15

УДК

536.218

У 831

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Е. Е. Устюжанин, В. В. Буринский, В.И. Мирошниченко

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Лабораторные работы № 2 и 3

Методическое пособие

по курсу

«Экспериментальные методы исследования »

для студентов, обучающихся по направлению “Техническая физика”

Москва Издательство МЭИ 2009

УДК

536.218

У-831

УДК 536.218.021.001.20(076.5)(062)

Утверждено учебным управлением МЭИ

Подготовлено на кафедре инженерной теплофизики

Рецензент: доц. Ковалев С.И.

Устюжанин Е.Е., Буринский В.В., Мирошниченко В.И.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. ЛАБОРАТОРЫЕ РАБОТЫ № 2 и 3. Методическое пособие по курсу «Экспериментальные методы исследования» / Под редакцией В.В. Махрова.- М.: Изд-во МЭИ, 2008.-14 с.

Рассматриваются методики измерения физических свойств вещества - температуры и давления. Изучаются средства измерения для определения : 1) температуры твердого тела, жидкости и газа, 2) давления в жидкости и газе. Дается описание экспериментальных установок и методов обработки результатов эксперимента.

Работа предназначена для студентов, обучающихся по направлению «Техническая физика» Института тепловой и атомной энергетики Московского энергетического института (ТУ).

Продолжительность каждой работы – 4 часа.

 Московский энергетический институт, 2008

Лабораторная работа №2

Измерение температуры с помощью терморезистора и термопары.

2.1. Цель работы

Работа направлена: 1) на изучение методов измерения температуры с помощью терморезистора, термопары и цифрового термометра, 2) на освоение работы экспериментального стенда, 3) на выполнение градуировки термопары с помощью термометра сопротивления и 4) на поверку цифрового термометра.

2.2. Введение

Из курса физики известно, что электрическое сопротивление проводника R однозначно зависит от температуры T

R=R₀(1 + (T - T₀) + ...), (2.1)

где R₀ - сопротивление проводника при температуре T₀, выбранной за начало отсчета, температурный коэффициент электрического сопротивления.

На рис. 2.1 показан термометр сопротивления  терморезистор 5, изготовленный из платиновой проволоки и включенный в цепь последовательно с катушкой 2, источником напряжения 3 и магазином сопротивлений 4.

Метод измерения температуры, T, вещества с помощью терморезистора состоит в том, что приводят термодатчик в состояние теплового равновесия с веществом, измеряют сопротивление резистора, R, и вычисляют температуру вещества по расчетному уравнению T(R).

На схеме (рис. 2.1) терморезистор 5 находится в контакте с водой. Блоки установки (катушка 2, источник напряжения 3 и магазин сопротивлений 4) позволяют оператору осуществить режимные и измерительные действия для получения первичных данных (R) для вычисления температуры по расчетному уравнению T(R).

Из курса физики известно, что термоэлектрическая сила (термоЭДС), которая возникает в замкнутой электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников А и В, зависит от разности температур между спаями, T=T-T₀. ТермоЭДС, E, используется как первичный параметр для определения температуры вещества.

На рис. 2.1 показана термопара, у которой горячий спай 8 расположен в термостате и находится в тепловом равновесии с водой, температуру которой необходимо измерить. Холодные спаи 9 размещены в сосуде Дьюара при

Рис.2.1. Схема установки

температуре тающего льда равной 273,15 K. Между термоЭДС и разностью температур спаев существует однозначная связь, называемая эффектом Зеебека, в виде

E=S_ABT, (2.2)

где S_AB  коэффициент Зеебека, T

Метод измерения температуры, T, вещества с помощью термопары состоит в том, что приводят горячий спай термопары в состояние теплового равновесия с веществом, помещают холодные спаи в тающий лед, измеряют термоЭДС, Е, и вычисляют температуру вещества по расчетному уравнению T(E).

Для определения температуры по измеренным значениям E можно применять уравнение (2.2), если известно значение S_AB. Наряду с этой зависимостью используется расчетное уравнение T(E) или градуировочная зависимость в форме полинома

T=b_{0 +} b₁E + b₂E ²+…. (2.3)

Входящие в него коэффициенты (b₀,b₁,b₂...) находятся с помощью статистической обработки результатов градуировочных опытов или градуировки.

В метрологии применяется зависимость E(T), называемая функцией преобразования. Она выбирается в виде полинома

E=a₀ +a₁T+a₂ T²+..., (2.4)

где a₀, a₁, a₂,...  коэффициенты, определяемые с помощью статистической обработки результатов градуировки.

В лабораторной работе необходимо осуществить два метрологических эксперимента: 1) градуировка термопары и 2) поверка цифрового термометра.

В этих экспериментах в качестве эталона используется образцовый платиновый термометр сопротивления ПТС-10.

Во время градуировки термопары приводят в состояние теплового равновесия термометр сопротивления 5 и термопару 8. В итоге эти термодатчики находятся при одинаковой температуре. В заданном стационарном режиме измеряют термоЭДС E и сопротивление резистора R.

Во время поверки цифрового термометра 6 обеспечивают такое режимное условие, когда терморезистор 5 и цифровой термометр находятся в состоянии теплового равновесия. В заданном стационарном i - режиме измеряют Т_{цифр i} по дисплею цифрового термометра и определяют сопротивление резистора R_i.

Измерение электрического сопротивления термометра осуществляют с помощью измерения: 1) напряжения U_т на резисторе 9 и 2) напряжения U_к на образцовой катушке 2. Величина сопротивления находят по соотношению

R= R_кU_т/U_к . (2.5)

Градуировка термопары предусматривает серию измерений (Е_i,U_тi,U_кi) в нескольких стационарных i - режимах. По указанным первичным данным вычисляют значения (Т_i) и находят расчетное уравнение T(E), или градуировочную зависимость термопары.

Путем аппроксимации опытных Е_i,Т_i – данных находят функцию преобразования E(T) для термопары.

В результате градуировки цифрового термометра вычисляют поправку _цифр для цифрового термометра по формуле

_цифр =T - Т_цифр , (2.6)

где Т - температура, измеренная термометром сопротивления.

Значения _цифр сравнивают с паспортными данными цифрового термометра.

Указанные метрологические эксперименты - поверка и градуировка проводятся на экспериментальной установке.