Конденсационные (термобаллон заполнен частично жидкостью с низкой температурой кипения и частично ее насыщенными парами)

2

5

газовый термометр

1 – металлический термобалон – чувствительный элемент воспринимающий температуры измеряемой среды.

2 – рабочий элемент измеряющий давление (манометр, к примеру пружинный).

3 – длинный соединительный металлический капилляр.

4– дополнительный объем.

5 – штенгель (для заполнения термометра рабочим веществом).

Достоинства и недостатки манометрического термометра:

+ простота конструкции и применения;

+ надежность

+ возможность дистанционного измерения (до 60 м)

+ не требует электропитания

+ может быть использован для регулирования напрямую (ТРВ – терморегулирующий вентиль)

+ проще для автоматизации, чем жидкостные стеклянные термометры

- сложность ремонта при разгерметизации.

- нелинейная градуировка (необходимость в своей градуировке либо пересчете давления в температуру)

- инерционность

Манометрические жидкостные и газовые термометры применяются в основном для технических измерений (класс точности 1,0; 1,6; 2,5; 4,0). Конденсационные – как образцовые.

В книгах указывается, что манометрические термометры применяются обычно для измерения температур от -150˚С, однако МТШ-90 указывает на данный вид термометров, как на образцовый, при измерениях до тройной точки неона 24.5561К. Т.е. данный вид термометров применяется при низких температурах.

Газовые термометры

Дополнительный объем 4, находящийся постоянно при комнатной температуре, позволяет получить газовые термометры с переменной чувствительностью. По мере уменьшения температуры шкала такого термометра будет растягиваться. Он дает большие погрешности - до 1˚С, но удобен.

Если использовать манометр с трубкой Бурдона, то дополнительный объем 4 не нужен.

Шкалу газового термометра можно вычислить, зная объем составных частей прибора или по градуировке.

V – полный объем термометра;

V₁ – объем термобалона;

T, P – температура и давление газа при измерении;

T_зап, P_зап – температура и давление в момент заполнения термометра;

T_гр, P_гр – температура и давление газа в термобалоне при градуировке.

T_ман – температура дополнительного объема или манометра (например, с трубкой Бурдона) (обычно комнатная).

Из предположения идеального газа:

При градуировке T=T_гри P=P_гр

V/V₁ -параметр термометра

Шкала термометра

Т.е. получаем градуировку.

При значительной величине дополнительного объема (при V/V₁ = 5…10) термометры становятся мало пригодны для измерения температуры от 200-300К (малая чувствительность), но зато в интервале от 5К до 30К погрешность не более ±0.3К (в этом интервале малая чувствительность полезна, поскольку у манометра тоже ограниченный диапазон точных измерений, и слишком сильная зависимость давления от температуры не нужна).

Конденсационные термометры

В качестве термометрических жидкостей используют: R22 (-25…+80 °С), пропилен (-50…+60 °С), хлористый метил (0…+125°С) и др.

В конденсационном термометре температура определяется по упругости насыщенных паров.

Объем термобаллона подбирается таким образом, чтобы при полной конденсации газа не было переполнения.

В отличие от газового термометра конденсационный не требует градуировки (в справочниках указана зависимость давления насыщенных паров от температуры).

Достоинства и недостатки конденсационного термометра по сравнению с газовым:

+ термометр не требует градуировки;

+ точность определяется точностью манометра; к примеру, если манометр с классом точности 1 для конденсационного термометра с водородом внутри можно получить точность расчета температуры 0.2-0.3К в области температур 20…30К;

- термобаллон должен находится при самой низкой температуре по сравнению с другими частями термометра;

- точность измерения зависит от чистоты применяемого вещества;

- резко нелинейная характеристика;

В качестве конденсационного манометрического термометра может быть использована полость криостата (сосуд Дьюара).

Но нужно учитывать, что температура в ванне зависит от гидростатического давлении (температурное расслоение – разные слои по разным давлением и при разных температурах).

Жидкостные манометрические термометры (кратко):

Термосистема жидкостного преобразователя полностью заполняется термометрической жидкостью (ртуть, метаксилол, силиконовые жидкости и др.). Действие термопреобразователя основано на изменении объема жидкости при изменении температуры и взаимодействии ее с упругим чувствительным элементом, который деформируется при определенном давлении на нужную величину Для обеспечения заданных свойств в термосистеме не должны присутствовать воздух или другие газы.

К примеру, жидкостные термометры с хлорэтилом, ацетоном, бензином и ртутью предназначены для измерения температур от 0˚ до 500˚С.

Измерение температуры термоэлектрическим способом.

Термоэлектрический метод измерения температур основан на строгой зависимости термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) термоэлектрического термометра от температуры.

Термоэлектрические термометры широко применяются для измерения температур до 2500°С в различных областях техники и в научных исследованиях. Они могут использоваться для измерения температуры от -200°С, но в области низких температур термоэлектрические термометры получили меньшее распространение, чем термометры сопротивления, рассматриваемые в гл. 5. В области высоких температур (выше 1300—1600°С) термоэлектрические термометры находят применение главным образом для кратковременных измерений; для длительного же измерения высоких температур они применяются только в отдельных особых случаях.

+ Достаточно высокая точность (для большинства измерений);

+ Возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких

термоэлектрических термометров через переключатель к одному измерительному прибору,

+ высокая автоматизация,

- требуется высокая чистота материалов

- чувствительны к механическим повреждениям

- требуется контролировать температуру второго спая

- чувствительность падает с уменьшением температуры

В основу измерения температур с помощью термоэлектрических термометров положены термоэлектрические явления, открытые Зеебеком в 1821 г. Применение этих явлений к измерению температур основано на существовании определенной зависимости между термоЭДС, устанавливающейся в цепи, составленной из разнородных проводников, и температурами мест их соединения.

Эффект Зеебека обратен эффекту Пельтье.

Если взять цепь составленную из двух различных термоэлектрически однородных по длине проводников А и В (например, меди и платины), то при подогреве спая 1 в цепи появляется электрический ток, который в более нагретом спае 1 направлен от платины В к меди А, а в холодном спае 2 — от меди к платине. При подогреве спая 2 ток получает обратное направление. Такие токи называются термоэлектрическими. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест соединения называется термоэлектродвижущей силой, а создающий ее преобразователь — термоэлектрическим

первичным преобразователем или термометром (термопара).

Для объяснения механизма возникновения термоЭДС воспользуемся электронной теорией, которая основывается на представлении о наличии в металлах свободных электронов. В различных металлах плотность свободных электронов (число электронов в единице объема) неодинакова. Вследствие этого в местах соприкосновения двух разнородных металлов, например, в спае, электроны будут диффундировать из металла А в металл В с меньшей плотностью свободных электронов в большем количестве, чем обратно из металла В в металл А. Возникающее при этом в месте соединения электрическое поле будет препятствовать этой диффузии, и когда скорость диффузионного перехода электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося определенного поля, наступит состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между металлами А и В возникает некоторая контактная разность потенциалов. Так как плотность свободных электронов зависит также и от температуры

места соединения металлов А и В, то в месте соприкосновения этих проводников при любых температурах возникает ЭДС.

На основании закона Вольта в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников А и В, когда температуры мест их соединения одинаковы (t₀ = t) и отсутствуют посторонние э. д. c., термотока не возникает. Вследствие этого необходимо принять, что возникающие при этом контактные термоЭДС в местах соединения 1 и 2 равны между собой, но различны по знаку, и поэтому суммарная термо-э. д. с. цепи равна нулю:

или

Для цепи из трех разнородных проводников при одинаковых температурах мест их соединения термоЭДС также равна 0:

отсюда следует, что

ТермоЭДС, возникающая в термоэлектрической цепи, зависит лишь от температуры мест соединения различных термоэлектрически однородных по всей длине проводников А и В и от их природы и не может зависеть от распределения температур в каждом ее отдельном термоэлектрически однородном проводнике. Однако получить на практике термоэлектрически однородные по всей длине проводники, особенно из сплавов неблагородных металлов, нелегко.

Необходимо также иметь в виду, что и химически однородный проводник становится источником паразитных термоЭДС, когда его части отличаются друг от друга физическим состоянием. Например, термоЭДС термоэлектрического термометра может измениться, если термоэлектроды подвергаются действию магнитного поля или механическим воздействиям (сжатию, растяжению, кручению). Следует обратить внимание и на то, что металлы в отпущен-

ном состоянии обычно имеют иное значение термоЭДС, чем в закаленном. Это особенно проявляется у сплавов. Местные загрязнения термоэлектрода также изменяют его термоэлектрические свойства. Если термоэлектрический термометр будет изготовлен

из электродов с некоторой степенью термоэлектрической неоднородности, то при погружении в среду с неравномерным температурным полем образующиеся в нем паразитные термоЭДС будут искажать его суммарную термоЭДС тем больше, чем больше степень их неоднородности. Значение паразитной термоЭДС зависит также и от степени неравномерности температурного

поля среды.

Основное уравнение термоэлектрического термометра, выражающее в общем виде зависимость суммарной термоЭДС, возникающей в цепи из двух разнородных термоэлектродов А и Б, от температуры мест их соединения:

или

Чтобы измерить термоЭДС необходимо подключить прибор (вольтметр) – а это третий проводник.

Подключить можно:

- в разрыв спая;

- в разрыв проводника;

а) в разрыв спая:

, с учетом:, получаем, что

, т.е. включение 3-его проводника не изменило ЭДС.

б) в разрыв проводника:

и , получаем , т.е. аналогично.

В целом, включение 3-его проводника не изменяет ЭДС, если температура его спаев одинакова.

Из сказанного выше также следует, что способ изготовления рабочего конца (сваркой, пайкой)

на значение термоЭДС термоэлектрического термометра не влияет, если только размеры спая

таковы, что температура его во всех точках одинакова.

Материалы, используемая в качестве термоэлектродов, должны удовлетворять следующим требованиям:

1) иметь высокую термоЭДС, желательно линейную от разности температур;

2) стабильность свойств и механическую прочность;

3) технологичность (иногда диаметр составляет десятые доли мм);

4) высокая электропроводность;

Дата добавления: 2014-04-05; просмотров: 548; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!