Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления химико-технологическими процессами. Часть 1. Учебное пособие
.pdf
мые для этого вещества называются термометрическими, а устанавли-
n
−
ваемая с их помощью шкала температуры – эмпирической.
Практически измеряют температуру методом сравнения нагретости двух тел, причём степень нагретости одного из тел предполагается известной.
17.1.1. Температурные шкалы
Для количественного определения температуры используют
температурные шкалы, которые представляют собой ряд отметок
внутри температурного интервала ограниченного двумя легко воспроизводимыми точками перехода химически чистых веществ из одного агрегатного состояния в другое. Например воды изо льда в жидкость и из жидкости в пар, при нормальном атмосферном давлении,
равном 760 мм рт. ст. (при понижении давления температура кипения
воды понижается).
Единица измерения температуры градус:
tt
градус1
k 0
= ,
где n – целое число на которое разбивается интервал.
Основной недостаток эмпирических шкал температуры состоит
в их зависимости от специфических особенностей конкретных термометрических веществ.
В настоящее время в России и ряде других стран используются
две температурные шкалы:
- термодинамическая;
- международная практическая.
Шкала Кельвина (1848)
Термодинамической (абсолютной) шкалой называется температурная шкала Кельвина. Единица измерения «кельвин» (К), названа в
честь английского физика Уильяма Томсона, которому было пожаловано звание лорд Кельвин Ларгский из Айршира. В свою очередь, это
звание пошло от реки Кельвин (River Kelvin), протекающей через
территорию университета в Глазго. До 1968 года кельвин (К) официально именовался градусом Кельвина (оК).
151
Для шкалы Кельвина нижней точкой (началом шкалы) является
точка абсолютного нуля (0 К). Кельвин определил абсолютный ноль
теоретическим путем (-273 °C), а за один градус шкалы принял градус Цельсия.
В 1954 году на десятой главной конференции мер и весов
(Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM) решили, что фиксированной точкой шкалы Кельвина будет тройная точка воды (единственная экспериментальная точка шкалы), и температура ее будет
273,16 K. Один кельвин равен 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды.
Тройная точка воды - строго определенные значения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно
существовать в виде трёх фаз - в твердом, жидком и газообразном состояниях. В системе СИ температура тройной точки воды принята
равной 273,16 К при давлении 609 Па (рис. 78).
Рис. 78. Тройная точка воды
При нормальных условиях равновесное сосуществование
льда, водяного пара и жидкой воды невозможно. Это обстоятельство
152
вроде бы противоречит обыденным наблюдениям — лёд, вода и пар
часто наблюдаются одновременно. Но противоречия нет - наблюдаемые состояния далеки от термодинамически равновесных и реализуются на практике только из-за кинетических ограничений фазовых
переходов.
Абсолютный ноль температуры - это минимальный предел
температуры, которую может иметь физическое тело. Считается,
что абсолютный ноль на практике недостижим. Его существование и положение на температурной шкале следует из экстраполяции наблюдаемых физических явлений, которая показывает, что
при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и
атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое
движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную
структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической
решётки (жидкий гелий составляет исключение). Однако с точки
зрения квантовой физики при абсолютном нуле температуры существуют нулевые колебания, которые обусловлены квантовыми
свойствами частиц и физического вакуума, их окружающего.
Международной практической температурной шкалой в 1948
году была принята стоградусная шкала Цельсия (оС).
Шкала Цельсия (1742)
Шкала придумана шведским профессором астрономии Андерсом Цельсием. Для построения шкалы Цельсия взяты точки плавления льда t0 = 0 оС и кипения воды tк = 100 оС в нормальных условиях.
Эта шкала получается из шкалы Кельвина, если за нуль принять
температуру замерзания воды, при этом 1 °C = 1 °K. Температура в
тройной точке воды равна +0,01 °C. Связь между значениями температуры по шкале Кельвина Т(К) и шкале Цельсия t (оС) имеет вид:
Т(К)= t оС+273,15 К, t(°C) = T(K) - 273,15.
Шкала Фаренгейта (1924)
В настоящее время, данная температурная шкала часто в быту,
используется в Англии и США.
Шкала придумана немецким физиком Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом. Фаренгейт на 100 градусов разделил интервал от темпера-
153
туры самой холодной зимы в городе, где он жил, до температуры че-
180
100
9
ловеческого тела.
В настоящее время за точки перехода в шкале Фаренгейта (оF)
взяты точки плавления льда t0 = 32 оF и кипения воды tк = 212 оF. Градус
Фаренгейта (оF) равен 5/9 градуса Цельсия (оС).
Связь между температурами выраженных в градусах Фаренгейта (t оF) и Цельсия (t оС), имеет вид:
oo
C −
tt
=
32F
или .32C
5
F +=oott
Кроме вышеперечисленных температурных шкал, существуют
редко применяемые шкалы: термодинамическая шкала Ранкина
(Rankine) и шкала Реомюра (Réaumur).
Шкала Ранкина (1859)
Абсолютная температурная шкала, тоже самое, что и шкала
Кельвина для Цельсия, только для Фаренгейта. Была предложена
шотландским физиком Уильямом Ранкином. Ещё используется в некоторых англоязычных странах для инженерных термодинамических
расчётов.
Шкала Ранкина начинается при температуре абсолютного нуля,
точка замерзания воды соответствует 491,67 °Ra, точка кипения воды
671,67 °Ra. Число градусов между точками замерзания и кипения воды по шкале Фаренгейта и Ранкина одинаково и равно 180.
Связь этой температурной шкалы с другими:
Т(К)=1,8(°Ra),
t(°Ra)=1,8·( t °C+273,15),
t(°Ra)= t (°F)+459,67.
Шкала Реомюра (1730)
Предложил французский естествоиспытатель Рене Антуан Реомюр. Он предложил взять за точку замерзания воды – 0 °Re, а за точку кипения воды 80 °Re, так как 80 можно было делить пополам 4
раза, и все время получать целое число.
Связь этой температурной шкал со шкалой Цельсия:
t(°Re)= 5/4·t (°C).
154
В настоящее время шкала вышла из употребления, даже во
Франции, как и шкалы Рёмера и Делиля.
17.1.2. Классификация термометров
Для измерения температуры используются технические прибо-
ры называемые термометрами.
Существует два метода измерений.
1. Контактный, когда чувствительный элемент термометра
находится в непосредственном контакте с определяемой средой.
2. Бесконтактный, когда температура определяется по теп-
ловому излучению нагретых тел (используется при высоких температурах).
По свойству термодинамического тела, используемого для измерения температуры, можно выделить следующие шесть групп приборов для измерения температуры:
1) термометры расширения (основаны на изменении линей-
ных размеров и объёма тел под действием температуры);
2) манометрические термометры (основаны на изменении
давления жидкостей, газов или пара в замкнутом объёме в зависимости от температуры);
3) термометры сопротивления (основаны на изменении ак-
тивного сопротивления проводников и полупроводников);
4) термоэлектрические термометры (термопары) (основаны
на образовании в спае пары проводников термо-ЭДС);
5) термометры излучения (пирометры) (основаны на измене-
нии яркости свечения нагретых тел).
6) диэлектрические измерители температуры (основаны на
изменения емкости от температуры)
17.1.3. Термометры расширения
Все термометры расширения подразделяются на жидкостные и
деформационные (основанные на расширении твердых тел).
Принцип действия жидкостных термометров расширения
основан на использовании изменения удельного объема рабочей
155
жидкости от температуры. В зависимости от интервала измеряемых
температур в качестве рабочей жидкости в жидкостных термометрах
применяют пентан (-190 ÷ 20 °С), петролейный эфир (-130 ÷ 25 °С),
этиловый спирт (-100 ÷ 75 °С), толуол (-90 ÷ 100 °С), ртуть (-35 ÷ 700
°С) и креозота (-5 ÷ 200 °С).
В химической промышленности используются ртутные стеклянные термометры (применение ртутных термометров в
пищевой промышленности категорически запрещено). Коэффициент расширения ртути мало изменяется при изменении температуры, поэтому шкала ртутного термометра до 200 °С практически
линейна. Термометры с органическими жидкостями из-за ряда недостатков применяют только для измерения низких температур. Из
всех таких термометров наибольшее распространение получили
спиртовые.
Жидкостные стеклянные термометры не обладают возможностью регистрации и передачи показаний на расстояние, непригодны
к ремонту, весьма хрупкие и обладают медленной реакцией на изменение температуры, но весьма просты, дешевы и при стандартных
условиях дают приемлемую точность.
Несмотря на большое разнообразие конструкций, все жидко-
стные стеклянные термометры относятся к одному из двух основных
типов: палочные (рис. 79, а) и со вложенной шкалой (рис. 79, б).
Палочные термометры имеют толстостенный капилляр наружным диаметром 6 - 8 мм, нижний конец которого образует резервуар
для жидкости. Шкалу наносят на внешнюю поверхность капилляра.
Термометры со вложенной шкалой имеют тонкостенный капилляр с
расширенным резервуаром для ртути. Шкалу наносят на пластинку
из молочного стекла, которая вместе с капилляром заключена в стеклянную оболочку, прикрепленную к резервуару термометра.
В зависимости от назначения стеклянные термометры подразделяются на образцовые (1- и 2-го разрядов), лабораторные и технические. Образцовые термометры 1-го разряда изготовляют только
палочного типа, а образцовые 2-го разряда и лабораторные - палочного типа или со вложенной шкалой. Технические термометры изготовляют только со вложенной шкалой. Технические и лабораторные
термометры могут иметь шкалы с различными пределами.
156
Рис. 79. Термометры расширения: а - палочный; б - со вложенной шкалой
Разновидностью ртутных термометров являются контактные
термометры, используемые в основном для сигнализации о нарушении заданного температурного режима.
Чувствительность термометра расширения зависит от разности коэффициентов объемного расширения термометрической
жидкости и стекла, от объема резервуара и диаметра капилляра.
Чувствительность термометра обычно лежит в пределах 0,4…5
мм/°С (для некоторых специальных термометров 100…200 мм/°С).
Для защиты от повреждений технические термометры монтируются в металлической оправе, а нижняя погружная часть закрывается металлической гильзой.
При измерении жидкостной термометр погружается до определенного уровня, иначе появляется дополнительная погрешность.
Обычно точность таких термометров составляет ±1 %.
Если по условию эксплуатации жидкостной термометр расширения не может быть погружен в измеряемую среду полностью, то
учитывают погрешность Δ вызываемую столбиком рабочей жидкости
имеющей температуру внешней среды:
Δt = n·β·(t2 - t1),
где n – число градусов выступающего столбика; β - коэффициентом
объемного расширения жидкости (для ртути β = 0,00016 град -1);
157
t2 – температура измеряемой среды; t1 - температура окружающей
−
(внешней) среды.
Если t1 < t2 – то к показанию термометра прибавляется Δt;
t1 > t2 – то к показанию термометра прибавляется – Δt.
К деформационным термометрам, основанных на расширении
твёрдых тел, относятся дилатометрические и биметаллические термометры. В этих термометрах с изменением температуры изменяются линейные размеры твердых тел.
Конструктивное исполнение дилатометрических термометров
(рис. 80) основано на преобразовании измеряемой температуры в
разность абсолютных значений удлинений двух стержней (одного
стержня), изготовленных из материалов с существенно различными
термическими коэффициентами линейного расширения α, град -1,
ll
tt
=α
21
,
)(
ttl
−
120
где lo, lt1, lt2 - линейные размеры тела при 0 °С, температурах t1 и t2.
Линейный размер стержня определяется по формуле:
l = lo∙(1 + α∙(t2 – t1)).
Рис. 80. Дилатометрический термометр
В силу того, что α мала, дилатометрические термометры применяются в качестве различного рода тепловых реле в устройствах
сигнализации и регулирования температуры.
Биметаллические термометры основаны на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Биметаллическая
158
лента представляет собой пластину, сваренный из двух слоев металлов с различным коэффициентом линейного расширения. Внутренний слой этой пластинки изготовляют из металла, имеющего большой коэффициент линейного расширения, а наружный из металла с
малым коэффициентом (из инвара).
Если один конец биметаллической пластинки зафиксирован, то
величина перемещения второго конца является мерой температуры
(рис. 81, а). Это перемещение может быть использовано для размыкания и замыкания контактов, что часто используется в бытовых
приборах.
Если биметаллическую пластину выполнить в виде спирали, то
перемещение свободного конца можно использовать для перемещения стрелки по шкале (рис. 81, б).
Рис. 81. Биметаллические термометры: а – конец биметаллической пластины
зафиксирован; б – биметаллическая пластинка в форме спирали
Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры.
Биметаллические термометры обеспечивают изменение температуры с относительными погрешностями 1,0 - 1,5 %.
159
17.1.4. Манометрические термометры
Действие манометрических термометров основано на изменении давления рабочего вещества, заключенного в емкость постоянного объема, при изменении его температуры (рис. 82).
Прибор состоит из термобаллона 1, капиллярной трубки 2,
трубчатой пружины 3, держателя 4, поводка 5, зубчатого сектора 6 с
указательной стрелкой 7.
Рис. 82. Манометрический термометр с трубчатой пружиной
Вся система заполняется рабочим веществом. При нагревании
термобаллона 1, установленного в зоне измеряемой температуры,
давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличива-
жиной 3, которая воздействует через передаточный механизм 4 – 6
на стрелку 7 или перо прибора.
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]