M04700

11

Термоелектричні термометри (термопари) побудовано на властивості спаяних різнорідних металів та сплавів генерувати термо-Е.Р.С., величина якої залежить від температури спаю. Принцип дії пірометрів реалізує принцип вимірювання теплової енергії (кольору, яскравості), що випромінюється об’єктом у залежності від його температури.

У залежності від використання тих чи інших термометричних властивостей різні прилади мають різні діапазони вимірювання температури (табл. 1.2).

Таблиця 1.2 – Деякі характеристики приладів для вимірювання температури

1.3 Завдання на підготовку до лабораторної роботи

Перед тим як стати до лабораторної роботи, студентам необхідно засвоїти теоретичний матеріал розділу “Основні поняття, процеси, закони та рівняння перенесення теплоти і маси”. Слід приділити особливу увагу з’ясуванню фізичної суті параметрів, що характеризують перенесення теплоти та чітко розрізнювати шкали для вимірювання температури. В процесі підготовки до лабораторної роботи слід користуватися літературою [1–4], конспектом лекцій, а також даними методичними вказівками.

До початку лабораторної роботи слід також підготувати ілюстративні матеріали, згідно з вимогами розділу 1.7 даних методичних вказівок, які повинні містити форми протоколів, до яких заноситимуться всі величини, одержані з дослідів та в результаті розрахунків.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

12

1.4 Контрольні запитання для самоперевірки і контролю підготовленості студентів до роботи

1.Визначення температури як фізичної величини.

2.Суть процесу вимірювання температури; термометричні параметри.

3.Температурні шкали: принципи побудови, одиниці вимірювання температури.

4.Основні типи приладів вимірювання температури, їх позитивні якості, недоліки та галузь застосування.

5.Принцип дії та основні конструктивні особливості термометрів розширення, манометричних та дилатометричних термометрів, термометрів опору, термопар, пірометрів.

1.5 Матеріали, інструмент, прилади, обладнання

Рідинний скляний термометр (рис. 1.1) – найтиповіший представник термометрів розширення, – складається із резервуару 1 з рідиною, капілярної трубки 2, яку одним кінцем приєднано до резервуару, а інший є закритим, шкали 3 та захисної оболонки 4. Для виготовлення термометрів використовують спеціальне термометричне

скло, яке має невеликий коефіцієнт температурного розширення ( βt (Si)

≈ 0,02·10 –3 K –1).

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

13

Робочими рідинами використовують ртуть (βt ≈ 1,8·10 –4 K –1) або органічні рідини (βt ≈ 1,13·10 –3 K –1): етиловий спирт, толуол, пентан та інші. Діапазон застосування ртутних термометрів знаходиться в межах від –39 °С (точка твердіння) до +357 °С (точка кипіння), проте верхню границю цього діапазону можливо підвищити до +650 °С за рахунок створення підвищеного тиску (понад 2 МПа) інертного газу в закритій частині капіляру. Термометри з органічними рідинами використовують в основному для вимірювання низьких температур від –190 °С до +100 °С. Об’єм колби (резервуару з рідиною) в рідинних термометрах зазвичай складає від 100 до 200 мм3, а об’єм капілярної трубки – від 3 до 10 мм3.

Дилатометричні термометри (рис. 1.2) не знайшли широкого розповсюдження як самостійні прилади, а використовуються, головним чином, як чутливі елементи у сигналізаторах температури. Конструктивно поділяються на стрижневі та пластинчасті (біметалічні) і реалізують властивість металів до лінійного подовження у відповідності до рівняння

де lt та l0 – довжини металевого стрижня (пластинки) за температури t та 0 °С відповідно; βt – коефіцієнт лінійного розширення металу, К–1.

б)

а)

а) – стрижневий термометр; б) – пластинчастий термометр

Рисунок 1.2 – Схеми дилатометричних термометрів

Дія стрижневого термометра основана на різниці між коефіцієнтами лінійного розширення металевого стрижня та трубки, в яку він вставлений. Дія пластинчастого термометра основана на вигинанні пластинки, спаяної з двох різних матеріалів з суттєво різними коефіцієнтами лінійного розширення. Значення коефіцієнтів лінійного розширення βt для деяких матеріалів наведено у таблиці 1.3.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

14

Таблиця 1.3 – Середні температурні коефіцієнти лінійного розширення деяких матеріалів

Манометричні термометри (рис. 1.3) у залежності від робочого середовища, що міститься у термосистемі, поділяються на газові, рідинні та конденсаційні. У газових термометрах частіше за все як робочу речовину використовують азот.

Залежність тиску газу при постійному об’ємі термосистеми описують лінійним рівнянням

Термометри опору (рис. 1.4) містять в своїй електричній схемі спеціальний елемент, який має постійний температурний коефіцієнт електричного опору

Для більшості чистих металів коефіцієнт αt змінюється в межах від 0,035 до 0,0065 К –1. У сплавах цей коефіцієнт значно менший і в деяких випадках наближується до нуля (для манганіну αt = 2·10 –5 К–1). Для напівпровідникових матеріалів цей коефіцієнт є від’ємним і має більший порядок, ніж у металів (від 0,01 – 0,15 К –1).

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

15

Таблиця 1.4 – Основні параметри термометрів опору

Термоелектричний термометр, або термопара (рис. 1.5), складається з двох спаяних та ізольованих по довжині термоелектродів, захисного кожуху та головки із затискувачем для підключення з’єднувальної лінії.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

16

Таблиця 1.5 – Основні параметри термопар

де q – густина теплового потоку, Вт/м2; σ0 = 5,67·10 –8 Вт / (м2·К4) – стала Стефана–Больцмана (коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла).

Рисунок 1.6 – Схеми безконтактних термометрів

У візуальному пірометрі (рис. 1.6.а) оператор візуально фіксує момент співпадіння яскравості зображення об’єкта та нитки розжарювання, яку вмонтовано в пірометр. Змінюючи реостатом силу струму крізь нитку розжарювання забезпечують вирівнювання яскравості двох об’єктів (ефект “нитки, що зникає”). У радіометрі (рис. 1.6.б) ділянку поверхні об’єкта заданої температури візуалізують

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

17

на поверхні термочутливого приймача (болометра), який перетворює змінювання температури у електричний сигнал.

1.6 Порядок виконання лабораторної роботи

Біля експериментальної установки студенти працюють лише під наглядом викладача або лаборанта, суворо дотримуючись вимог інструкції з охорони праці при виконанні робіт в лабораторіях кафедри “Теплотехніка та гідравліка” .

Ознайомитися з технічними характеристиками приладів вимірювання температури різних конструкцій.

Виміряти температуру рідкого (газоподібного) середовища контактним методом. Виміряти температуру поверхні твердого тіла контактним та безконтактним методом.

Точність для вимірювання величин – ціна поділу шкал приладів. Величини, одержані з досліду, занотувати до протоколу.

Виконати необхідні розрахунки. Оформити звіт.

1.7 Зміст звіту

Вказати тему та мету лабораторної роботи. Записати формули (1.1), (1.2) з поясненням величин, що в них входять.

Зарисувати схеми основних приладів вимірювання температури (рис. 1.1 – 1.6). Зарисувати форму протоколу досліджень (таблиця 1.6).

Таблиця 1.6 – Форма протоколу досліджень

Занести до протоколу всі величини, визначені з експерименту щодо визначення температури рідкого (газоподібного) середовища контактним методом та температури поверхні твердого тіла контактним та безконтактним методом.

Одержаний результат має бути представлений в одиницях системи SI як по практичній (°С), так і по термодинамічній (К) шкалі, а також в позасистемних одиницях вимірювання (°F, °Ré ). Для цього слід скористатися співвідношенням (1.2).

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

18

Для експериментально визначеного значення температури досліджуваних об’єктів визначити: відносне видовження стрижня в дилатометричному термометрі, відносне змінювання тиску в газовому термометрі, електричний опір термометра опору, термо-Е.Р.С. термоелектричного термометра та густину теплового потоку, що сприймається чутливим елементом пірометра. Це можна зробити, застосувавши формули (1.3) – (1.6). Результати занести до протоколу розрахунків (таблиця 1.7)

Таблиця 1.7 – Форма протоколу розрахунків

Після цього необхідно зробити висновки про переваги та недоліки застосування тих чи інших приладів для вимірювання температури заданих об’єктів.

1.8 Рекомендована література

1.Єгоров Я.О., Бєліков С.Б., Улітенко О.М. Теоретичні основи теплотехніки у системах машинобудування. Запоріжжя: Дике Поле, 2004. – C.138 – 176.

2.Слинько Г.І., Бєліков С.Б., Улітенко О.М. Теплотехнічні процеси та теплова обробка матеріалів і виробів. – Мелітополь: ООО «Издательский дом Мелитопольской городской типографии», 2011. – C.97 – 106.

3.Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник /Под общ. ред. чл.-корр. АН СССР

В.А.Григорьева, В.М.Зорина.- М.: Энергоатомиздат, 1988, –

гл. 8.2.

4.Температурные измерения: Справочник /О.А.Геращенко, А.Н.Гордов, В.И. Лах и др. - Киев: Наук. думка, 1984. – 401 с.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

19

2 ВИЗНАЧЕННЯ КУТОВИХ КОЕФІЦІЄНТІВ ВИПРОМІНЮВАННЯ

2.1 Мета роботи

Ознайомитися з методикою застосування аналогії між тепловим та світловим випромінюванням; експериментально визначити кутовий коефіцієнт взаємного опромінювання для системи тіл, яка складається з двох паралельних поверхонь різних розмірів.

2.2 Загальні відомості

Теплове випромінювання – процес перенесення теплоти електромагнітними хвилями з довжинами, що відповідають інфрачервоному діапазону. Інтенсивність цього процесу залежить від рівня активності елементарних частинок тіла (середовища), який характеризується значенням температури. В твердих тілах всі процеси генерування або трансформації енергії електромагнітних коливань зосереджені в дуже вузькому приповерхневому шарі (поверхні тіла). Тому саме розміри та стан поверхні (її якість) тіла зумовлює величину потоку власного випромінювання Q(вл) (Вт), яка згідно законів Стефана–Больцмана та Кірхгофа визначається формулою:

де T – абсолютна температура поверхні тіла, К; F – площа поверхні тіла, м2; σ0 = 5,67·10 –8 Вт/ (м2·К4) – стала Стефана–Больцмана; ε – міра чорноти; q0 – густина теплового потоку випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт/м2; A – поглинальна здатність поверхні.

2.2.1 Теплообмін випромінюванням в системі твердих тіл

Якщо маємо систему тіл (мінімум два тіла), то в такій системі поверхня кожного i-го тіла не тільки випромінює власний тепловий потік Q(вл)i , але також сприймає той тепловий потік, що падає на неї від інших тіл Q(пад)j–i . Останній частково поглинається поверхнею i-го тіла, частково відбивається від неї та частково може пропускатися:

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

20

де Ri та Di – відбивальна та пропускальна здатність поверхні i-го твердого тіла відповідно.

Більшість реальних твердих тіл є непрозорими для теплових променів (D = 0), проте частково відбивають їх (A + R = 1) і класифікуються як сірі тіла. Тіло, поверхня якого повністю поглинає енергію теплового потоку, що падає на неї (A0 = 1, R0 = D0 = 0),

називають абсолютно чорним тілом.

Оскільки, з кожної елементарної площадки поверхні твердого тіла теплова енергія випромінюється у всіх напрямках в межах напівсфери, то для системи, що складається з декількох тіл, стає важливим яка кількість теплоти з поверхні одного тіла потрапить на поверхню інших тіл і навпаки. Таку задачу розв’язують за допомогою

кутових коефіцієнтів випромінювання (φi-j або φj-i), суть яких коментується рисунком 2.1 та співвідношеннями (2.3).

пов’язаних рівнянь у формі (2.4).

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com