Лабораторная работа № 1

Средства измерения температур в теплоэнергетике (контактные способы)

Цель работы: Ознакомление с физическими принципами, лежащими в основе контактных методов измерения температур, изучение устройства и принципа действия термометров и приобретение практических навыков работы с термометрами различных типов.

Программа работы

1. Изучить устройство и принцип действия:

- жидкостных термометров расширения;

- дилатометрических термометров;

- манометрических термометров;

- термоэлектрических термометров;

- термометров сопротивления.

2. Измерить температуру объекта термометрами различных типов в диапазоне 40 - 100 ⁰С.

3. Oпpeдeлить абсолютную и относительную измерения термометров по сравнению с эталонным термометром.

4. Построить зависимости относительной ошибки для каждого типа термометров от температуры.

Теоретическая часть

Температура один из важнейших параметров технологических процессов на ТЭС. Измеряют температуру питательной воды, вырабатываемого пара, сжигаемого мазута, газа, нагретого воздуха, дымовых газов, температуру в топке котла, поверхностей нагрева и под­шипников .

Температура определяется средней кинетической энергией молекул и служит параметром теплового состояния любого вещества. При этом объект с большей температурой передает тепловую энергию объ­екту с меньшей температурой так, что происходит их выравнивание.

В основе построения шкал первых приборов для измерения тумпературы лежал выбор двух опорных (реперных) температур, характе­ризующих фазовое равновесие чистого вещества при переходе его из одного состояния в другое. Интервал между опорными температурами делится на определенное число отметок с одинаковой ценой деления, которые и образуют температурную шкалу. Цену деления такой шкалы называют градусом. Для стоградусной шкалы Цельсия в качестве реперных температур приняты температуры плавления и кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Подобным образом построены еще используемые в некоторых странах шкалы Фаренгейта, Реомюра, Ренкина.

В 1849 году лорд Кельвин предложил термодинамическую шкалу температур, не зависящую от термодинамических свойств веществ. Она легла в основу международной термодинамической шкалы темпера­тур (МТТШ), которая используется теперь в системе СИ. В этой шка­ле одна опорная точка - температура тройной точки воды, которой присвоено значение 273,16 К, а единицей служит градус Кельвина -1/273,16 температуры тройной точки воды, при этом градус Цельсия равен градусу Кельвина.

Соотношение между температурой t, выраженной в градусах Цель­сия, и абсолютной температурой Т определяется формулой

t = Т – 273,15.

Однако для практического измерения температуры термодинами­ческая шкала неудобна, поскольку для калибровки научных и технических приборов необходимо использовать громоздкие газовые термометры с введением для каждой температуры различных поправок. Поэтому в 1968 году была принята Международная практическая тем­пературная шкала (МПТШ-68) основанная на 12 хорошо воспроизводи­мых температурных точках, которым приписаны определенные значения температуры (первичные реперные точки) - таблица 1. МПТШ-68 воспро­изводит термодинамическую шкалу с наибольшей возможной точностью, допускаемой современной техникой измерений. Единицами температуры в этой шкале являются Кельвин и градус Цельсия в зависимости от выбора начала отсчета температуры.

Для измерения температур применяются контактные и бескон­тактные методы. Для реализации контактных методов применяются термометры расширения (стеклянные жидкостные, манометрические, биметаллические и дилатометрические), термопреобразователи сопро­тивления (проводниковые и полупроводниковые) и термоэлектрические преобразователи. Бесконтактные измерения температуры осуществляются пирометрами (оптическими, полного излучения и спектрального отношения).

Контактные методы измерения более просты и точны, чем бес­контактные. Но для измерения температуры необходим непосредствен­ный контакт с измеряемой средой или телом. И в результате может возникать, с одной стороны, искажение температуры среды в месте измерения и с другой - несоответствие температуры чувствительного элемента и измеряемой среды.

Таблица 1 – Международная практическая тем­пературная шкала

Опорные точки МПТШ-68	Температура
	К	0С
Тройная точка Н2О	273,16	0,01
Тройная точка Н2	13,81	-259,34
Точка кипения Н2 при 25/76 атм.	17,042	-265,108
Точка кипения Н2	20,28	-252,87
Тройная точка О2	54,361	-218,789
Тройная точка Ar	83,798	-189,352
Точка кипения О2	90,188	-182,962
Точка кипения Н2О	373,15	100
Тока затвердевания Sn	505,1181	231,9681
Тока затвердевания Zn	692,73	419,58
Тока затвердевания Ag	1235,08	961,93
Тока затвердевания Au	1337,58	1064,43

Термометры стеклянные. Принцип действия основан на зависи­мости объема жидкости от температуры. Отличаются высокой точ­ностью, простотой устройства и дешевизной. Однако стеклянные тер­мометры, как правило, не ремонтнопригодны и не могут использо­ваться в дистанционных системах управления.

Основными элементами конструкции являются резервуар с припа­янным к нему капилляром, заполненным частично термометрической жидкостью, и шкала. Конструктивно различает палочные термометры и термометры со шкалой, расположенной внутри стеклянной оболочки. У палочных термометров шкала наносится непосредственно на поверх­ность толстостенного капилляра. У термометров со вложенной шкалой капилляр и шкальная пластина с нанесенной шкалой заключены в за­щитную оболочку, припаянную к резервуару.

Показания стеклянного термометра зависят не только от темпе­ратуры резервуара, но и от температуры столбика жидкости в капил­ляре. Поэтому лабораторные термометры градуируются при полном погружении термометра в измеряемую среду до отсчитываемой тем­пературной отметки, а технические - при частичном погружении на определенную глубину при определенной температуре выступающего столбика.

Наиболее употребительными жидкостями, применяемыми в жид­костных термометрах, являются:

1) пентан (от -200 до +20 ⁰С) ;

2) этиловый спирт (от -110 до +50 ⁰С);

3) толуол (oт -70 до +100 ⁰С);

4) ртуть (от -38 до +600 ⁰С).

Самыми распространенными являются ртутные термометры. Темпе­ратура кипения ртути при нормальном атмосферном давлении 357 ⁰С. При повышении давления она увеличивается. Поэтому при измерении температур выше 357⁰С с целью повышения давления в капилляре его заполняют газом. Давление газа при этом может достигать 70 атм.

Другие жидкости, применяемые в термометрах, отличаются от ртути прежде всего тем, что они смачивают стенки капилляра. В та­ких термометрах для предотвращения разрыва столбика жидкости ка­пилляр наполняется газом всегда, а не только для измерения высо­ких температур.

Дилатометрические термометры. Принцип действия основан на тепловом расширении твердых тел. Обычно состоят из двух металлов с разными коэффициентами температурного расширения β. Под воздействием температуры материал с более высоким коэффициентом β удлиняется больше, что приводит к перемещению стрелки прибора. По конструкции дилатометрические термометры разделяют на стержневые и пластинчатые (биметаллические). Из-за небольшой точности их чаше всего применяют в качестве чувствительных элементов сигнализаторов температуры.

Манометрические термометры. Принцип действия основан на из­менении давления (объема) рабочего вещества в замкнутом объеме в зависимости от температуры чувствительного элемента. Основными элементами являются термобаллон (чувствительный элемент), капил­ляр и деформационный манометрический преобразователь связанный со стрелкой прибора. По принципу действия различают газовые, жид­костные и конденсационные.

Газовые манометрические термометры заполняемые азотом, вы­пускаются для измерения температур от -200 до +600 ⁰С, классом точности 1 и 1,5 и имеют равномерную шкалу. На показания газовых термометров может влиять температура окружающей среды. Для сниже­ния влияния температуры окружающей среды стремятся уменьшить от­ношение объема пружины и капилляра к объему термобаллона. Так, при длине капилляра 1,6 м и 40 м длина термобаллона соответствен­но 125 мм и 500 мм.

Конденсационные манометрические термометры выпускаются для измерения температур от -50 до +300 ⁰С, классом точности 1,5 и 2,5 и имеют неравномерную шкалу. Термобаллон заполняют низкокипящей жидкостью (фреоном, пропиленом, ацетоном, этилбензолом), которая находится в равновесии с насыщенным паром. Достоинствами этих термометров являются независимость показаний от температуры окру­жающей среды, слабое влияние колебаний атмосферного давления, а недостатками - неравномерность шкал и зависимость показаний от взаимного расположения термобаллона и корпуса прибора.

Жидкостные манометрические термометры выпускают для измере­ния температур от -150 до 300 ⁰С, с классом точности 1 и 1,5 и имеют равномерную шкалу. Их заполняют силиконовыми жидкостями, метансилоном, пропиловым спиртом. Жидкостные термометры отличаются от газовых и конденсационных тем, что их рабочее вещество несжимаемо, благодаря чему обеспечивается наибольшее среди манометрических термометров быстродействие. Изменения атмосферного давления влияния на них не оказывают. Недостатки жидкостных термометров - зависимость показаний от температуры окружающей среды, а также существенная гидростатическая погрешность из-за различных уровней расположения термобаллона и измерительного прибора.

К общим достоинствам манометрических термометров относятся возможность использования в пожаро- и взрывоопасных помещениях любых категорий, простотой конструкции.

К числу недостатков следует отнести трудность ремонта отно­сительно большие размеры термобаллонов, невысокую точность.

Термопреобразователи сопротивления. Принцип действия основан на свойстве проводника (или полупроводника) изменять свое сопротивление с температурой.

Основными частями термопреобразователя сопротивления являют­ся чувствительный элемент, защитная арматура и головка преобразо­вателя с зажимами для подключения чувствительного элемента и сое­динительных проводов, которые соединяются с измерительной схемой сопротивления, например с мостиком Уитстона. Чувствительные эле­менты медных термопреобразователей сопротивления представляют со­бой медную проволоку, покрытую эмалевой изоляцией, которая бифилярно намотана на каркас, либо без каркаса, помещенную в тонкос­тенную металлическую оболочку. Чувствительный элемент помещается в защитную оболочку.

Платиновая проволока не может быть покрыта слоем изоляции. Поэтому платиновые спирали располагают в тонких каналах керами­ческого каркаса, заполненных керамическим порошком. Этот порошок выполняет функции изолятора, осуществляет фиксацию положения спиралей в каналах и препятствует межвитковому замыканию. Такая конструкция чувствительного элемента позволяет обеспечить высокую механическую прочность, вибростойкостъ и малую инерционность.

Термопреобразователи сопротивления выпускаются для измерения температур в диапазоне от -260 до 1100 ⁰С со следующими номинальными статическими характеристиками преобразования:

платиновые – 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П;

медные - 10М, 50М, 100М.

Число в условном обозначении характеристики показывает соп­ротивление преобразователя в омах при 0 ⁰С.

Взаимозаменяемость термопреобразователей сопротивления достигается тем, что их изготавливают из металла одинаковой чистоты, что проверяют измерением отношения W₁₀₀ = Р₁₀₀/Ro - сопротивлений при температуре 0 и 100 ⁰С, которое для платины равно 1,3910, а для меди – 1,4260.

К достоинствам термопреобразователей сопротивления следует отнести высокую точность (меньшую, чем у стеклянных термометров, но большую, чем у термоэлектрических преобразователей и всех ос­тальных контактных преобразователей и термометров) и стабильность характеристики преобразования.

К недостаткам следует отнести большие размеры чувствитель­ного элемента, не позволяющие измерять температуру в точке объек­та или измеряемой среды (диаметр чехла или чувствительного эле­мента 6-20 мм, длина 50-180 мм) и сложность устройства вторичных приборов.

Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия основан на зависимости термо-ЭДС от температуры места соединения двух разнородных, проводников. Термометры состоят из двух разнородных проводников, спаянные концы которых называют горячими или рабочи­ми, а свободные - холодными. Термоэлектрические преобразователи имеют очень широкий диапазон измерения от -200 до 2200 °С (крат­ковременно до 2500°С), могут измерять, температуру в точке объекта или измеряемой среды, имеют малые габаритные размеры - от 0.5 мм. Термоэлектрические преобразователи отличаются достаточно высокой точностью и стабильностью характеристик преобразования, хотя они и уступают немного по этим показателям термопреобразователям соп­ротивления.

К числу недостатков следует отнести необходимость применения специальных термоэлектродных проводов для подключения преобразователей к прибору и необходимость стабилизации или автоматическо­го внесения поправок на температуру свободных концов.

Основные типы термопар приведены в таблице 2.

Зная закон изменения термоэдс термометра в зависимости от температуры, с помощью электроизмерительного прибора можно опре­делить искомую температуру. При этом термоэлектрический термометр является первичным измерительным преобразователем, а в качестве вторичного прибора используют милливольтметры и потенциометры.

Измерение температуры термоэлектрическим термометром допускается тогда, когда точно известна температура его свободного конца. Зависимость термо-ЭДС термометра от температуры рабочего конца при температуре его свободных концов равно 0 ⁰С определяется экспериментально и называется градуировачной характеристикой термометра. На основании этой характеристики составляют градуировочные таблицы и графики для измерения температуры [2].

Таблица 2 – Основные типы термопар

Тип термометра	Материал термоэлектродов		Диапазон измерений 0С
	Положительный	Отрицательный	Длительный	Предел
Вольфрамрениевый ТВР	Вольфрамрений 95%W, 5%Re	Вольфрамремий 80% W, 20%Re	0-2200	250
Платинородиевый ТПР	Платинородий 70%Pt, 30%Rh	Платинородий 94%Pt, 6%Rh	300-1600	1800
Платинородий- платиновый ТПП	Платинородий 90%Pt, 10%Rh	Платина 100%Pt	0-1300	1600
Хромель- алюмелевый ТХА	Хромель 90,5Ni, 9,5%Cr	Алюмель 94,5%Ni, 5,5%Si, Mn	-200-1000	1300
Хромель- копелевый ТХК	Хромель 90,5Ni, 9,5%Cr	Копель 56%Cu, 44%Ni	-200-600	800
Медь- копелевый ТМК	Медь 100%Cu	Копель 56%Cu, 44%Ni	-200-100	100

На практике температура свободных концов термометра, хотя и поддерживается постоянной, но не равна 0 ⁰С, поэтому термоэдс тоже меняется и приходится вносить поправки в показания прибора.

Для введения поправки необходимо к полученной термоэдс термометра прибавить термоэдс, взятую из градуировочных таблиц, со­ответствующую температуре свободных концов.

В рабочих условиях необходимо свободные концы термозлектродов перевести в зону с постоянной температурой. Для этого к сво­бодным концам термоэлектронов присоединяют компенсационные прово­да из тех же материалов, что и термоэлектроды термометра. Однако для термометров ТПП и ТПР это дорого. Поэтому компенсационные провода изготавливают из других металлов, которые развивают в па­ре между собой такую же эдс, как и термоэлектрический термометр, не являясь при этом дефицитными. Так для ТПП один компенсационный провод изготавливают из меди, а второй - из медно-никелевого сплава.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

В данной работе измеряется температура воды в процессе нагре­ва от комнатной температуры до температуры кипения. Вода налива­ется в металлическую емкость, в крышке которой имеются несколько отверстий для установки термометров следующих типов:

- стеклянный ртутный термометр (используется в качестве эта­лонного);

- манометрический термометр (ТКП);

- термоэлектрический преобразователь (TXA);

- термометр сопротивления (ТСМ).

В качестве вторичных приборов используются логометр Л-64 - для ТСМ и пирометрический вольтметр - для ТХА,

Емкость размещена на электрическом нагревателе, который подключается к электрической сети напряжением 220 В. Напряжение на нагревателе во время работы не регулируется.

Порядок выполнения работы.

1. Установить термометры на резервуар.

2. Включить питание нагревателя.

3. После достижения температуры воды 40 ⁰С снять одновременно показания с измерительных приборов и занести данные в таблицу.

4. Повторять снятие показаний каждые 5 минут до закипания воды.

№ изме-рения	Эталон-ный термометр (ртутный)	ТКП			ТХА			ТСМ
		t, 0С	А, 0С	В,%	t, 0С	А, 0С	В,%	t, 0С	А, 0С	В,%
	Среднее				-----			-----

Обработка результатов измерений

1. Определить абсолютную А погрешность каждого прибора в каждом измерении как разность показаний прибора и действительным значением температуры ( показанием эталонного термометра):

А= t – t_э.

Результаты занести в таблицу.

2. Определить относительную погрешность каждого прибора в каждом измерении как отношение абсолютной .погрешности к действи­тельному значению температуры

В=А/t_э*100%.

Результаты занести в таблицу.

3. Рассчитать средние значения абсолютной и относительной погрешностей для каждого прибора.

4. Сделать выводы о точности показаний каждого из приборов и зависимости точности измерений от температуры.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Основные температурные шкалы, их реперные точки и связь между ними.

2. Методы измерения температуры и типы измерительных приборов.

3. Жидкостные термометры: основные виды, принцип действия, достоинства и недостатки.

4. Манометрические термометры: основные виды, принцип дейс­твия, достоинства и недостатки.

5. Термометры сопротивления: основные виды, принцип дейс­твия, достоинствам недостатки.

6. Термоэлектрические термометры: основные виды, принцип действия, достоинства и недостатки.

7. Почему в жидкостных манометрических термометрах термобал­лон должен размещаться на одном уровне с манметрической пружиной?

8. Что такое градуировочная характеристика термоэлектричес­кого термометра?

9. Для чего изготавливает компенсационные провода при изме­рении температуры с помощью термопар?

10. Какие вторичные приборы применяют при измерении темпера­туры термометрами сопротивления?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кармазухин Ю.Е. Приборы для измерения для температуры. - М.: машиностроение, 1990. -208с.

2. Чистяков B.C. Краткий справочник по теплотехническим из­мерениям. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320с

ЛР 02069964 – 140106 – 12

ДП-2069965-101600-30-02