Изучение способов измерения температуры

Лабораторная работа.

«Изучение способов измерения температуры»

Цель работы: углубить знания по курсу общей теплотехники и получить навыки экспериментального определения температуры тел.

В работе необходимо:

1. Измерить температуру нагревательной поверхности, окружающей среды и воды в колбе с помощью ртутного термометра, хромель-копелиевых термопар, милливольтметра и потенциометра.

Теоретические основы.

Температура характеризует тепловое состояние тела и измеряется в градусах. Температура тела изменяется пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Численное значение температуры зависит от выбранной температурной шкалы.

В технике температура измеряется по Международной стоградусной шкале /шкала Цельсия/ и обозначается через t, С. В этой шкале при нормальном давлении /760 мм рт. ст./ состоянию тающего льда соответствует температура 0 С, а точке кипения воды - 100С. Для измерения температуры используется также термодинамическая шкала температур /шкала абсолютных температур, или шкала Кельвина/. Нуль абсолютной шкалы температур соответствует значению t=-273,15 С.

Абсолютная температура тела

Т, К=t, С+273,15 /1/

В США и Англии для измерения температуры применяют шкалу Фаренгейта. На этой шкале /t,F/ температура таяния льда и температура кипения воды обозначены соответственно через 32 и 212 для перевода показаний этой шкалы в С и обратно служат соотношения:

tС=(t,F-32); tF=(tС+32) /2/

Параметром состояния является абсолютная температура.

Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. В табл. 2 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения.

Ртутные стеклянные термометры основаны на свойстве тел изменять свой объем в зависимости от температуры. В качестве термометрического тела чаще всего применяют ртуть и спирт.

При точных измерениях температуры при помощи ртутных термометров к их показаниям вводятся следующие поправки:

/1/ основная /инструментальная/ поправка t

/2/ поправка на температуру выступающего столбика ртути t

/3/ поправка на смещение положения нулевой точки t

В общем случае определение действительной температуры среды по показаниям ртутного термометра t' производится согласно равенству:

t= t'+t+t+t. /3/

При температурах выше 150-200 С ртутные термометры применяются редко.

В настоящее время для измерения температуры получили широкое применение термопары /термоэлектрические преобразователи/.

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры.

Термопара представляет собой 2 разнородных проводника, составляющих общую электрическую цепь /рис. 1/. Если температуры мест соединений (спаёв) проводников t и t неодинаковы, то возникает термо-Э.Д.С. и по цепи протекает ток. Величина термо-Э.Д.С. тем больше чем больше разность температур.

рис. 1. Схема измерения показаний термопары с помощью милливольтметра

1

2

газ

рис. 2. Схема измерения разности температур газа при помощи дифференциальной термопары.

В качестве материалов для термопар используется проволока диаметром от 0,1 до 0,2 мм. Наиболее распространены следующие пары металлических проволок:

Платина и платинородий / 90% Pt и 10% Pr /. Эта термопара является эталонным прибором.

Хромель /90% Ni и 10% Cr / и алюмель /95% Ni и 5% Al/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С. этой термопары составляет около 4 мВ.

Хромель и копель /56% Cn и 44% Ni/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С этой термопары приходится около 7 мВ.

Медь и константан /60% Cn и 40% Ni/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С этой термопары приходится около 4,3 мВ.

При измерении температуры один спай цепи термопары, так называемый холодный спай, находится при 0 С (в тающем льде в сосуде Дюара), а другой – горячий в среде, температуру которой надо измерить.

Так как термоЭ.Д.С. термопары зависит от температуры обоих спаев (горячего и холодного), то термопары часто применяются для измерения разности температур в двух точках – так называемая ­­дифференциальная термопара (рис. 2). В этом случае в схеме отсутствует холодный спай и термоЭ.Д.С. с некоторой известной Э.Д.С. вспомогательного источника тока.

Описание экспериментальной установки и методика проведения измерений.

Экспериментальная установка состоит из горизонтальной поверхности нагрева с эл. нагревателем, устройств для измерения температуры (ртутный термометр), хромель-копелиевые термопары, потенциометр, милливольтметр.

Потребляемая мощность электрического нагревателя измеряется ваттметром. Регулирование мощности осуществляется при помощи лабораторного автотрансформатора. Измерение Э.Д.С. термопар производится с помощью потенциометра постоянного тока.

Атмосферное давление измеряется барометром, а относительная влажность воздуха – психрометром.

Методика проведения опытов и обработка

результатов измерений.

При ознакомлении с экспериментальной установкой необходимо проверить правильность включения измерительных приборов и установить стрелки приборов на нуль.

Порядок выполнения работ следующий:

Включить нагреватель и после наступления стационарного режима работы установки измерить температуру поверхности нагревателя с помощью милливольтметра и потенциометра.

Поставить колбу с водой на нагревательную поверхность и довести воду до кипения, измеряя при этом температуру с помощью

Действительную температуру воздуха в лаборатории при измерении ртутным термометром определяем по формуле /3/.

Основная поправка t=0,5 /указывается в аттестате термометра/.

Поправку на температуру выступающего столбика ртути рассчитываем по уравнению

t= n) /4/

где n – число градусов в выступающем ртутном столбике;

- коэффициент видимого расширения ртути в стекле

1/С

t’ – температура, показываемая термометром, С

t - средняя температура выступающего столбика ртути.

Поправку на смещение положения нулевой точки определяем с помощью уравнения:

/5/

где t и t - температуры, соответствующие положению нулевой точки термометра по аттестату /после нагрева в термостате/ и после очередной проверки нуля в эксплуатации / t=0,1С и после t=-0,1С /,

Показания приборов и результаты вычислений необходимо занести в таблицу 1.

Построить температурный график нагрева воды.

Построить градуировочный график E=f(t).

Практические пределы применения наиболее распространенных устройств для промышленных измерений температур.

Термометрическое свойство	Наименование устройства	Пределы длит. пр.
нижний	верхний
Тепловое расширение	Жидкостные стеклянные термометры	-190	600
Изменение давления	Монометрические термометры	-160	600
Изменение электрического сопротивления	Электрические термометры сопротивления. Полупроводниковые термометры (термисторы, теморезисторы)	-90	180
Термоэлектрические эффекты /термоЭ.Д.С./	Термоэлектрические термометры Термопары/стандартизированные Термоэлектрические термометры Термопары/специальные	1300	2500
Тепловое излучение	Оптические тпирометры Радиационные пирометры Фотоэлектрические пирометры Цветовые пирометры	700 20 600 1400	6000 3000 4000 2800

Контрольные вопросы:

Что называется температурой?

Как получены температурные шкалы? (Цельсия, Кельвина, Фаренгейта).

Соотношение между температурными шкалами.

Как определить действительную температуру.

Что такое термопара?

Виды приборов для измерения температуры и принцип их действия

ЛИТЕРАТУРА:

Лариков Н.Н. «Теплотехника».

Термо- и влагометрия пищевых продуктов. Справочник под ред. И.А. Рогова М., 1988 г.

Таблица 1

№ п/п	ВОДА	Нагревательная поверхность
	Показания ртутного термометра	Основная поправка	Поправка на температуру выступающего столбика /4/	Поправка на смеще­ние поло­жения нулевой точки /5/	Действительная температура	Показания термопар	Показания милли­вольтметра	Показания термопар
	t', С	t , С	t, С	t, С	t, С	E, мВ	С	E>2>, мВ

Атмосферное давление____________________________________

Относительная влажность воздуха_________________________