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 - 100
С.
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); t
F=
(t
С+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
=0,1
С
и после t
=-0,1
С
/,
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_________________________