Основы теплометрии и тарировка датчиков температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа

Основы теплометрии и тарировка датчиков температуры

Указания по технике безопасности.

1. К выполнению лабораторной работы допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности.

2. При выполнении лабораторной работа необходимо помнить, что прикосновение к чрезмерно разогретой поверхности может привести к ожогам.

Цель работы:

Изучить устройства и принципы действия приборов для измерения температуры.

Освоить методику проведения эксперимента.

Провести сравнительный анализ аппаратуры для измерения температуры и тарировку предложенных термометров.

Общие теоретические сведения

Любая экспериментальная или промышленная установка в процессе эксплуатации требует поддержания на заданном уровне значений различных параметров, будь то температура, давление и уровень продукта. Для осуществления различных технологических процессов необходимо регулирование и поддержание установившихся параметров процесса, а для этого необходимо уметь измерять, фиксировать конечное значение регулируемой величины (температуру, давление, уровень…), измерять оценивая её значение по отношению к принятой базовой шкале (масштабу), а затем сравнивать полученное значение с заданным, что позволит определить уровень и направление воздействия на конечное значение регулируемой величины. Указанный тип измерительной аппаратуры встраивается в контур регулирования работы установки и не может быть отделен от него. Следовательно, такая аппаратура постоянно используется только измерения конечного значения одной и той же регулируемой величины. Однако существуют другие средства измерений и измерительные приборы, независимые, или автономные, т.е. переносные, которые могут использоваться для измерения конечного, одного и того же параметра, но в любом месте (рис.1.1).

Измерительные приборы могут классифицированы по различным признакам, например, в зависимости от того, являются ли они встроенными или объединены с системой или автономными, переносными; оснащены обычной шкалой для визуального снятия показаний или оборудованы записывающим устройством. Однако лучше всего их классифицировать в зависимости от измеряемых величин: температуры, давления, уровня, скорости, веса и т.п.

Температура

Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Она обладает некоторыми принципиальными особенностями, что обусловливает необходимость применения большого количества методов и технических средств для ее измерения. Температура связана с кинетической энергией теплового движения частиц и характеризует степень нагрева тела.

Но создание термометра было связано с утверждением двух опорных точек, между которыми можно было производить измерения, так называемую градуировку измерительной шкалы. Так в 1794 г. Комиссия мер и весов, созданная национальным Конвентом, приняла принцип ртутного термометра «термометрическим градусом будет одна сотая часть расстояния между температурой таяния льда и температурой кипения воды». В 1824 г. Появились работы Карно, которые положили начало термодинамике, а лорд Кельвин предложил новую шкалу, учитывающую температуру не только как градуированную величину, но и как измеряемую, хотя и очень сложными системами, величину. Эта шкала изменялась с обновлением результатов технического прогресса, которые позволяли улучшить определение опорных точек. В соответствии с последней шкалой, называемой Международной практической температурной шкалой 1968 г. МПТШ - 68 (EIPT-68), таких опорных точек четыре:

13,81 К, или -259,4оС, соответствующая равновесию между жидкой, твердой и газообразными фазами водорода (тройная точка водорода);

273,16 К, или +0,01оС, соответствующая равновесию между жидкой и твердой, и паровой фазами воды (тройная точка воды);

373,15 К, или 100оС, соответствующая равновесию между жидкой и паровой фазами воды (точка кипения воды);

3695 К, или 3422оС, соответствующая равновесию между жидкой и твердой фазами вольфрама (температура вольфрама).

Единицами температуры являются градусы различных температурных шкал

.

Рис.1.1 Современный вид термоэлектронных термометров

В системе СИ температуру выражают в кельвинах (К); 1 К равен 1/273,15 термодинамической температуры тройной точки воды, 1 К равен также 1/100 температурного интервала между точками кипения воды и таяния льда. Шкала Кельвина является абсолютной температурной шкалой.

Шкала Цельсия является условной температурной шкалой, в которой за нулевую точку принята температура таяния льда.

В ряде зарубежных стран сохранились другие условные температурные шкалы, в частности шкала Фаренгейта.

Связь между значениями температуры, выраженными единицами различных шкал, описывается формулами:

Т[К] = t[0С] + 273,15 = 5/9 t[0F] + 255,37;

t[0С] = Т[К] - 273,15 = 5/9 (t[0F] - 32).

Существует множество разновидностей термометров, классифицируемых в зависимости от промежуточной измеряемой физической величины, изменение которой позволяют определить изменения температуры. В основном различают:

Термометры, работающие за счет теплового расширения тел: жидких, твердых, кварца, газов и измерения упругости насыщенных паров;

Электрические или магнитные термометры;

Оптические термометры.

Наиболее употребительные типы термометров приведены в таблице 1.1 и будут нами изучены ниже.

Таблица 1.1 Диапазоны использования термометров различных типов

Измерение температуры всегда является довольно тонкой операцией, которая требует большой тщательности и аккуратности при своем осуществлении во избежание погрешностей, например, за счет подвода тепла излечением. Расчет относительной ошибки измерения, если необходимо его выполнять, нужно производить достаточно строго, чтобы не повлиять на точность измерения.

Эксперименты показывают, что большая часть возможных ошибок измерения очень часто являются следствием плохо управляемых экспериментальных условий и субъективной переоценки значимости некоторых факторов, влияющих на результаты измерений. Следовательно, перед тем как предпринять расчет, который будет внушать доверие, необходимо полностью осознать общие условия измерения.

В технике находит применение контактное измерение температуры тела (газообразного, жидкого или твердого), которое основано на теплообмене между ним и чувствительным элементом измерительного прибора и последующем преобразовании температуры чувствительного элемента в другие величины, удобные для восприятия.

Преобразователи стеклянных жидкостных термометров (рис.1.2)

Преобразователи стеклянных термометров, применяемых в технике, служат для лабораторных и технических измерений в области температур от --90 до +300 0С.

Действие этих преобразователей основано на объемном расширении жидкости при постоянном давлении. Выходной величиной является изменение длины столбика жидкости. Термометры различают по виду термометрической жидкости. В холодильной технике применяют следующие термометрические жидкости: ртуть в области температур - 35 ч +300 оС ( т.к. температура затвердевания ртути - 39 оС), спирт -- 50 ч +50°С, толуол --80 ч +60°С. Если заполнить ртутный термометр азотом то он будет пригоден для измерения температур до + 500 оС, а при выполнении шарика и трубки из кварцевого стекла до +800 оС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема простейшего преобразователя приведена на рис.2. Термометрическая жидкость заполняет резервуар Р при температуре ниже нижнего предела измерений. При повышении температуры в результате расширения жидкость заполняет капилляр К.. Его размеры выбираются так, чтобы при температуре, равной верхнему пределу измерений, жидкость заполнила капилляр на длине L.

Поскольку, как правило, столбик жидкости термометра всегда выступает над средой, температуру которой хотят измерить, при точных измерениях необходимо проводить корректировку результатов измерений, вводя так называемую поправку на выступающий столбик. В случае ртути эта поправка рассчитывается по следующей формуле:

где n - число градусов термометра, соответствующей высоте выступающего столбика;

tel - эффективная температура, равная показанию термометра, оС;

tce - средняя температура выступающего столбика, измеренная на половине его высоты, оС.

Поправка на выступающий столбик добавляется к показаниям термометра, если только отсутствуют четко выраженные противоположные рекомендации. На практике термометры снабжаются защитной оболочкой, что еще больше снижает точность измерений.

Манометрические термопреобразователи (пружинные термометры с расширением жидкости (рис.1.3))

Рис. 1.3 Упрощенная схема манометрического преобразователя температуры: 1 - термобаллон; 2 - капилляр; 3 - манометр

Манометрические термопреобразователи, в которых температура преобразуется в давление, а затем в механическое перемещение, применяются в технических- приборах для измерений в диапазоне от --150 до +600°С с основной допускаемой погрешностью от ±1 до ±2,5%. Такие термометры снабжены капсулой (термобаллоном), которая заполнена расширяющейся жидкостью (ртуть или нефть) и вставлена в цилиндрическую оболочку датчика погружного типа.

Термобаллон с помощью гибкой капиллярной трубки связан со спиралеобразной трубкой (пружиной), которая через передаточный механизм сообщается со стрелкой указателя. Расширение жидкости при нагреве приводит к повышению давления взависимости от температуры . В термометрах такого типа циферблат может находиться и на достаточном удалении от объекта измерения температуры ( до 50 м). Время от времени необходимо производить поверку с помощью обычного стеклянного термометра. При долговременных измерениях такие термометры снабжаются самописцами на промежуточных (передающих) преобразователях для дистанционной передачи информации.

Упрощенная схема манометрического преобразователя представлена на рис. 3. Измеряемая температура воспринимается термобаллоном 1 и преобразуется в давление рабочего вещества (заполнителя). Через капилляр 2 это давление передается в манометр (пружину) 3, где вторично преобразуется в перемещение упругого элемента.

В зависимости от используемого термометрического вещества (заполнителя) манометрические преобразователи подразделяются на газовые, жидкостные и парожидкостные, или конденсационные.

Термометры с паровым заполнением имеют меньшую погрешность в измерениях, чем жидкостные. Жидкость, заполняющая гибкую трубку, служит только для передачи изменения давления и, следовательно, не требует наличия компенсатора. В то же самое время, работа парового термометра основана на строгом соответствии между температурой и давлением насыщенных паров. Поскольку при нагревании давление насыщенных паров жидкости повышается гораздо быстрее, чем давление идеального газа, такой термометр обеспечивает высокую точность, составляющую ±(1…2%) от диапазона измерения. В качестве наполнителя термобаллона обычно используются эфир, хлористый этил, ртуть.

Термометры, основанные на регистрации теплового расширения твердых тел

Принцип работы этих термометров основан на разнице в коэффициентах расширения двух твердых тел. В трубку, сделанную из материала с высоким коэффициентом теплового расширения, например латунь, вставляется стержень с низким коэффициентом теплового расширения, например фарфор. Они развивают значительные усилия для привода регулирующих органов, а изменение длины стержня составляет не более 0,01 мм на градус. Могут служить регуляторами температур.

Термометры с биметаллической пластиной оборудован двумя металлическими лентами из материалов с различными линейными коэффициентами теплового расширения, сваренными между собой. Изменения температур вызывает деформацию ленты, движение которой передается перу самописца.

Термометры сопротивления

Такие приборы для дистанционного измерения температур основаны на свойстве металлической проволоки менять электрическое сопротивление при возрастании температуры. При низких температурах в качестве чувствительного элемента используют никелевую проволоку, при высоких (до 500оС) - платиновую. Сопротивление изготавливают из тонкой проволоки намотанной на стержень из электроизоляционного материала, и помещают в защитную стеклянную оболочку. Термометры сопротивления устанавливают в сети постоянного тока с выпрямителем. Напряжение в сети может меняться от 6 до 24 В. Сопротивление датчика равно 100 Ом при 0оС и меняется от 0,6 %/К для никеля и до 0,4 /К для платины. Измерения производятся с помощью приборов, оборудованных подвижными катушками с перекрестной обмоткой (логометрами) или подвижной рамкой. Переключатель позволяет одновременно измерять температуру во многих точках. Такой термометр можно подключать к регуляторам с прерывистой аналоговой регистрацией, например, с помощью регистратора, обеспечивающего запись показаний в виде ряда последовательных точек, который имеет стрелку, закрепленную на подвижной рамке и отмечающую данные через очень короткие расстояния на диаграммной бумаге с медленной подачей.

Термометры на основе терморезисторов используются для измерения мгновенных значений температур, поскольку их постоянная времени не превышает несколько секунд. .

Термоэлектрические преобразователи (термопары (рис.1.4, 1.5, 1.6))

Термоэлектрические преобразователи (ТП) предназначаются для измерений в широкой области температур (в холодильной технике от --100 до +200 °С). ТП преобразуют температуру в электродвижущую силу (термо-ЭДС).

Действие ТП основано на явлении Зеебека, т. е. на генерации термо-ЭДС в месте соединения двух различных проводников. Величина термо-ЭДС зависит от материалов термоэлектродов и является функцией температуры. В холодильной технике ТП используются в основном при лабораторных и стендовых измерениях с погрешностью ± 0,1 на 1°С.

Рис.1.4 Производственные термоэлектрические преобразователи

Распространение получили ТП медь-константановые (МК) и хромель-копелевые (ХК). Медьконстантановые ТП не имеют стандартизованных градуировочных таблиц, однако в силу целого ряда достоинств находят применение в лабораторной практике для измерений в области от --200 до +300 оС. Основное достоинство -- большое постоянство термоэлектрических свойств. Средняя чувствительность (коэффициент преобразования) в области температур от 0 до 100°С составляет 41 мкВ/°С. При соответствующей градуировке МК ТП позволяют измерять температуру с погрешностями ±(0,1ч-0,2)°С. Хромель-копелевые ТП могут использоваться в области температур от -50 до +6000С. Достоинство этих ТП--наивысшая чувствительность по сравнению с другими типами ТП. Так, при температурах рабочего спая 100 0С, а свободного 0° термоЭДС е=6,00 мВ, что соответствует чувствительности (коэффициенту преобразования) 69,0 мкВ/°С.

Рис.1.5 Производственные термоэлектрические преобразователи

Недостатками хромель-копелевых ТП являются плохая воспроизводимость функции преобразования (градуировочной характеристики) различными партиями термоэлектродных проводов, а также наличие неоднородностей материала, особенно хромеля, которые приводят к возникновению паразитных термоЭДС. Допускаемое отклонение термоЭДС ХК ТП промышленного изготовления от градуировочных характеристик в области температур от --50 до +300 °С составляет 0,2 мВ (более 2°С). Термоэлектродные провода ХК очень чувствительны к механическим повреждениям, которые приводят к дополнительным неоднородностям.

Рис. 1.6 Термометр TM50 электронный, от -50о С до +260о С, CPS (пр-во США)

В холодильной технике используют ХК ТП, изготовляемые в лабораторных условиях и подвергаемые индивидуальной градуировке. Достижимая точность порядка ± (0,3ч0,5) °С. Реже используют ТП промышленного изготовления.

Оптические пирометры

Начиная с температур примерно 1600оС термометры, которые рассматривались выше, применяться не могут. Для измерений высоких температур служат термометры действие которых основано на измерении оптической яркости источника тепла, сравниваемой затем с яркостью нити лампы накаливания или другого источника света с известными характеристиками (Рис. 1.7)

температура термоэлектронный термометр

Рис. 1.7 Пирометр

Пирометры с оптико-механическим сканированием

Используется для измерения полей температур (множества температурных точек) на различных поверхностях. Визуализирует состояние наружных теплоизолирующих поверхностей холодильников, печей, зданий. Кроме того, он обладает высокой чувствительностью, позволяющей обнаруживать небольшие тепловые мостики в местах крепления, повреждения в виде трещин, которые очень четко проступают на графическом изображении температурного поля. Современные пирометры предназначены для измерения температур в очень широком диапазоне температур (от -30 оС до +1300 оС), оборудованы компьютерными портами, позволяющими производить сброс информации с них на компьютер, где производится не только накопление информации, но и её обработка, анализ.

Порядок выполнения работы

1. Изучить методические указания, составить краткое описание всех приведенных выше термометров.

2. По каталогам для измерительной аппаратуры ( название каталога, фирмы обязательно указать перед выбором) подобрать на каждый указанный тип термометров не менее двух видов ( можно и более) и все данные вынести в виде таблицы 2 ( пример приведен в таблице1 1) ( каждому студенту свой справочник или каталог).

Пример: найден (описание из прайса):

Цифровой термометр и гигрометр. Настольный цифровой термометр/гигрометр с большим дисплеем, оснащен двумя температурными датчиками для измерения температуры внутри и снаружи помещения и датчиком влажности (в корпусе прибора).

Параметры:

Диапазон измерения внутреннего термометра: от -30 С до +50 С,

Диапазон измерения наружного термометра: от -50 С до +70 С, Диапазон измерения относительной влажности: от 20%RH до 99%RH,

Источник питания: батарея, 1,5 В

3. Изучить приборы для измерения температуры, представленные преподавателем, параметры, диапазоны измерения температур различных средств измерения. Далее произвести замеры этими приборами и данные занести в таблицу 3 или 4

4. Построить графики измерения одного параметра различными измерительными средствами в зависимости от времени (не менее 3 термометров) используя данные измерений за один и тот же период времени различными термометрами. (Произвести замеры температуры горячей и холодной воды.)

5. Сделать выводы о качестве измерения различными термометрами.

Таблица 1.1 Пример заполнения таблицы 2

Таблица 1.2 Результаты обследования термометров

Таблица 1.3 Результаты измерения холодной воды

Таблица 1.4 Результаты измерения горячей воды

Таблица 1.5 Результаты измерения нагреваемого воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.8 Примерный график изменения температуры в исследуемых объектах с использованием различных термометров

Форма отчетности:

Отчет о выполненной работе должен содержать

Название, цель, задачи работы.

Краткое описание групп термометров : название, рабочий орган, способ передачи информации о проведенном измерении. Диапазон измерения. Область применения.

Заполненные таблицы 1.2, 1.3, 1.4, 1.5.

По результатам таблицы 1.3, 1.4, 1.5 построить графики как на рис.1.8, изменения температуры в холодном и нагретом объектах.

Сделать выводы. Выводы должны содержать следующую информацию:

Что рассматривали в рамках этой лабораторной работы

Какие основные этапы работы

Какой из рассмотренных термометров является лучшим при измерении и почему (отметить в термометр все - форму, удобство, быстроту измерения)

Размещено на Allbest.ru