Приборы для измерения температуры

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ (МГУПП)

Кафедра «Энергосбережение и термогидродинамические процессы»

Теплотехника. Термодинамика и тепломассообмен. Теплотехника и энергосбережение. Техническая термодинамика. Тепло- и хладотехника.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Методические указания к лабораторной работе для студентов направлений подготовки уровня бакалавриата: 230100, 220400, 260200, 190600, 141200, 240700, 220700, 261700, 140500, 260800, 151000

МОСКВА 2013

ВВЕДЕНИЕ

При эксплуатации систем тепло- и хладоснабжения предприятий по переработке животноводческого сырья и осуществления тепловых технологических процессов широко применяется технические средства для измерения температуры

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение методов и средств измерения температуры. Ознакомление с устройством и работой приборных средств.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Температура характеризует степень нагретости тела. Численное значение температуры прямо пропорционально кинетической энергии поступательного движения молекул и, соответственно, их скорости:

T mw2 , 2

где – коэффициент пропорциональности, характеризующий изменение кинетической энергии молекул при изменении температуры на 1 К;

m – масса молекулы газа;

w2 – среднеквадратичная скорость молекулы газа.

С увеличением кинетической энергии движения молекул газа возрастает степень его нагретости, что приводит к изменению физических свойств тела. Температура не является непосредственно измеряемой величиной. Ее значение определяется по изменению каких-либо физических свойств вещества. Такими свойствами могут быть изменение объема или давления газа, объема жидкостей, электрического сопротивления металлов и полупроводников, термоэлектродвижущей силы, полного и монохроматического излучения.

Для количественного измерения температуры применяются температурные шкалы. Шкала температур устанавливается путем деления разности показаний термометра в двух выбранных постоянных (реперных) точках, на некоторое равное число частей, называемых градусом. Обычно за реперные точки принимают температуры плавления льда и кипения воды при нормальных физических условиях.

Термодинамическая температурная шкала или шкала Кельвина,

единица температуры – Кельвин [К]. Ее можно построить на основе второго закона термодинамики. Температура плавления льда по шкале Кельвина равна 273,16 К, а температура кипения воды 373,16 К. Единица Кельвина устанавливается от абсолютного нуля до температуры тройной точки воды. Абсолютный нуль – это температура, при которой прекращается хаотическое движение молекул тела, т. е. начало отсчета абсолютной температуры Т. Абсолютная температура является параметром состояния вещества. Тройная точка воды – это температура,

3

при которой вода, водяной пар и лед находятся в равновесии – 273,16 К. Таким образом, 1 Кельвин равен 1/273,16 части температурного интервала от абсолютного нуля до температуры тройной точки воды.

Международная практическая шкала. По этой шкале температуру t

измеряют в градусах Цельсия [ С]. Температура таяния льда принята 0 С, температура кипения воды 100 С. Температура t, измеряемая по этой шкале, связана с абсолютной температурой Т соотношением:

t= Т – 273,16 С.

ВЕвропе и Северной Америке довольно широко распространена шкала Фаренгейта. По Фаренгейту за начало шкалы принята температура таяния смеси, состоящей из нашатыря и тающего льда, взятых в

одинаковых массах. Температура таяния льда по такой шкале 32 F, а температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении 212 F.

Связь шкал Цельсия, Фаренгейта и Кельвина:

t F t C 1,8 32

Рис. 1. Соотношения шкал Цельсия, Фаренгейта и Кельвина

Термодинамическая температурная шкала имеет преимущество по сравнению с другими температурными шкалами. Во-первых, значения температур по этой шкале не зависят от физических свойств термометрических веществ, поэтому температуры всегда однозначны.

Во-вторых, термодинамическая температурная шкала строится только по одной реперной точке – температуре тройной точки воды, а эта температура может быть воспроизведена со значительно большей точностью, чем температура плавления льда.

В-третьих, все температуры по этой шкале – величины положительные, что упрощает расчеты, связанные с температурами.

Приборы для измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал, являющийся известной функцией температуры, называются термометрами.

4

Наибольшее распространение получили следующие виды термометров.

ЖИДКОСТНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Наиболее широко распространены для измерений температур в области от –200 до + 500 С жидкостные термометры, в том числе и ртутные.

Их основное преимущество – дешевизна и простота эксплуатации. Ртутью заполняются термометры, применяемые для измерения температур от –30 до +500 С, толуолом – от –80 до +100 С, этиловым спиртом от –80 до 80 С, пептаном – от –200 до +20 С.

Показания жидкостных термометров зависят не только от изменения объема термометрической жидкости, но и от измерения стеклянного резервуара, в котором находится эта жидкость. Ртутные стеклянные термометры, обладая рядом преимуществ, вместе с тем хрупки. Поэтому во избежание попадания ртути и стекла в пищевые продукты при повреждении термометров не следует применять их для измерения температуры колбасных изделий, молока и других пищевых продуктов.

Стеклянные жидкостные термометры по назначению и области применения могут быть разделены на образцовые, лабораторные и технические.

Разновидностью жидкостных термометров являются контактные термометры или термосигнализаторы. Ртутно-контактные термосигнализаторы предназначены для регулирования температуры, а также подачи сигнала о достижении заданного температурного уровня в той или иной среде.

Контактные термометры изготавливают с одним подвижным контактом, который можно перемещать внутри капилляра при помощи специального магнитного устройства, и вторым неподвижным контактом, впаянным в капилляр термометра. В качестве подвижного контакта применяется тонкая вольфрамовая проволока, расположенная внутри капилляра. Контакт перемещается при помощи передвигающейся по винту овальной гайки, заключенной в трубку. Вращение винта производится постоянным магнитом, который устанавливается на колпачке в верхней части термометра. К контактам припаяны медные провода, которые присоединяются к зажимам на головке термосигнализатора. Замыкание или размыкание электрической цепи между контактами происходит вследствие увеличения или уменьшения объема ртути при нагревании или охлаждении нижней части термометра.

Пространство над ртутью в капилляре заполняют водородом, предварительно очищенным от влаги и кислорода. Контактные термометры используются для регулирования температуры в пределах от 0 до +300 °С с установкой контакта на любую отметку в пределах всей

5

шкалы прибора. Эти термометры обычно снабжены двумя шкалами: верхней и нижней. Верхняя шкала служит для установки контакта на заданное значение сигнализируемой или регулируемой температуры. Нижняя шкала предназначена для измерения температуры. В момент замыкания контактов происходит отключение нагревателя с помощью теплового реле, в результате чего гаснет сигнальная лампа. При измерении температуры жидкостными стеклянными термометрами для получения истинной температуры следует вводить поправку в показания на выступающий столбик ртути.

Поправка вводится на том основании, что лабораторные термометры при градуировке погружаются в измеряемую среду до деления шкалы, соответствующего измеряемой температуре, в то время как на практике термометры обычно погружаются в измеряемую среду на значительно меньшую глубину.

Поправка на выступающий столбик ртути определяется по формуле

t = n (tн – tв),

где t – поправка, С;

n – число градусов в выступающем столбике ртути;

– кажущийся коэффициент объемного расширения ртути и стекла,

равный 0,00016;

tн – показания термометра, С;

tв – температура окружающей среды, °С.

Тогда истинная температура измеряемой среды tн = tв t. В случае, когда температура измеряемой среды выше температуры окружающего воздуха, поправка t должна прибавляться к показаниям термометра. Если же температура исследуемой среды ниже температуры окружающего воздуха, то поправка вычитается из показаний термометра.

ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве металлов изменять электрическое сопротивление с изменением температуры. Термометр сопротивления имеет чувствительный элемент, выполняемый обычно из платиновой или медной тонкой проволоки. Проволока наматывается на каркас с изоляцией. Чувствительный элемент снабжен защитной трубкой. Термометр заканчивается литой алюминиевой головкой, имеющей зажимы для присоединения к источнику тока, а также ко вторичному прибору логометру, шкала которого градуирована в С в соответствии с сопротивлением чувствительного элемента. В логометре измерение электрического сопротивления чувствительного элемента преобразовывается в показание температуры контролируемой среды.

Для изготовления термометров сопротивления пригодны чистые металлы, а также некоторые полупроводники. Медные термометры сопротивления применяются для измерения температуры в интервале от –

6

50 до 150 С, а платиновые от –260 до 750 С. В отдельных случаях термометры сопротивления могут быть использованы для измерения температур до 1000 С.

Достоинством термометров сопротивления является высокая точность измерения, использование измерительных приборов со стандартной градуировкой шкалы на любой температурный интервал, возможность использования их с информационно-вычислительными машинами.

МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Действие манометрических термометров основано на изменении давления в заполненном рабочим веществом замкнутом объеме, в зависимости от изменения температуры. В зависимости от рабочего вещества они делятся: на газовые (азот), жидкостные (ртуть, ксилол), паровые (ацетон, бензол).

Манометрический термометр состоит из термобаллона, погружаемого в среду, капиллярной трубки и пружинного манометра. Во время измерения давления рабочее тело термобаллона нагревается и соответственно увеличивается давление в замкнутой системе, в результате чего пружина манометра раскручивается. Деформация свободного конца пружины через передаточный механизм передается показывающей стрелке прибора.

Преимущество этих термометров заключается в возможной передаче показаний на сравнительно большие расстояния.

Недостатком манометрических термометров является трудность поддержания герметичности в термобаллоне.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПИРОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ)

В основе термоэлектрических пирометров лежит термоэлектрический эффект. Суть этого эффекта заключается в следующем: если два проводника из различных металлов (сплавов) соединены в замкнутую цепь, причем температура одного соединения (спая) заметно отличается от другого, то возникает термоЭДС Ет (и в замкнутой цепи будет протекать ток), значение которой зависит от разности температур и характеристик материалов проводников. Если в разрыв свободных концов включен измеритель ЭДС или вольтметр V, то его показания будут определяться разницей температур (t1 – t2), значение термоЭДС Ет определяется по формуле

Ет = к (t1 – t2),

где к – чувствительность термопары (коэффициент преобразования), мкВ/ С;

t1 – температура рабочего (горячего) спая, С;

t2 – температура свободных (холодных) концов, С.

7

источником постоянного тока. О температуре исследуемого тела судят по яркости нити пирометрической лампы, сравниваемой с яркостью свечения тела. Яркость накала нити лампочки измеряется силой тока в миллиамперах, причем шкала миллиамперметра градуируется в градусах стоградусной шкалы. Точность измерений температуры оптическим пирометром составляет 1,0 % от максимального значения шкалы.

Радиационные пирометры позволяют измерить температуру раскаленного тела путем определения полного излучения тела. Эти пирометры состоят из первичного преобразователя (телескопа), одного или двух вторичных приборов (измерителя) и вспомогательной панели с подгоночными катушками. В телескоп вмонтированы оптическая и лучеприемная части. Оптическая часть телескопа состоит из рефлекторной линзы, собирающей тепловой поток и направляющей его на лучеприемную часть, а также подвижной окулярной линзы, предназначенной для наведения всей системы в соответствии со зрением наблюдателя. При наведении телескопа на излучающее тало лучи через рефлекторную линзу падают на рабочие концы термопары и нагревают их. ТермоЭДС, возникающая вследствие разности температур горячего и холодного спаев термобатареи, измеряется миллиамперметром. Для определения температуры раскаленного тела в показания миллиамперметра необходимо вводить поправку, учитывающую степень черноты тела. Достоинства прибора: радиационный пирометр позволяет определить температуру измеряемого тела через 6 - 10 с после начала измерения. Погрешность показаний радиационного пирометра составляет 2 % от наибольшего значения шкалы.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка представлена на рис. 3

Рис. 3. Схема экспериментальной установки

1 – термостат; 2 – электродвигатель с мешалкой; 3 – контактный термометр (термосигнализатор); 4 – термометр сопротивления с логометром; 5 – манометрический термометр; 6 – термоэлектрический пирометр; 7 – тепловое реле; 8 – электрический нагреватель.

9

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.В термостат (1) налить жидкость (воду или масло).

2.В рабочую жидкость опустить контактный термометр (3), манометрический термометр (5), термометр сопротивления с логометром (4), хромель-алюмелевую термопару (6), которая подключается к потенциометру.

3.Включить электромотор с мешалкой (2) и нагреватель (8).

4.Нагреть жидкость в заданном интервале температур.

5.С помощью контактного термометра, вращая магнитную головку, задать определенную температуру.

6.Зафиксировать заданную температуру всеми имеющимися в установке термометрами.

7.С помощью контактного термометра изменять температуру, увеличивая показания контактного термометра на 4 С.

8.Фиксировать изменение температуры всеми приборами.

9.Результаты опыта записать в журнал наблюдений.

ЖУРНАЛ НАБЛЮДЕНИЙ

10.По отношению к показанию контактного термометра с поправкой, найти процент относительной погрешности показаний всех остальных приборов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что представляет собой температура с точки зрения молекулярнокинетической теории?

2.Что представляет собой градус шкалы температур?

3.В чем особенность термодинамической шкалы Кельвина?

4.Каковы особенности шкал Цельсия и Фаренгейта?

5.Почему необходимо вводить поправку на выступающий столбик ртути в термометрах расширения?

6.Каковы соотношения между шкалами Цельсия, Кельвина, Фаренгейта?

7.Назначение и принцип действия ртутно-контактных термометров.

10