Тема 3. Измерение температуры

Темы занятия:

 

1.Принципы измерение температур. Температурные шкалы.

 

Температура – параметр теплового состояния, характеризующийся средней кинетической энергией поступательного движения молекул.

В вакууме температура определяется мощностью потоков лучистой энергии, пронизывающих тело.

Тепло переходит от более нагретого к менее нагретому – принцип работы термометра.

Температурная шкала – ряд отметок внутри температурного интервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми температурами кипения и плавления химически чистых веществ.

Первые термометры появились в 16 веке (Галилей) и были водяными.

Ньютон сделал свою 12-ти градусную шкалу.

Реомюр – шкала 80 делений (т.к он заполнял термометр спиртом, а спирт расширяется на 0, 0008 от температуры плавления льда, до кипения воды).

1847 г. – Фаренгейт – используя охлаждающие смеси, имитировал самую низкую температуру и принял ее за 0; 2 точка – температура таяния льда; 100(98)^оF – температура здорового человека; 212 F – точка кипения воды.

Цельсий сначала принял за ноль температуру кипения воды, а за 100 – температуру плавления льда, а затем перевернул.

Переход от ^оC к  F: t ^оC = 5/9*(t ^оF – 32)

Делиль: разделил шкалу на 150 делений (от таяния льда до кипения воды)

Недостаток этих шкал: показания зависят от свойств вещества, которым заполняется термометр.

Впервые термодинамическая шкала была предложена Кельвином в 1848г.

В Основу был положен термодинамический цикл Карно идеальной тепловой машины, состоящий из двух изотерм и двух адиабат.

 

bc и da – адиабаты.

ab и cd – изотермы.

- работа.

Карно доказал, что КПД цикла не зависит от свойств рабочего вещества и определяется температурами нагревателя и холодильника.

и т.д.

Впервые такая шкала была осуществлена в 100-градусном интервале (0 – таяние, 100 – кипение)

- интервал температур.

Возможность осуществления такой шкалы появилась с открытием газовых законов, на основе которых были созданы газовые термометры.

закон Шарля

- коэффициент температурного расширения.

закон Гей-Люссака.

Рассмотрим закон Шарля:

=0; t = -1/β

Термодинамическая шкала неудобна при воспроизведении, поэтому имеются ее усовершенствования.

МТШ27 – международная температурная шкала 1927г., построена на шести реперных (постоянных) точках, значения температур которых определялись в разных странах газовыми термометрами. В промежутках между точками шкалы температуры воспроизводились с помощью эталонов (платиновый преобразователь температуры, платинородий-платиновая термопара, пирометр излучения) и интерполяционных формул.

МПШ-48 (международная практическая температурная шкала) – вместо температуры плавления льда ввели тройную точку воды, которая лежит на 0, 01 С выше точки плавления льда.

МПТШ-68 – охватывала больший температурный интервал от 13, 81 до 6300К (13, 81 – тройная точка равновесного водорода, 54К – тройная точка кислорода, и т.д.).

МТШ-90 – тот же интервал, но другие, более точные реперы.

 

Термометры расширения.

Бывают:

1. Жидкостные стеклянные термометры (ЖСТ).

2. Дилатометрические термометры (ДТ).

 

Принцип действия ЖСТ основан на различии коэффициентов теплового объемного расширения жидкости и стеклянной оболочки, в которой она находится.

- изменение объема.

- коэффициент объемного расширения.

- начальный объем при 0 С.

- видимый коэффициент расширения жидкости в стекле.

ЖСТ могут работать в интервале температур от –200 до 1200 С.

Для их изготовления используют специальные термометрические стекла, подвергаемые старению для снижения . Различают термометры со ртутным заполнением и органическими жидкостями.

Ртуть наиболее предпочтительна:

· имеет стабильный

· не смачивает стекло (не образуется миниск)

· она электропроводна и на ее основе созданы электроконтактные термометры.

Температура затвердевания ртути – -38, 87 С, температура кипения – 356, 7 С. Для поднятия верхней точки пространство над ртутью заполняют газом под давлением, для расширения вниз используют амальгама – смесь ртути и металла.

Ртутные термометры: максимальные (столбик не опускается сам), минимальные, глубинные.

Термометры с органическими наполнителями используют для измерения отрицательных температур Этиловый спирт – до -100 С; пентан - до -190 С; толуол - до -90 С. Но все эти жидкости имеют неравномерный коэффициент объемного расширения (неравномерная шкала) и смачивают стекло.

Конструктивно ЖСТ делятся на:

1. палочные

2. с вложенной шкалой

3. с наружной шкалой

Палочные состоят из толстостенного капилляра (наружный диаметр 6   8мм, внутренний – 0, 1   0, 15мм). Шкала нанесена на наружной стенке капилляра. Используются в качестве образцовых.

С вложенной шкалой – технические термометры. - тонкостенный капилляр, прикрепленный к пластинке молочного стекла со шкалой, и все в стеклянном футляре. Бывают максимальные и минимальные термометры на их основе.

С наружной шкалой – тонкостенный капилляр на пластинке (бытовые термометры).

 

Дилатометрические термометры.

Принцип действия основан на различии тепловых коэффициентов линейного расширения двух металлов. Один – с очень высоким, другой – с маленьким коэффициентом линейного расширения.

 

чтобы уменьшить динамические погрешности трубка обычно бывает из латуни, меди, алюминия (высокий α ). Стержень выполняется из инвара .

К этой же группе относятся и биметаллические термометры (2 металла жестко соединены).

 

 

Изгибание в сторону с меньшим .

 

 

3. Манометрические термометры.

 

Принцип действия основан на зависимости давления среды, находящейся в замкнутом объеме, от температуры этой среды. В зависимости от заполняющей среды: газовые, жидкостные, конденсационные.

1 – термобаллон

2 – капилляр

3 – манометр

 

Термобаллон обычно выполняется в виде трубки из нержавеющей стали, диаметром 20мм и длиной 400   500мм. Капилляр имеет внутренний диаметр 0, 2   0, 5мм и длину 0, 6…60м, и выполняется из меди или из стали. Для защиты капилляр помещают внутри гибкого металлического рукава.

Газовые манометры заполняют газами (азот, гелий). Давление газа, в зависимости от температуры, характеризуется законом Шарля.

- начальное давление (при 0 С)

-коэффициент теплового объемного расширения газов

При 0 С создают начальное давление:

Приращение давления:

Эти термометры могут работать от –160 до 600 С.

Обычно для заполнения используют азот, реже аргон.

Погрешность определяется изменением температуры окружающей среды, действующей на манометр и

капилляр:

,

где - изменение температуры манометра;

- изменение температуры капилляра;

, , - объемы баллона, манометра, капилляра.

Класс точности 1 – 1.5.

 

Жидкостные термометры заполняются жидкостью. Работают в интервале температур от –150 до 300 С.

Внутри системы создается начальное давление 1 – 3МПа, чтобы поднять точку кипения жидкости и расширить диапазон.

- коэффициент объемного расширения жидкости.

- коэффициент линейного расширения материала термобаллона.

В качестве заполняющих жидкостей используется полиметилсилоксановая жидкость(ПМС) и ртуть (раньше использовали).

Погрешности те же, вызванные изменением температуры окружающей среды, действующей на манометр и капилляр. Для их уменьшения внутрь капилляра помещают инварную проволоку, которая не расширяется при нагревании.

Конденсационные термометры.

В них термобаллон лишь частично заполнен низкокипящей жидкостью, а сверху находится насыщенный пар этой жидкости. При изменении температуры изменяется давление насыщенного пара. Это изменение подается в манометр.

Достоинство: показания не зависят от температуры окружающей среды, т.к. давление насыщенного пара над жидкостью определяется лишь температурой этой жидкости, находящейся в баллоне.

Диапазон измерений от –60 до 300 С.

В качестве рабочей жидкости используют этиловый спирт, ацетон.

 

4. Термопреобразователи сопротивления.

 

Принцип действия основан на зависимости активного сопротивления проводников и полупроводников от температуры.

В общем случае

R₀ – начальное сопротивление при 0 С.

- температурный коэффициент сопротивления

У проводников > 0, у полупроводников, как правило, < 0.

У проводников, при изменении температуры на 10 С, сопротивление меняется на 4%. Это связано с увеличением хаотического движения.

- т.е. можно считать, что он практически не меняет сопротивления от температуры.

Промышленные термометры изготавливают из платины, меди и никеля.

Платина – наиболее отвечает всем требованиям.

Она жаростойка (-200  1100 С).

Статическая характеристика имеет вид:

- для положительной температуры.

- для отрицательной температуры.

Параметры a, b, c определяют по реперным точкам.

На основе платиновых термометров изготавливают образцовые (эталонные).

Медь – дешевая, легко получить в чистом виде, но легко окисляется, поэтому диапазон температур –

200  200 С, зато можно пользоваться линейной формулой: .

У меди высокий - положительное качество.

Недостаток – низкое удельное сопротивление, т.к.

Но медь дешевая, поэтому получила распространение.

Никель – он имеет высокий α. Но его трудно получить в чистом виде. Наличие примесей искажает

характеристики.

Промышленные термопреобразователи сопротивления.

 

Тип термометра	Начальное сопротивление, Ом	Обозначение	Диапазон температур,  С
ТСП – Термометры Сопротивления Платиновые	(46)	10П (Гр20) (Гр21) 50П 100П (Гр22)	-200  1000 -260  1000 -260  1000 -260  1000
ТСМ – Термометры Сопротивления Медные	(53)	10М 50М (Гр23) 100М (Гр24)	-50  200 -50  200 -50  180 -200  200

 

В скобках – старая градуировка.

 

Бывают 5 классов точности.

В ТСП используется платиновая проволока диаметром 0, 07мм внутри металлического каркаса.

В ТСМ медная проволока намотана на катушку бифилярно (провод сложен пополам, чтобы токи шли

навстречу друг другу). Катушки диаметром 5мм и длиной 20мм.

По конструкции ТС бывают одинарные, двойные, многозонные.

По инерционности:

малой инерционности (постоянная времени < 1 мин);

средней инерционности (постоянная времени = 1 мин);

большой инерционности (постоянная времени > 1 мин).

 

⇐ Предыдущая31323334353637383940Следующая ⇒

Поделиться: