Лабораторна робота №1 вивчення конструкцій та принципу дії приладів для вимірювання температури

МЕТА РОБОТИ. Вивченняпринципівдії та конструктивнихсхем приладів для вимірювання температури твердих, рідких та газоподібних тіл.

ВСТУП

Визначення джерел тепловиділення, дослідження температурних полів, які виникають в тих чи інших технічних об’єктах (наприклад,в металорізальних верстатах), є важливим завданням при установлені теплового режиму цих об’єктів. Ці дослідження тісно пов’язані з вимірюванням температури на різних ділянках технічних об’єктів (металорізальні верстати, інструменти, паротурбінні установки, гідравлічні системи технологічних машин тощо).

Для вимірювання температури використовуються різні способи та прилади. Всю різноманітність способів вимірювання температури можна в загальному випадку привести до двох: контактний та безконтактний.

При контактному способі вимірювання температури термочутливий елемент безпосередньо знаходиться в кондуктивному та (або) конвективному зіткненні з об’єктом вимірювання, а при безконтактному способі температура об’єкта визначається за інтенсивністю його випромінювання в суцільному спектрі або в окремому діапазоні довжини хвиль електромагнітного поля.

Область застосування контактних приладів для вимірювання температури (термометрів) обмежена температурним діапазоном від мінус 200°С до плюс 2500°С. За допомогою термометрів важко, а то і неможливо, вимірювати температуру дуже великих або малих об’єктів, а також таких, які швидко рухаються. Ці обмеження можливостей термометрів обумовлені їх інерційністю та жаротривкістю матеріалів, з яких виготовлені деталі термометрів. В цих випадках використовують безконтактні прилади для вимірювання температури /пірометри/. Пірометри реєструють температуру об’єктів дистанційно, вони швидкодійні і можуть вимірювати температуру в діапазоні від мінус 100°С до плюс 8000°С.

Принцип дії контактних термометрів ґрунтується на двох різних фізичних ефектах: термомеханічному та термоелектричному.

Термомеханічним ефектом називається залежність розширення твердих тіл, рідин та газів від температури. Процес теплового розширення речовин підкоряється закону Гей-Люсака [1] і описується рівнянням:

L₂=L₁[1+α(t₁-t₂)] (Л1.1)

або

ΔL=L₂-L₁=αL₁Δt, (Л1.2)

де L₁ та L₂- розміри тіла, яке нагрівається, відповідно, при температурах t₁ та t₂ (∆=t_1-t₂);

α- коефіцієнт теплового розширення.

Чутливість термометра розширення установлюється залежністю [3]

S=ΔL/Δt=L₀(α₁-α₂), (Л1.3)

де L₀ -розмір двох тіл, які складають термометр при деякій

початковій температурі t₀;

α₁ та α₂- відповідно, коефіцієнти теплового розширення складових

частин термометра.

Термоелектричний ефект має дві різновидності: залежність електричного опору провідника або напівпровідника від температури та виникнення електрорушійної сили (термо-ЕРС) в мережі, складеної з двох різнорідних провідників або напівпровідників, при нерівності температур спаїв мережі - робочого (або гарячого) та холодного. Таке з'єднання провідників називається термопарою. Термо-ЕРС, яка виникає при нагріванні або охолодженні одного з спаїв термопари, змінюється пропорційно різниці температур гарячого і холодного спаїв.

При відносно невеликому діапазоні зміни температури справедлива залежність [2]

R_t=R₀[1+α(t-t₀)], (Л1.4)

де Rt - електричний опір провідника при температуріt°С;

R₀- електричний опір провідника при температурі t₀ =0°С;

α - температурний коефіцієнт опору, 1/°С. Вимірюючи Rt, можна визначити температуру

t=(R_t-R₀)/(R₀α)+t_0. (Л1.5)

Принцип дії пірометрів ґрунтується на вимірюванні сумарної енергії або складу випромінювання нагрітих тіл. Пірометри, які вимірюють сумарну(інтегральну)енергіювипромінювання називаються радіаційними або пірометрами повного випромінювання. Ці прилади міряють не дійсну, а радіаційну температуру тіла. Дійсна температура Т(К) знаходиться за формулою[2]

, (Л1.6)

де Т_Р – радіаційна температура, К;

ε<1- інтегральний коефіцієнт випромінювання (чорноти). Градуювання пірометрів виконують по абсолютно чорному тілу, для якого ε=1.

Пірометри, принцип дії яких ґрунтується на вимірювані складу випромінювання, діляться на яскравістні (оптичні) та колірні (спектрального випромінювання). Яскравістні пірометри вимірюють яскравісну монохроматичну температуру Т_я. Дійсна температура Т (К) визначається співвідношенням [2]

Т=[1/Т_я+λln(1/ε_λ)/C₂]^-1, (Л1.7)

де Т_я - яскравісна температура, К; λ - довжина хвилі випромінювання, яка реєструється, м; ε_λ<1 - монохроматичний (спектральний) коефіцієнт випромінювання, C₂= hс_о/k = 1.438·10^-2 м.К – стала випромінювання

( h = 6,624·ІО^-34 Дж.с - стала Планка; с_о = 2.997·10⁸ м/с - швидкість світла в вакуумі; k = 1,380·10 ^-23 Дж/К - стала Больцмана).

В колірних пірометрах інтенсивність монохроматичного випромінювання тіла вимірюють при якій-небудь температурі для двох ділянок довжин хвиль, наприклад, червоної та синьої ділянок видимої частини спектру. Відношення інтенсивностей цих ділянок залежить від температури (закон зміщення Віна [3]). Дійсну температуру Т(К) знаходять за формулою

T={1/T_к+λ₁λ₂ln(ε_λ1/ε_λ2)/[C₂(λ₂-λ₁)]} (Л1.8)

де Тк - колірна температура, К; λ₁ та λ₂ - довжини хвиль різних монохроматичних випромінювань, які відповідають двом яскравістим температурам, м; ε_λ1 та ε_λ2 монохроматичні коефіцієнти випромінювання двох ділянок тіла.