение шкалы в данном случае линейное. В жидкостных манометрических термо­ метрах может иметь место гидростатическая погрешность, возника­ ющая при различных уровнях расположения термобаллона и дефор­ мационного элемента. Длина капилляра может достигать 10 м.

Конденсационные манометрические термометры используют в ка­ честве рабочего вещества жидкости с низкой температурой кипения, они заполняют термобаллон на 3/4. Количество жидкости в термо­ баллоне должно быть таким, чтобы при максимальной температуре не вся жидкость переходила в пар. В качестве жидкостей могут ис­ пользоваться фреон, метил хлористый и т.д.

В данном случае уравнение шкалы нелинейное. В связи с тем что давление в системе зависит только от измеряемой температуры, на показания термометра не будет оказывать влияния температура окру­ жающей среды. Здесь также имеет место гидростатическая погреш­ ность. Длина капилляра конденсационного термометра может до­ стигать 25 м.

Схема лабораторной установки

На рис. 4.2 представлена схема лабораторной установки.

4

3

5

2

1

220 В

Рис. 4.2. Схема лабораторной установки:

1 – электронагреватель; 2 – сосуд с кипящей водой; 3 – термобаллон; 4 – металлический ка­ пилляр; 5 – деформационный элемент

36

Порядок выполнения работы. Обработка полученных результатов

1.Термобаллон манометрического термометра опустить в кипя­ щую воду сосуда 2 (см. рис. 4.2), одновременно включив секундомер.

2.Записывать показания термометра через каждые 3 с до тех пор, пока термобаллон не выйдет на режим теплового равновесия.

3.Данные занести в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Показания термометра

10

23

36

49

512

615

4. По полученным данным построить график переходного процес­ са (рис. 4.3). По построенному графику определить постоянную вре­ мени Т (с) и оценить ее инерционность (Т ≤ 5 с – малоинерционные, 5 с < Т ≤ 60 с – среднеинерционные, Т > 60 c – высокоинерционные).

t, °C Т

τ, с

Рис. 4.3. Определение динамических свойств манометрического термометра

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Краткий порядок проведения измерений.

3.Расчетные данные по выполненной работе (см. табл. 4.1).

4.График динамической характеристики термометра.

5.Выводы.

37

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Определение динамических свойств датчиков температуры

Цель: изучить принцип действия датчиков температуры, опреде­ лить динамические свойства датчиков температуры.

Общие сведения

Основными датчиками температуры, работающими в комплекте с современными контрольно-измерительными и регулирующими приборами, в большинстве случаев являются термопары.

К числу достоинств термоэлектрических термометров следует от­ нести достаточно высокую степень точности, широкий диапазон из­ меряемых температур, возможность осуществления дистанционной передачи информации, автоматической записи показаний и исполь­ зования в автоматических системах регулирования. Они отличаются высокой чувствительностью и незначительной инерционностью.

Обеспечение наиболее высокого качества контроля и регулиро­ вания температур достигается в том случае, если термопара обладает хорошими статическими и динамическими характеристиками.

Статическая характеристика термопары представляет собой за­ висимость термо-ЭДС от температуры горячего спая при постоян­ ной или равной 0 °С температуре холодного спая (рис. 5.1). Для боль­ шинства промышленных термопар эти характеристики фактически линейны.

Статические свойства термопар (см. рис. 5.1) зависят от крутизны характеристики γ (чувствительности). Чем круче характеристика тер­ мопары, тем выше ее чувствительность к изменению температуры. Чем больше крутизна статической характеристики, тем больше ЭДС термопары при таком же диапазоне изменения температуры. Из тер­ мопар, приведенных на рис. 5.1, наиболее чувствительной будет хро­ мель-копелевая термопара.

Статические свойства термопар зависят от материала термоэлек­ тродов. С точки зрения исследования динамических свойств элемен­ тов регулирования, в том числе и термопар, очень важно различать их по характеру переходных процессов, а не по конструктивному вы­ полнению.

Составим дифференциальное уравнение термопары. Ее регули­ руемой величиной является температура корпуса θ, от которой по линейному закону изменяется термо-ЭДС:

38

Рис. 5.1. Статические (а) и динамические (б) характеристики термопары

Пусть внутренняя температура помещения θвн. Поместим термопа­ ру из среды с температурой помещения θвн в сосуд с кипящей водой θк.

Количество тепла, которое отдает кипящая вода термопаре за вре­ мя dt, будет равно

где α – коэффициент теплопередачи; F – площадь поверхности кор­ пуса термопары.

39

За время dt термопара нагреется на dθ °С и получит количество тепла

где с – теплоемкость материала, из которого изготовлен корпус тер­ мопары; m – масса материала.

Пренебрегая потерями энергии в окружающую среду, можем за­ писать

Затем можем записать дифференциальное уравнение термопары в общем виде

cm

где T = αF (с); к = γ (мВ/°С).

Кривая разгона для данных термопар (как апериодического зве­ на) может быть построена по уравнению, которое является решени­ ем дифференциального уравнения (5.7):

где к – коэффициент передачи; Т – постоянная времени, через ко­ торое ЭДС термопары достигла бы установившегося значения, если бы ее изменение протекало с постоянной скоростью, равной ско­ рости изменения в начальный момент времени. Это есть проекция на ось времени касательной к кривой из начала координат до пере­ сечения с касательной к кривой при установившемся значении теп­ лового равновесия.

Процесс нагревания или охлаждения термопары можно разделить на три стадии (см. рис. 5.1):

•  дорегулярный режим (начальный участок), при котором еще не произошло выравнивание температуры между корпусом и термо­

40