Методы и средства измерения и контроля температуры

CЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Физические основы измерительных преобразователей»

Тема Методы и средства измерения и контроля температуры

Выполнил: Студент заочного отделения

Факультета ЯХТ

Д-34А

Бурак Л.А.

Севастополь

2006

ПЛАН

1. Основные понятия о температуре.

2. Приборы контроля и измерения температуры.

2.1 Термометры расширения.

2.1.1 Жидкостные термометры.

2.1.2 Газовые термометры.

2.1.3 Жидкостные, газовые и конденсационные манометрические термометры.

2.1.4 Термометры с твёрдыми рабочими телами.

Выводы.

Литература.

1. Основные понятия о температуре

Температура - термодинамическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Температура всех частей изолированного тела или изолированной системы тел, находящихся в равновесии, одинакова. Более высокой температурой обладают те тела, у которых средняя кинетическая энергия атомов и молекул выше.Если тело, нагретое до определенной температуры, находится в контакте с телами, имеющими иную степень нагретости, или в самом теле выделяется теплота, то температура внутри тела меняется от точки к точке. Изменение температуры от точки к точке происходит непрерывно. Температура в каждой точке тела может меняться и со временем, когда тело не находится в тепловом равновесии с другими телами. Тепловое состояние тела характеризуется температурным полем. Температурное поле - это совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемого тела или какой-либо пространственной области в определенный момент времени. Если значения температуры во всех точках не меняется во времени, то температурное поле называется стационарным. В противном случае поле называется нестационарным. Температуру контролируют и измеряют путем наблюдения за изменением физических свойств вещества, называемого термометрическим веществом. При нагреве изменяется внутренняя энергия вещества, что сопровождается изменением практически всех его физических свойств. Для контроля и измерения температуры выбирают те из них, которые однозначно меняются с изменением температуры и сравнительно легко подаются контролю и измерению. Этим требованиям наиболее полно соответствуют такие свойства рабочих веществ: объемное расширение, изменением давления в замкнутом объеме, изменение электрического сопротивления, возникновение термоэлектодвижущей силы, интенсивность излучения, механическое напряжение. Они положены в основу приборов для контроля и измерения температуры.

2. Приборы контроля и измерения температуры

Приборы для контроля и измерения температуры в зависимости от используемых физических свойств веществ разделяют на следующие группы:

термометры расширения;

манометрические термометры;

термометры сопротивления;

термоэлектрические термометры;

пирометры; пьезоэлектрические термометры

2.1 Термометры расширения

Принцип действия термометров расширения основан на свойстве тел изменять под действием температуры свои линейные размеры и свой объем. Явление температурного расширения тел использовано в создании жидкостных, паровых и газовых термометров (манометрические термометры) и термометров с твердыми рабочими телами (дилатометрические, биметаллические термометры).

2.1.1 Жидкостные термометры

ЖИДКОСТНЫЙ ТЕРМОМЕТР - прибор для измерения температуры, действие которого основано на термическом расширении жидкости. В зависимости от температурной области применения жидкостные термометры заполняют этиловым спиртом , ртутью и другими жидкостями (пентан, толуол и т. д.). Примеры: комнатный спиртовой термометр, медицинский ртутный термометр и др.

Действие жидкостных термометров основано на использовании различия коэффициентов теплового расширения термометрической жидкости и материала оболочки термометра. Жидкостные термометры выполнены в виде стеклянного резервуара, наполненного жидкостью, в качестве которой используют ртуть и органические жидкости: этиловый спирт, толуол или керосин. Ртуть находится в жидком состоянии при температурах от - 39⁰С (точка замерзания) до 357⁰С (точка кипения) и имеет средний температурный коэффициент объемного расширения 0,18 · 10^-3 К^-1. Термометры с органическими жидкостями применяют лишь для измерения температур от

-190⁰С до -200⁰С. В них часто применяется амальгама талия - жидкость для низкотемпературных термометров.

Для изготовления термометров применяется специальное термометрическое стекло, обладающее небольшим температурным коэффициентом, примерно равным 0,02 · 10^-3 К^-1. Ртутные термометры выполняют трех видов:

с вложенной внутрь стеклянной оболочки шкальной пластиной;

палочные, выполненные в виде массивного толстого капилляра, на наружной поверхности которого нанесены деления в виде насечки по стеклу;

с прикладной шкалой, в которых капиллярная трубка с припаянными к ней термобаллоном крепится к пластине, на которую нанесена шкала.

В зависимости от формы нижней части жидкостные термометры различаются на прямые и на угловые с углом ,например, 135⁰ .

Основные части термометра: 1 - резервуар; 2- капилляр; 3- шкала; 4- оболочка; 5- нижняя часть.

2.1.2 Газовые термометры

ГАЗОВЫЙ ТЕРМОМЕТР- прибор для измерения температуры, действие которого основано на зависимости давления или объема газа от температуры. Заполненный гелием, азотом или водородом баллон, соединенный при помощи капилляра с манометром, помещают в среду, температуру которой измеряют. По измеренному объему или давлению газа, используя его уравнение состояния, определяют температуру.

2.1.3 Жидкостные, газовые и конденсационные манометрические термометры

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления жидкости и газа в замкнутом объеме от температуры.

На рис.2 показана схема манометрического термометра. Термосистема прибора, заполненная рабочим веществом, состоит из термобаллона 1, помещаемого в измеряемую среду, манометрической трубчатой пружины 5, связанной тягой 4 с зубчатым сектором 3 с показывающей стрелкой, и капилляра 2, соединяющего пружину с термобаллоном.

При нагреве термобаллона увеличивается давление рабочего вещества в нем, которое через капилляр передается трубчатой пружине и вызывает ее раскручивание до тех пор, пока усилие, созданное разностью давлений, не уравновесится силой ее упругой деформации.

Термобаллоны изготовляются из нержавею 5 щей стали. Они имеют диаметр 12 - 20 мм и длину 25 - 500 мм. В качестве капилляра 3 применяют толстостенную трубку из латуни диаметром 2,5 x 0,35 мм, длиной до 10 - 60 м.

В газовых манометрических термометрах в качестве рабочего вещества используют азот или аргон, которые являются химически инертными веществами.

В жидкостных манометрических термометрах термосистема заполняется кремнийорганической жидкостью ПМС-5.

Газовые и жидкостные термометры заполняются рабочим веществом под некоторым начальным давлением 10⁶ - 2·10⁶ Па, чтобы снизить погрешность, связанную с отклонением атмосферного давления

В конденсационных манометрических термометрах термобаллон частично (около 2/3 объема) 1. заполнен низкокипящей жидкостью (фреон, ацетонхлористый метил), а остальное его пространство заполнено насыщенным паром этой жидкости .в которую помещен термобаллон, возрастает испарение жидкости, что приводит к повышению давления пара над жидкостью. Такие приборы имеют более высокую чувствительность по сравнению с газовыми и жидкостными термометрами. Кроме того, на их показания не влияет изменение температуры и давления среды, окружающей капилляр. Однако они имеют неравномерную шкалу, так как зависимость между температурой и упругостью пара нелинейна.

Манометрические термометры применяют только как технические приборы с пределами измерения от 50 до 600⁰С. Они выпускаются как показывающие, так и самопишущие.

Дополнительные погрешности манометрических термометров: барометрическая, связанная с изменением атмосферного давления; температурная (у газовых и жидкостных), возникающая при колебаниях температуры капилляра; гидростатическая (у жидкостных и конденсационных), обусловленная установкой термобаллона и пружины на разных высотах. Недостаток манометрических термометров - большая инерционность и невысокая точность.

2.1.2 Термометры с твёрдыми рабочими телами

Дилатометрические термометры применяют двух видов: стержневые и пластинчатые (биметаллические). Принцип действия дилатометрических термометров основан на относительном удлинении двух твердых тел, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения, под воздействием температуры.

Зависимость длины твердого тела от температуры выражается уравнением:

l = l₀ · ( l + б · t ),

где l₀ - длина тела при температуру 0⁰С.

б - температурный коэффициент линейного расширения, К^-1.

Стержневой термометр (рис.3а) имеет закрытую с одного конца трубку 1, помещенную в измеряемую среду, в которую вставлен стержень 2, связанный с рычагом 3. трубка выполнена из материала с большим коэффициентом линейного расширения, чем стержень. При изменении температуры трубка изменяет свою длину относительно стержня, что приводит к смещению стрелки прибора.

1 2 3 1 2 3

п

а) б)

Рис. 3. Дилатометрические термометры.

Пластинчатый термометр (рис.3б) состоит из двух изогнутых и спаянных между собой по краям металлических полосок 1 и 2 с различными коэффициентами линейного расширения, один конец которых закреплен, а другой связан с рычагом 3. при изменении температуры пластинки изменяют угол прогиба и перемещают стрелку прибора.

В качестве материалов с большим коэффициентом линейного расширения применяют никель, латунь, сталь, с малым коэффициентом линейного расширения - инвар (сталь, содержащая 36% никеля).

Дилатометрические термометры используют главным образом в качестве чувствительных элементов в сигнальных приборах и в качестве вспомогательных узлов для компенсации влияния температуры на показания других приборов.

Выводы

ТЕМПЕРАТУРА (от лат . temperatura - надлежащее смешение, нормальное состояние), физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы. Температура всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не находится в равновесии, то между ее частями, имеющими различную температуру, происходит теплообмен. Более высокой температурой обладают те тела, у которых средняя кинетическая энергия молекул (атомов) выше. Измеряют температуру термометрами на основе зависимости какого-либо свойства тела (объема, электрического сопротивления и т. п.) от температуры. Теоретически температура определяется на основе второго начала термодинамики как производная от энергии тела по его энтропии. Так, определяемая температура всегда положительна, ее называют абсолютной температурой или температурой по термодинамической температурной шкале (обозначается Т). За единицу абсолютной температуры в СИ принят кельвин (К). Значения температуры по шкале Цельсия (t, °С) связаны с абсолютной температурой соотношением t=T-273,15K (1 °С=1 К).

Температуру измеряют путем наблюдения за изменением физических свойств веществ, называемого термометрическим веществом. При нагреве изменяется внутренняя энергия вещества, что сопровождается изменением практически всех его физических свойств. Для измерения температуры выбирают те из них, которые однозначно меняются с изменением температуры и сравнительно легко поддаются измерению. Этим требованиям наиболее полно соответствуют такие свойства рабочих веществ: объемное расширение, изменение давления в замкнутом объеме, изменение электрического сопротивления, возникновение термоэлектродвижущей силы, интенсивность излучения, механическое напряжение.

ЛИТЕРАТУРА

Трофимов А.Н. Автоматика, телемеханика, вычислительная техника в химических производствах. Учебник. Энергоатомиздат. 1985.

Фарзане Н.Г., Илясов П.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы. Учебник. Москва. Высшая школа.1989.

Жарковский Б.И. Приборы автоматического контроля и управления. Учебник. Высшая школа. 1989.

Попов И.А., Грунтович Н.В. Сборник заданий для самостоятельной работы по основам теории автоматического управления (регулирования). Учебное пособие. ВМФ. 1982.

Трофимов В.В. Справочник АСУТП. Справочник. Киев. Техника. 1988.

Измерительно-информационные системы. Учебник. ВМФ. Ч.1. 1990 г.