Автор: admin в рубриках: Теплотехника

Теплотехника

Лабораторная работа ТТ 1 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

1.УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

1.1.К выполнению лабораторной работы допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности.

1.2. Необходимо помнить, что прикосновение к токоведущим частям внутри стенда может привести к поражению электрическим током.

2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

2.1. Ознакомление с приборами и методами измерения температуры.

2.2. Градуировка термопар и сравнение её с табличной.

2.3. Определение погрешности измерения различными методами.

3. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСИКЕ СВЕДЕНИЯ

Температура в термодинамике является физической величиной, характеризующей термодинамическое равновесие макроскопических систем и определяющей направление распространения тепла в самопроизвольных процессах.

Для измерения температуры системой СИ утверждены две температурные шкалы «Термодинамическая шкала» и «Международная прак­тическая температурная шкала». В термодинамической шкале отсчет температуры производятся от абсолютного нуля, а за единицу изме­рения принят «Кельвин» (К), равный 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды (тройная точка – температура равновесия твердой, жидкой и газообразной фазы вода). Температура по этой шкале обозначается Т К. Воспроизводится термодинамическая шкала при помощи газового термометра, шкала кото­рого совпадает с термодинамической и в котором в качестве термомет­рического вещества используется газ (водород, гелий и азот).

Международная практическая температурная шкала основана на ряде постоянных (реперных) точек, например, тройной точке воды в этой шкале приписывается температура 0,01 °С, а температуре кипения воды при нормальном давления (0,101 МПа) приписывает­ся температура 100 °С. Величина градуса в этой шкале равна Кельвину, а температура по этой шкале обозначается t °С. Переход от одной шкалы к другой производится по формуле:

Т = t + 273,15

Следует отметить, что нуль в практической шкале является точкой произвольной, а в термодинамической шкале нуль имеет вполне определенный физический смысл: при температуре абсолютного нуля должно прекратиться тепловое движение молекул.

Температура может быть измерена при помощи различных устройств (термометров), применение которых основано на том, что два соприкасающихся тела через некоторое время приходят к состоянию тепло­вого равновесия. Количественное определение температуры связано с использованием любого зависящего от степени нагретости свойства тела. Так для измерения температур может быть использовано тепловое расширение жидкости (ртутные, спиртовые термометры) или газов (газовые термометры). Часто применяются термометры сопротивления, в которых используется изменение при нагревании электрического соп­ротивления металлической нити, а также термопары, в которых измеряется напряжение термотока, развивающегося при нагревании спая двух металлов.

Стеклянные жидкостные термометры подучили широкое распростра­нение в практике измерения температуры вследствие достаточно высокой точности и простоты измерений. Для заполнения термометров в зависимости от области их применения используют ртуть, толуол, этиловый спирт и т. д. В основном изготовляют термометры двух типов: палочные и с вложенной шкалой. В теплотехнических исследованиях используют, как правило, лабораторные термометры ТР с вложенной шкалой, предназначенные для точных измерений температуры в диапазоне от 0 °С до 500 °С.

Термометры сопротивления находят широкое применение в практи­ке измерения температур в диапазоне от – 260 до 750 °С, а в отдель­ных случаях и до 1000 °С. Наиболее подходящим материалом для изго­товления термометров сопротивления являются чистые металлы (Рt, Сu, Ni и др.), т. к. чистые металлы обладают достаточно высоким значением температурного коэффициента электрического сопротивления и хорошей воспроизводимостью термометрических свойств. Вместе с тем для изготовления термометров сопротивления могут быть исполь­зованы некоторые полупроводники, так как их температурный коэффициент электрического сопротивления оказался на порядок выше, чем у чистых металлов, поэтому в настоящее время полупроводниковые термометры сопротивления находят применение при измерении низких температур (1,3 … 400 К).

При изготовлении чувствительных элементов проволоку наматывают так, чтобы термометры не имели индуктивного сопротивления. Для этого делают бифилярную намотку проволоки или выполняют чувст­вительный элемент в виде петли. Взаимозаменяемость технических термометров сопротивления (кроме полупроводниковых) одинаковой градуировки обеспечивается тем, что они имеют практически одинаковое сопротивление при 0 °С (R0) и изготовляются из чистых ме­таллов. Количество металла характеризуется отношением сопротивления чувствительного элемента при 100 °С к сопротивлению при 0 °С, т. е. величиной R100 / R0 .

Сопротивление термометра может быть измерено при помощи потенциометра, электрического моста или логометра.

Термопары применяются для измерения температур в диапазоне от -200 до 2500 °С. Они обладают достаточно высокой точностью и могут быть использованы в автоматизированных системах сбора и обработки экспериментальных данных. Наибольшее распространение имеют стандартизированные термопары: платинородий – платиновые (ПП), хромель-копелевые (ХК), хромель-алюмелевые (ХА).

Термопары ПП применяются для измерения температур 300 … 1600 °С в окислительной и нейтральной средах. Оки обладают наиболь­шей точностью и используются в качества эталонных измерителей температуры с допустимой погрешностью, равной:

ЕТ = 0,01+2,510 -5( t – 300 ) мВ.

ТХК имеют наибольшую термо-э. д.с., но сравнительно невысокий верхний предел длительного пользования 600 °С в воздушной среде. ТХА имеют более высокий температурный предел (1000 °С), но меньшую термо-э. д.с. Стандартные градуировочные зависимости ТХА и ТХК приведены в табл. 1 и 2 Приложения. Допустимые отклонения термо-э. д.с. от указанных в таблице для термопар ТХА – ЕТ=0.16 мВ в диапазоне температур (50300) °С, а для термопары ТХК – ЕТ=0.2 мВ в диапазоне температур (-50300) °С.

При градуировке термопар температуру холодного спая обычно поддерживают равной 0 °С. Однако при технических и лабораторных измерениях температура холодного спая t’0 бывает постоянна, но не равна 0°С, что вызывает необходимость введения поправки. В этом случае значение термо-э. д.с. Е(t, t0), по которому определяется температура по градуировочной таблице находится из уравнения:

Е(t, t0) = Е(t, t’0) ± Е(t’0 ,t0) (1)

Где знак плюс соответствует случаю t’0>t0, а знак минус случаю t’0<t0 . ( t’ – температура рабочего спая, t0 = 0 °С).

Следует иметь в виду, что расчет в предположении линейной зависимости Е(t, t0) = f(t), т. е. t = t’0 + t0, может привести к существенной погрешности измерения температуры.

В качестве вторичных показывающих приборов в комплексе с датчиками – термопарами используются потенциометры и милливольтметры.

4.СХЕМА И ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Схема лабораторного стенда для измерения температуры представлена на рис. 1.

Рис.1 Схема лабораторного стенда

1 – нагреваемый блок, 2 – место расположения холодных спаев, 3 – милливольтметр, 4 – логометр Ш69000, 5 – жидкостный термометр, 6 – термопара, 7- термопреобразователь сопротивления.

В качестве тела, температура которого измеряется, используется бронзовой блок цилиндрической формы (1). Блок нагревает­ся с помощью электрического нагревателя, ток которого контроли­руется по амперметру. В специальные пазы нагреваемого блока на одном уровне установлены датчики температуры: жидкостный термометр с вложенной шкалой (5), платиновый термометр сопротивления ТСП-5071 (7), термопары (6) градуировок ХА и ХК. Холодные спай термопар расположены в нижней плите стенда (2) в условиях, обеспечивающих постоянство температуры во время опыта. Температура холодных спаев контролируется жидкостным термометром. В качестве вторичных измерительных приборов используются: логометр типа Ш69000 (4), вольтметр универсальный В7-16А (3), переносной потенциометр постоянного тока типа ПП. Подключение термопар к измерительным приборам осуществляется в разрыв холодного спая и по дифференциальной схеме. На переднюю панель стенда в виде клемных зажимов выведены свободные концы термопар, термо­пара сопротивления, точки подключения логометра, вольтметр и низковольтного источника питания. Подключение приборов к датчикам производится с помощь внешних проводов.

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

5.1. После ознакомления с описанием опытной установки заготовить форму протокола для записи наблюдений:

Таблица 1: Результаты измерений

№ замера

TЖ °С

TСГ °С

T’0 °С

ЕХА(t, t’0) мВ

ЕХК(t, t’0) мВ

ЕХА(t, t0)

мВ

ЕХК(t, t0)

мВ

TХА

°С

TХК

°С

5.2. По схеме, изображенной на опытном стенде, подключить выводы чувствительного элемента термометра сопротивления к логометру. Милливольтметр и потенциометр включить в цепь разрыва холодного спая термопара или в цепь разрыва одного термоэлектрода (схема и выводы представлены на панели стенда).

При этом термопары градуировок ХА или ХК подключаются к потенциометру и милливольтметру по разным схемам (по указанию преподавателя).

5.3. После проверки преподавателем схем подключения термометра сопротивления и термопар к измерительным приборам подключить стенд к электрической цепи, включить электроизмерительные приборы (логометр и милливольтметр) и электрический нагреватель.

5.4. Перед каждым измерением температуры проверяется установка рабочего тока потенциометра (при положении переключателя П в положении К стрелка должна устанавливаться на нулевой отметке шкалы) и установка нуля милливольтметра (при этом необходимо отключить прибор от термопар).

5.5. В процессе нагревания на(5060)°С (но не выше 150 °С) с интервалом в 5° измеряется: tЖ – температура по жидкостному термометру, tСГ – температура по логометру, t’0 – температура холодных спаев термопар, ЕМ(t, t’0), ЕП(t, t’0) – термо-э. д.с. соответственно по милливольтметру и потенциометру. Результаты измерений записываются в таблицу 1. Если температура нагреваемого блока достигает 150 °С, следует отключить нагреватель и измерения производить в процессе охлаждения.

5.6. По измеренной температуре, пользуясь градуировочными таб­лицами (см. приложение) определяется поправка на температуру холодного спая Е(t’0 , t0). С учетом этой поправки по уравнению (1) определяется термо-э. д.с. рабочего спая тер­мопары Е(t, t0) для каждого момента замера.

5.7. Провести поверку термопары. По данным измерений строится градуировочная кривая применяемой в опыте термопары tЖ=f(Е(t, t0)) Действительное значение измеряемой температуры определяется по жидкостному термометру. В тех же осях строится кривая стандартной градуировки в соот­ветствии с таблицами, приведенными в приложении. Определяется абсолютная и относительная погрешности поверяемой термопары.

5.8. По градуировочным таблицам термопар для величин термо-э. д.с.

ЕХА(t, t0) и ЕХК(t, t0) определяется соответствующее значение температур tХА и tХК.

Полученные результаты измерений температуры наносятся на график. На графике по оси абсцисс откладывается номер заме­ра, по оси ординат – значения температуры tЖ, tСГ, tХА, tХК. Принимая tЖ за действительное значение температуры, определяется погрешность измерения другие методами.

ЕХА(t, t0)=f(tж)

ЕХК(t, t0)=f(tж)

График температур

Электрическая схема установки

I – Логометр, II – Термопреобразователь сопротивления, III – Источник.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1. Что такое температура? На каком принципе основано измерение температуры?

6.2. Измерение температуры с помощью термометра сопротивления. Конструкция термометра сопротивления.

6.3. Измерение температуры с помощью термопары. Конструкция тер­мопар. Схемы включения в измерительную схему.

6.4. Градуировки термопар. Методы поверки.

6.5. Погрешности измерения температуры.

Оставьте отзыв

Вы должны войти, чтобы оставить отзывы.