Урок№58
Г.
Предмет: «Слесарное дело».
Преподаватель: Балунов А.С.
Тема: «Температурные шкалы. Классификация СИ (температуры) и приборов для измерения температуры »
Цель:
ü познакомиться с классификацией СИ приборов для измерения температуры
ü выяснить и запомнить классификацию СИ (температуры) и приборов для измерения температуры
ü закрепить знания по классификация СИ (температуры) и приборов для измерения температуры
ü кратко записать в конспект основное содержание темы
Ход урока
Работа над темой
Методы измерения температуры
Температура наряду с давлением и объемом представляет собой одну из трех основных величин, характеризующих термодинамическое состояние вещества, и непосредственно связана с его внутренней энергией.
Температура – латинское слово, обозначающее «смесь». При взаимодействии двух равновесных систем, имеющих разные температуры, происходит переход энергии от системы с большим энергосодержанием, пока обе системы не примут новое состояние равновесия. Общим для всех видов частиц первоначально разделенных систем является
температура.
Диапазон существующих температур можно разделить на ряд характерных поддиапазонов: сверхнизкие температуры (0-4.2 К), низкие (4.2 – 273 К), средние (273-1300 К), высокие (1300-5000 К) и сверхвысокие (от 5000К и выше).
Широкий диапазон подлежащих измерению температур, разнообразие условий и объектов исследования обусловили многочисленность методов и средств измерений температуры.
В термометрии принято классифицировать методы и средства измерений на контактные и неконтактные.
Более полно раскрывает особенности отдельных методов классификация по механизму передачи энергии от объекта исследования к термопреобразователю, в соответствии, с которой методы и средства измерений можно разделить на термометрические, пирометрические и спектрометрические.
Термометрические методы, как правило, являются контактными методами, при которых энергообмен между объектом исследования и термопреобразователем осуществяется главным образом путем теплопроводности (при измерении температуры твердых тел) и конвекции.
Неконтактные методы измерений температуры основаны на энергообмене путем излучения между объектом исследования и измерительным преобразователем. Все тела излучают в окружающее пространство электромагнитные волны различных длин. В зависимости от вида излучения и определяемых его параметров неконтактные методы можно разделить на пирометрические, применяемые в основном для измерения температур от низких до 4000 –6000К по тепловому излучению исследуемых объектов, и спектрометрические, используемые для измерения сверх высоких температур, главным образом температуры плазмы.
Единство измерений температуры базируется на температурных шкалах, эталонах единицы температуры и поверочных схемах для передачи значения единицы температуры от эталонов к образцовым и рабочим средствам измерений.
Основой всех температурных измерений является термодинамическая шкала (ТТШ), не связанная с каким-либо частным термометрическим свойством вещества. Эта шкала, основанная на втором законе термодинамики, была в 1852г. разработана Кельвином.
Единице термодинамической температуры (символ Т) является кельвин (К), который определяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.
Такое определение единицы температуры требует практически осуществления только одной реперной точки. Необходимая вторая точка – теоретическая – абсолютный нуль.
Температуру можно также выражать в градусах Цельсия (0С) Температура Цельсия (символ t или Θ) называется разность между температурой Кельвина Т и температурой Т0 = 273,15 К (точка таяния льда), т.е. t= Т –273,15.
Шкалой, практически воспроизводящей ТТШ, является Международная практическая температурная шкала 1968г. (МПТШ- 68), принятая на основе международных соглашений. Связь между теоретической ТТШ И практической МПТШ-68 осуществляется при помощи газовых термометров, для которых при идеальном газе справедливо уравнение
PV=RT
2. Приборы для измерения температуры
Прибор, измеряющий температуру, называется термометром. Существуют контактные и бесконтактные термометры.
Контактный термометр приводят в контакт с исследуемым телом. При тепловом равновесии температура термометра равна температуре исследуемого тела.
В контактном термометре может быть использовано любое свойство вещества или устройства, зависящее от температуры. Поскольку таких свойств очень много, разновидностей термометров тоже много.
В дилатометрическом термометре используется зависимость линейных размеров тела или объема вещества от температуры. Жидкостный термометр делается в виде узкого капилляра, переходящего в нижний шарик, в котором находится основная масса жидкости.
При расширении жидкость входит в капилляр, заполняя его до определенного деления. Используется разница температурных коэффициентов расширения жидкости и стекла.
В жидкостных термометрах применяется ртуть или спирт. Ртуть замерзает при температуре ниже –39 0С, а стекло размягчается при 500-600 0С. Этим определяется диапазон ртутных термометров. Спиртовые термометры применяются для измерения температуры в
диапазоне от –80 до + 70 0С (при t =-1140С спирт замерзает, а при высоких температурах t≈780С – кипит).
Ртутный термометр, который используется только для измерения температуры, но для ее регулирования, называется контактным, так как в него введена тонкая контактная проволочка. При повышении температуры ртуть замыкает контакты. Положение верхнего контакта можно менять магнитом. Сила тока в термометре должна быть небольшой, а при
необходимости регулирования токов большей силы используется реле.
Иногда в дилатометрическом термометре используется расширение твердого стержня.
Однако чаще изготавливают биметаллическую пластинку и склеивают или скрепляют две гибкие металлические пластинки с разными температурными коэффициентами расширения.
При нагревании биметаллическая пластинка изгибается.
В качестве термометров используют также различные физико-химические индикаторы температуры вещества, которые изменяют состояние (плавятся, кипят, изменяю цвет и т.д.) при определенных температурах. Например, такими индикаторами могут быть
термочувствительные краски. В последнее время стали широко применять некоторые жидкие кристаллы – вещества, плавно меняющие свой цвет от красного до фиолетового.
Датчиками температуры с электрическим выходом являются электрические термометры: термометры сопротивления и термопары.
Металлический термометр сопротивления это катушка с проводом, сопротивление которого возрастает с температурой: R = R0 (1+αt). Для устойчивости к окислению берут тонкую платиновую проволоку (платиновый термометр) диаметром менее 0,1мм.
Сопротивление измеряется мостом, шкала которого может быть проградуирована в градусах.
Значительно более чувствителен термистор – термометр сопротивления на полупроводнике. Термистор имеет более узкий диапазон измерений и не обеспечивает линейность шкалы. Он представляет собой бусинку из оксидов металлов (Cu, Mn, Mg, Co, Ni), Сопротивление полупроводника убывает с температурой по закону: R = R0еα/Т. Отсюда нелинейность шкалы. В той области температур, где сопротивление резко изменяется, можно
вместо моста использовать логометр, что значительно упрощает измерения.
Термоэлектрические преобразователи применяют для измерения температуры от –200 до +250 0С. Рабочим органом термопреобразователя (рис. 1) является чувствительный элемент, состоящий из двух разнородных термоэлектродов 9,сваренных между собой на конце 11, который составляет горячий спай. Термоэлектроды изолированы по всей длине с помощью изоляторов 1 и помещены в защитную арматуру 10.Свободные концы элемента подключены к контактам термопреобразователя 7, расположенным в головке 4, которая закрывается крышкой 6, имеющей прокладку 5. Положительный термоэлектрод подключают к контакту со знаком <+>. Герметизация вводов термоэлектродов 9 осуществляется с
помощью эпоксидного компаунда 8.
Рабочий конец термопреобразователя изолируют от защитной арматуры
керамическим наконечником, который в некоторых конструкциях для уменьшения тепловой инерционности, может отсутствовать.
Термопреобразователи могут иметь штуцер 2 для крепления по месту и штуцер 3 для ввода соединительных проводов измерительных приборов.
Принцип действия термопреобразователя основан на преобразовании тепловой энергии в термоЭДС элемента при наличии разности температур между его свободными концами и горячим спаем.
Возникновение термоЭДС в термопреобразователе объясняется тем, что при его нагревании возникает поток электронов от горячего спая к холодному. На холодном спае создается отрицательный потенциал, а на горячем – положительный. Разность этих потенциалов будет определять величину термоЭДС термопреобразователя.
Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то термоЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя, что позволяет отградуировать измерительный прибор в соответствующих единицах температуры. В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 00С, к
показания вторичного прибора вводится соответствующая поправка.
Температуру свободных концов учитывают для того, чтобы знать величин поправки.
Поправку на температуру свободных концов в зависимости от условий вводят тремя способами: по градуировочной таблице; перестановкой стрелки выключенного прибора с нулевого положения до отметки,которая соответствует температуре свободных концов;
автоматическими устройствами –при помощи компенсационных коробок или схем измерительных приборов.
Величина термоЭДС в термопреобразователе зависит не только от разности температур горячего и холодных спаев, но и от материала термоэлектродов. Поэтому стремятся применять в качестве термоэлектродов те металлы и сплавы, у которых возникают сравнительно большие ЭДС.
Для вывода свободных концов термопреобразователя в зону постоянной
температурой служат удлинительные термоэлектродные провода.
Таким образом, чтобы определить измеряемую температуру среды с помощью термоэлектрического преобразователя, необходимо выполнить следующие операции: измерить термоЭДС в цепи преобразователя; определить температуру свободных концов; в измеряемую величину термоЭДС ввести поправку на температуру свободных концов; по
известной зависимости термоЭДС от температуры определить измеряемую температуру среды. В зависимости от материала термоэлектродов термопреобразователи различают: с
металлическими термопарами из благородных неблагородных металлов и сплавов с термопарами из тугоплавких металлов сплавов.
Термопары из благородных металлов, обладая устойчивостью к высоким
температурам и агрессивным средам, а также постоянной термоЭДС, широко используют для замера высоких температур в промышленных и лабораторных условиях.
Термопары из неблагородных металлов и сплавов применяют для измерения температур до 10000 0С. Достоинством этих термопар является сравнительно небольшая стоимость и способность их развивать большие термоЭДС.
Градуировка термопары – определение термоЭДС термопары от температуры рабочего конца при постоянном значении температуры свободных концов (равной 0 0С).
Термоэлектроды из благородных металлов изготовляют из проволоки диаметров 0,3-0,5мм, а неблагородных –диаметром 1,2-3,2 мм.. Диаметр термоэлектродов выбирают, исходя из назначения термопары, диапазона измерения температуры и необходимой прочности.
Итог.
- Подумайте, что вы узнали сегодня на уроке.
- Какие существуют методы и средства измерений температуры?
- Как называется прибор для измерения температуры?
- Какая рабочая жидкость используется в жидкостном термометре?