ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР

Задание

1. С помощью ртутного термометра определить три значения темпе­ратуры воды в термостате.

2. Измерить те же температуры при помощи термоэлектрического пиро­метра и электрического термометра сопротивления.

3. Найти погрешности определения температуры пирометром и термо­метром сопротивления в сравнении с ртутным термометром.

4. По данным п. 1 определить температуры воды в термостате по шкале Кельвина.

Основные теоретические положения

Для характеристики теплового состояния тела в термодинамике вводится особый параметр – температура, характеризующий степень нагретости тела и являющийся количественной мерой энергии теплового движения молекул тела. В частности, для идеального газа молекулярно-кинетическая теория устанавливает, что абсолютная температура Т прямо пропорциональна средней кинетической энергии поступательного движения молекул.

Возможность измерять температуру приборами основана на явлении теплового равновесия между телами и на изменении физических свойств тел при нагревании. Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами. Для получения численного значения температуры термометр должен быть снабжен шкалой температур. Шкала устанавливается путем деления разности показаний термометра в двух произвольно выбранных опорных точках на некоторое число равных частей, называемых градусами.

Для отсчета температуры в большинстве стран используется междуна­родная термодинамическая температурная шкала. Температуры по этой шкале могут быть выражены двояко – в градусах Кельвина (К) или в градусах Цельсия (^оС) в зависимости от начала отсчета (положения нуля) на шкале. Опорными точками для международной термодинамической шкалы являются: воспроизво­димая опытным путем температура тройной точки воды (температура, при которой все три фазы воды – твердая, жидкая и газообразная – находятся в равновесии, Т = 273,15 К или t = 0,01 ^оС) и абсолютный нуль температуры Т = 0 К или t = -273,15 ^оС (температура, при которой прекращается тепловое движение молекул).

Для измерения температуры применяют также шкалу Фаренгейта (^оF), Реомюра (^оR), Ренкина (^оRа). Соотношения между ними и школой Цельсия:

t ^оF = 1,8 t ^оС + 32; t ^оR = 0,8 t ^оС; t ^оRа = 1,8 (t ^оС + 273,15) (2.1)

Связь между абсолютной температурой Т и температурой по шкале Цельсия выражается соотношением

TK = t ^оC + 273,15 (2.2)

Температура тела, измеренная по одной из таких шкал, будет зависеть от выбора опорных точек и от физических свойств, применяемого термометри­ческого вещества, поэтому она называется эмпирической.

Наиболее широко распространенными приборами для измерения темпера­туры являются жидкостные термометры расширения, они отличаются доста­точно высокой точностью и просты в использовании. Кроме жидкостных термометров для измерения температуры также используются манометри­ческие термометры, термометры сопротивления, термоэлектрические пиро­метры (термопары) и оптические пирометры. Поэтому целесообразно отдель­но и более подробно рассмотреть принцип работы этих приборов и методику измерения температуры с их помощью.

Принцип действия жидкостного термометра основан на изменении объема жидкости, заполняющей капилляр термометра, при изменении ее температуры. Из этих термометров наибольшее распространение получили ртутные стеклянные термометры (диапазон измеряемых температур от -30 ^оС до 700 ^оС) Для измерения более низких температур используют спиртовые стеклянные термометры (диапазон измеряемых температур от -60 ^оС до 300 ^оС). В качестве термометрических жидкостей в них используются толуол, пентан, этиловый спирт и т.д. Термометры расширения в зависимости от назначения подразделяются на образцовые и рабочие. Последние в свою очередь делятся на термометры повышенной точности, лабораторные, техни­ческие, калориметрические. Образцовые термометры изготавливаются с огра­ниченными пределами шкалы, включающими сравнительно небольшие температурные интервалы. Лабораторные термометры изготавливают с разли­чными пределами шкал и ценой деления в зависимости от их назначения. Принципиальное устройство жидкостного термометра общеизвестно.

Принцип действия манометрического термометра основан на изменении давления термометрического вещества в замкнутом объеме в зависимости от температуры.

Рисунок 2.1 – Принципиальная схема манометрического термометра:

1 – термобаллон; 2 – трубка; 3 – трубчатая пружина; 4 – стрелка

Схема манометрического термометра показана на рисунке 2.1. Он состоит из термобаллона 1 погружающегося в измеряемую среду. При нагревании термометрическое вещество, находящееся в баллоне, расширяется, давление его увеличивается и по трубке 2 передается трубчатой пружине 3, с которой связана стрелка 4, показывающая соответствующую температуру. Эти термо­метры используются для измерения температур в диапазоне от -50 ^оС до 550^оС, они просты по конструкции и допускают передачу измерений на большие расстояния. Из-за невысокой точности манометрические термометры исполь­зуются в качестве контрольных измерительных.

Принцип действия термоэлектрических пирометров (термопар) основан на том факте, что в цепи из двух разнородных специально подобранных проводников (медь-константан, хромель-копель, платина-платинородий и др.), спаянных по концам, возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Величина которой при неизменной температуре холодного спая зависит только от температуры горячего спая. Если измерить термоЭДС, то можно определить температуру горячего спая. Для этого нужно знать температуру холодного спая и иметь зависимость ЭДС от разности температур спаев, полученную опытным путем при градуировке термопары данного типа. Термоэлектрические пирометры нашли широкое применение в измерительной практике, с их помощью измеряются температуры в диапазоне от -200 ^оС до +2500 ^оС. Для изготовления термопар используют термоэлектродную прово­локу диаметром 0,5 мм из металлов и их сплавов (медь, константан, хромель, копель, платина, платинородий и др.).

Промышленностью выпускаются шесть стандартных термопар, техноло­гия производства которых обеспечивает их взаимозаменяемость и стабиль­ность градуировочных характеристик. В качестве примера рассмотрим хромель-копелевую термопару ХК (L). Хромель- это сплав, содержащий 80 % никеля, 10 % железа, 0,2 % марганца и 9,8 % германия. Копель состоит из 56 % меди и 44 % никеля. Хромель-копелевые термопары имеют наибольшую по сравнению с другими термопарами термоЭДС в интервале температур от -200 ^оС до +800 ^оС (-9,488 мВ до +66,469 мВ).

Схема термоэлектрического пирометра показана на рисунке 2.2. Он состо­ит из термопары 1 и подключенного к ней потенциометра (или милливольт­метра) 2. Термостатированный, т.е. находящийся при неизменной температуре спай 4, называется холодным. Этот спай при точных лабораторных измере­ниях помещается в сосуд Дьюара с тающим льдом 3. Другой спай 5 называется горячим и помещается в среду, температура которой должна быть измерена.

Термоэлектрический пирометр снабжается градуировочной кривой E = ƒ(t), дающей зависимость термоЭДС от температуры горячего спая t при условии, что температура холодного спая равна 0 ^оС. Если это условие не соблюдается, как часто бывает в технических измерениях, то для отсчета тем­пературы по градуировочной кривой приходится вводить поправку на темпе­ратуру холодного спая. Эта поправка Е_о находится из градуировочной кривой пирометра по температуре холодного спая t_о, измеренной специально предус­мотренным термометром, и прибавляется к показанию потенциометра Е':

Рисунок 2.2 – Принципиальная схема термоэлектрического пирометра:

1 – проводники из специально подобранных материалов; 2 – прибор для измерения ЭДС, возникающей в цепи (потенциометр или мили­вольтметр); 3 – сосуд с тающим льдом или холодной водой; 4 – холод­ный спай; 5 – горячий спай термопары; 6 – ртутный термометр.

Е = Е' + Е_о (2.3)

По определенной таким образом термоЭДС Е из градуировочной кривой отыскивается искомая температура среды. Кроме графического метода возмо­жен расчет температуры по аналитической зависимости.

Принцип работы электрического термометра сопротивления основан на изменении электрического сопротивления проводника с изменением его температуры. Эти приборы широко используются в промышленности для измерения температур в диапазоне от -120 ^оС до + 500 ^оС.

Рисунок 2.3 – Принципиальная схема термометра сопротивления:

1 – чувствительный элемент; 2 – соединительные провода; 3 – изме­рительный мост для измерения сопротивления

Схема термометра сопротивления приведена на рисунке 2.3. Термометр сопротивления включает чувствительный элемент 1, соединительные провода 2 и измерительный мост 3. Чувствительный элемент выполняется обычно в виде спирали из очень тонкой платиновой или медной проволоки, обладающей достаточно большим термическим коэффициентом изменения сопротивления. К термометру сопротивления прилагается градуировочная кривая R = ƒ(t), выражающая зависимость сопротивления чувствительного элемента от температуры.

При изменении температуры среды чувствительный элемент погружается в эту среду, мостом измеряется сопротивление элемента R, а затем по градуировочной кривой определяется искомая температура t. Возможен также расчет по аналитической зависимости.

Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) выпуска­ются для измерения температур в диапазоне от -270 ^оС до +300 ^оС. Сопро­тивление термисторов с уменьшением температуры возрастает, поэтому их выгодно применять для измерения низких температур.

Чувствительный элемент полупроводникового термометра сопротивления представляет собой кристалл полупроводника, помещенный в герметичный стеклянный или металлический чехол очень небольших размеров. Большой температурный коэффициент (0,02 – 0,08 К^–1), большое сопротивление (1 – 100 кОм) и малые габариты делают полупроводниковые материалы очень перспективными для изготовления термометров сопротивления. Однако отсутствие воспроизводимости и взаимозаменяемости ограничивает их применение.

Для измерения температур выше 800 ^оС в технике применяются опти­ческие пирометры, принцип действия которых основан на определении температуры путем измерения лучистой энергии, испускаемой телом.

Связь между температурой и интенсивностью (яркостью) излучения описывается законами Вина и Планка. В качестве примера рассмотрим работу оптического пирометра с исчезающей нитью (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Принципиальная схема оптического пирометра:

1 – объектив; 2 – окуляр; 3 – красный светофильтр; 4 – пирометри­ческая лампа; 5 – диафрагмы; 6 – реостат; 7 – поглощающее стекло; 8 – измери­тельный прибор.

Он состоит из телескопа, в фокусе объектива 1 которого помещена пирометрическая лампа 4 с вольфрамовой нитью, имеющей форму дуги. Перед окуляром 2 находится красный светофильтр 3, пропускающий только лучи определенной длины волны. Накал нити лампы, а следовательно, и ее яркость зависят от протекающей по нити силы тока, которая регулируется с помощью реостата 6, встроенного в телескоп. В качестве показывающего прибора используется миллиамперметр со шкалой, отградуированной непосредственно в градусах. Когда телескоп сфокусирован на источник излучения, температура которого измеряется, и лампа включена, то в поле зрения на светлом фоне изображения источника видна ее нить в виде дуги. Если нить нагрета до температуры меньшей, чем источник излучения, то ее яркость будет меньшей, чем яркость фона изображения объекта, и нить представится в виде темной дуги. Если же температура нити больше температуры источника излучения, то нить выглядит как светлая дуга на более темном фоне. Если температуры нити и источника излучения одинаковы, то нить исчезает. Глаз человека очень чувствителен к разности в яркости, поэтому даже незначительная разница температур между источником и нитью лампы может быть обнаружена. Для измерения температур выше 1400 ^оС телескоп пирометра оборудуют погло­щающим стеклом, расположенным между объективом и пирометрической лампой и ослабляющим яркость излучения источника. При этом измерение производится путем сравнения неослабленной яркости нити пирометрической лампы с ослабленной яркостью излучателя. Термоэлектрические пирометры с исчезающей нитью получили наибольшее распространение из числа опти­ческих пирометров, они удобны в обращении, имеют достаточно высокий предел измерений и приемлемую для пользователя точность. Основной недостаток этих приборов заключается в том, что нулем-индикатором в них является человеческий глаз.

Дата добавления: 2014-11-14; просмотров: 328; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!