Курс лекций для студентов специальности 092108 Теплогазоснабжение и вентиляция
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
2. ИЗМЕРЕНИЕТЕМПЕРАТУР 2.1. Температураитемпературныешкалы Температура – степень нагретости вещества Данное понятие основано на способности передавать тепло различными телами ( веществом ) друг другу при разной степени их нагретости и находиться в состоянии теплового равновесия при равных температурах Причем тепло всегда передается от тела с более высокой температурой к телу с низкой температурой Температура может быть также определена как параметр теплового состояния вещества , обуславливаемый средней кинетической энергией движения его молекул Отсюда очевидно , что понятие « температура » для одной молекулы неприменимо , т к при какой - либо конкретной температуре энергия одной молекулы не может быть охарактеризована средним значением Из данного положения следует , что понятие « температура » является статистическим Температура измеряется приборами , которые называются термометрами , в основу работы которых могут быть заложены различные физические принципы Возможность измерения температуры такими приборами основывается на явлении теплового обмена телами с разной степенью нагретос ти и изменении их физических ( термометрических ) свойств при нагревании ( охлаждении ). Для количественного определения температуры необходимо выбрать ту или иную температурную шкалу Температурные шкалы строятся на основе определенных физических свойств какого - либо вещества , которые не должны зависеть от посторонних факторов и должны быть точно и удобно замеряемыми На самом деле не существует ни одного термометрического свойства для термометрических тел или веществ , которые бы полностью удовлетворяли указанным условиям во всем диапазоне измеряемых температур Поэтому температурные шкалы определяются для различных температурных диапазонов , построенных на произвольном допущении линейной зависимости 29 между свойством термометрического тела и температурой Такие шкалы называются условными , а измеряемая по ним температура – условной К условной температурной шкале относится одна из распространенных шкал - шкала Цельсия По этой шкале в качестве границ условного диапазона измерения приняты точки плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении , а одну сотую часть данной шкалы принято называть одним градусом Цельсия (1 0 С ). Однако , построение такой температурной шкалы с использованием жидкостных термометров может привести к ряду затруднений , связанных со свойствами используемых термометрических жидкостей Например , показания ртутного и спиртового термометров , работающих на принципе расширения жидкости , будут различными при измерении одной и той же температуры в силу различных коэффициентов их объемного расширения Поэтому для усовершенствования условной температурной шкалы было предложено использование газового термометра с использованием газов , свойства которых незначительно отличались бы от свойств идеального газа ( водород , гелий , азот и др .). С помощью газового термометра измерение температуры может быть основано на изменении объема или давления газа в замкнутой термосистеме : const P V f T = = ) ( либо const V P f T = = ) ( На практике более широкое распространение получил способ , основанный на измерении давления при пос тоянном объеме , т к является более точным и легко реализуемым Для создания единой температурной шкалы , не связанной с термометрическими свойствами различных веществ для широкого интервала температур , Кельвином была предложена шкала температур , основанная на втором законе термодинамики Эта шкала получила название термодинамической температурнойшкалы В ее основе лежат следующие положения : 30 Если при обратимом цикле Карно тело поглощает теплоту Q 1 при температуре Т 1 и отдает тепло Q 2 при температуре Т 2 , то должно соблюдаться следующее равенство : 2 1 2 1 Q Q T T = (2.1) Согласно положениям термодинамики данное соотношение не зависит от свойств рабочего тела Термодинамическая температурная шкала Кельвина стала использоваться как исходная шкала для других температурных шкал , не зависящих от термометрических свойств рабочего вещества Для определения одного градуса по этой шкале интервал , находящийся между точками плавления льда и кипения воды , делится , как и в стоградусной шкале Цельсия , на сто равных частей Таким образом , 1 0 С оказывается равным 1 0 К По данной шкале , принятой называться абсолютной за нулевую точку принимается температура на 273,15 0 ниже точки плавления льда , называемая абсолютным нулем Теоретически доказано , что при этой температуре прекращается всякое тепловое движение молекул любого вещества , поэтому эта шкала в известной мере носит теоретический характер Между температурой Т , выраженной в Кельвинах , и температурой t, выраженной в градусах Цельсия , действует соотношение : t = Т – Т 0 , (2.2) где Т 0 = 273,15 К Из существующих термометров наиболее точно реализуют абсолютную температурную шкалу газовые термометры в интервале не выше 1200 0 С Использование этих термометров при более высоких температурах сталкивается с большими трудностями , кроме того , газовые термометры являются достаточно сложными и громоздкими приборами , что для практических целей неудобно Поэтому для практического и удобного воспроизведения термодинамической шкалы в широких диапазонах изменения температур приняты и используются Международные практические 31 температурные шкалы ( МПТШ ). В настоящее время действует принятая в 1968 году температурная шкала МПТШ -68, построение которой базируется на реперных точках , определяемых фазовым состоянием веществ Данные реперные точки используются для эталонизации температур в различных диапазонах , которые приведены в табл . 2.1. Таблица 2.1 - Основные реперные точки по МПТШ -68 Значение температуры N пп Состояние фазового равновесия К 0 С 1 Тройная точка равновесного водорода 13,81 -259,34 2 Точка кипения равновесного водорода 20,28 -252,89 3 Равновесие между жидкой и парообразной фазами неона 27,102 -246,048 4 Тройная точка равновесного кислорода 54,361 -218,789 5 Точка кипения кислорода 90,188 -182,962 6 Тройная точка воды (основная точка) 273,16 0,01 7 Равновесие между жидкой и парообразной фазами воды 373,15 100 8 Равновесие между твердой и жидкой фазами цинка 692,73 419,58 9 Равновесие между твердой и жидкой фазами серы 717,75 444,6 10 Равновесие между твердой и жидкой фазами серебра 1235,08 961,93 11 Равновесие между твердой и жидкой фазами золота 1337,58 1064,43 *) тройная (двойная) равновесные точки веществ означают одновременное существование соответствующего количества фаз рассматриваемого вещества. В нас тоящее время наряду с выражением температуры в кельвинах ( К ) и градусах Цельсия ( 0 С ) за рубежом часто используют градусы Фаренгейта ( 0 F), градусы Ранкина ( 0 Ra) и градусы Реомюра ( 0 Re). Пересчет числовых значений температуры из одной шкалы в другую осуществляется по следующим соотношениям : Re 4 5 ) 15 273 ( 9 5 ) 32 ( 9 5 15 273 0 0 0 0 n Ra n F n nK C n = − = − = − = (2.3) Пример пересчета реперных точек стоградусной термодинамической шкалы приведен в таблице 2.2. Таблица 2.2 Градусы С К F Ra Re Температура плавления льда 0 273,15 32,04 273,15 0 Температура кипения воды 100 373,15 212 453,15 80 32 2.2. Термометры, работающиенапринципахрасширенияиизменения давлениярабочеговещества 2.2.1. Термометрыстеклянныежидкостные Термометры с теклянные жидкостные используются для измерения температур в достаточно широком диапазоне , с границами от минус 200 до 750 0 С Эти термометры получили широкое распространение как в промышленности , так и в лабораторной практике Рабочим веществом в жидкостных термометрах в зависимости от измеряемых температур могут использоваться различные жидкости , а корпуса термометров изготавливаются из стекла различных марок ( боросиликатное и кварцевое стекло ). Область применения стеклянных термометров , а также значения коэффициентов видимого и действительного расширения приведены в таблице 2.3. Принцип дейс твия таких термометров основан на тепловом расширении рабочей жидкости , заключенной в рабочий объем термометра , состоящий из резервуара и капилляра Для жидкостных термометров расчет шкалы осуществляется по следующей формуле : ) ( 1 2 1 2 1 1 t t V V V V t t − − − + = , (2.4) где t – измеренная температура ; V- объем жидкости при данной температуре ; t 1 , t 2 – температура таяния льда и кипения воды , соответственно ; V 1 , V 2 – объемы жидкости при температурах t 1 и t 2 При этом показания жидкостного термометра зависят не только от объемного расширения жидкости , но и от расширения стеклянного резервуара и капилляра Поэтому видимое расширение жидкос ти будет несколько меньше действительного , а именно на величину объемного расширения стекла Из жидкостных термометров наибольшее распространение получили термометры с ртутным заполнением , т к она не смачивает стекла , в отличие от органических жидкос тей , тем самым уменьшается дополнительная погрешность , а также ос тается жидкой в интервале температур от – 38, 8 до +356,5 0 C при нормальном давлении Для увеличения верхней границы диапазона измерения в капилляр над ртутью закачивается инертный газ с 33 избыточным давлением , что приводит к повышению температуры кипения ртути Так , например , при измерении температуры от +500 0 С давление газа в термометре может составлять 20 кгс / см 2 и более Таблица 2.3 - Характеристики жидкостных стеклянных термометров Пределы измерения, 0 С Коэффициент объемного теплового расширения, К -1 Жидкость нижний верхний действительный видимый Ртуть - 35 750 0,00018 0,00016 Керосин - 60 300 0,00095 0,00093 Этиловый спирт - 80 70 0,00105 0,00103 Толуол - 90 200 0,00109 0,00107 Петролейный эфир - 120 25 0,00152 0,00150 Пентан - 200 20 0,00092 0,00090 Конструктивно формы стеклянных жидкостных термометров разнообразны, однако среди этого разнообразия можно выделить два основных типа конструкций: палочные и со вложенной шкалой, которые представлены на рис. 2.1а и 2.1б. Палочные термометры представляют собой толстостенный капилляр с внешним диаметром 6—8 мм, у которого непосредственно на внешней поверхности стеклянного капилляра наносятся деления шкалы. Особенностью второй конструкции является то, что его шкала изготавливается на отдельной прямоугольной стеклянной пластинке молочного цвета, помещенной позади капиллярной трубки. Кроме того, у таких термометров к резервуару припаяна защитная стеклянная оболочка, в которой и находится как капилляр, так и шкальная пластина. Термометры со вложенной шкалой обладают большей инерционностью, чем палочные, но они более удобны для наблюдения при измерении температур в лабораторных и производственных условиях. 34 а б Рис . 2.1 - Термометры а - палочный ; б - вложенная шкала ; 1 - резервуар ; 2 - капилляр ; 3 - шкала ; 4 - стеклянный корпус Рис .2.2 - Технические термометры 1 - резервуар ; 2 - капилляр ; 3 - шкала ; 4 - оболочка ; 5 - нижняя часть термометра ( l) . Для повышения точнос ти измерения температуры применяются термометры с укороченной шкалой Термометры такого типа выпускаются в основном со вложенной шкалой с ценой деления от 0,01 0 С до 0,1 0 С в зависимости от температурного диапазона шкалы Данные термометры применяются для лабораторных точных измерений и имеют четыре типоразмера Технические характеристики этих термометров приведены в таблице 2.4. Ртутные технические термометры предназначаются для измерения температур в диапазоне от -30 до +600 0 С , а термометры с органическими жидкостями от -90 до +30 0 С и от -60 до +200 0 С Технические термометры изготовляются только со вложенной шкалой , прямыми и угловыми ( угол изгиба составляет 90 0 ), причем их нижняя часть выполняется длиной от 66 до 2000 мм и при измерениях должна быть полностью погружена в измеряемую среду Общий вид технических термометров приведен на рис . 2.2. 35 Таблица 2.4 - Характеристики ртутных термометров для точных измерений Тип термометра Измеряемые температуры, 0 С Диапазон измерений, 0 С Цена деления, 0 С Количество термометров в типоразмере ТР-1 0-60 4 0,01 15 ТР-П 55-155 10 0,02 10 ТР-Ш 140-300 20 0,05 8 ТР-IV 300-500 50 0,1 4 Допустимые погрешности для показаний лабораторных и технических термометров в зависимости от интервалов измеряемых температур и цены деления приведены в табл . 2.5. Погрешнос ти , приведенные в этой таблице , действительны для термометров , рассчитанных на измерение температуры как при погружении до отсчитываемого делания , так и при постоянной глубине погружения Таблица 2.5 - Допустимые погрешнос ти термометров Температурные интервалы Допустимая погрешность при цене деления, 0 С от до 0,1 и 0,2 0,5 1 2 5 и 10 - 30 0 - ± 1 ± 1 ± 2 - + 1 + 100 ± 0,2 ± 1 ± 1 ± 2 - + 101 + 200 - ± 1 ± 2 ± 3 ± 5 + 201 +300 - ± 2 ± 3 ± 4 ± 5 + 301 + 400 - - ± 4 ± 5 ± 10 + 401 + 500 - - ± 5 ± 5 ± 10 Широкое распространение среди жидкостных ртутных термометров получили электроконтактные термометры , которые применяются для целей сигнализации и прос тейшего регулирования тепловыми объектами , при этом столбик ртути представляет собой замыкающий контакт Эти термометры выпускаются с постоянно впаянными несколькими контактами ( тип термометра ТЭК ) или с одним , но переменным контактом , который переустанавливается внутри капилляра при помощи специальной магнитной муфты ( тип ТПК ). На 36 рис .2.3 приведены разновиднос ти электроконтактных термометров Электроконтактные термометры применяются для цепей постоянного и переменного тока , а настройка температуры контактирования осуществляется по контрольному термометру Данные термометры могут изготавливаться прямыми и угловыми , а также иметь защитную оправку б ) Рис . 2..3 - Термометр электроконтактный : а – ТЭК ; б - ТПК 1 - нижняя часть термометра (/); 2 - металлические контакты, впаянные в капилляр; 3 -зажимы, соединенные с контактами. Для термометров типа ТЭК минимальные интервалы между соседними контактами не должны быть менее 1/10 диапазона температур контактирования , а допускаемая погрешность показаний по шкале ТЭК не должна быть более наименьшей цены деления Электроконтактный термометр переменного контактирования типа ТПК ( см рис . 2.3 б ) имеет две шкалы : нижнюю – рабочую и верхнюю – вспомогательную Верхняя шкала нанесена на шкальную пластинку , расположенную вдоль овальной стеклянной трубки 1, соединенной с капилляром 2. Указателем этой шкалы при нас тройке термометра является гайка 3, которая может перемещаться по микровинту 4. Верхний конец микровинта жестко соединен со стальным цилиндрическим якорем 5, а нижний его конец опирается на подпятник 6. Вращение якоря и микровинта , а также перемещение овальной гайки по винту осуществляется с помощью постоянного магнита 7, установленного на колпачке 8, который надет на стеклянную трубку , припаянную к овальной трубке 1. 37 Термометр имеет один неподвижный и один подвижный контакт Неподвижный контакт 9, соединенный с медным проводом 10, впаян в капилляр ниже нулевой отметки основной шкалы Подвижный контакт 11 выполнен из тонкой вольфрамовой проволоки , верхний конец которой закреплен в овальной гайке 3. Этот контакт соединен с медным проводом 12 следующим образом : подвижный контакт - подпятник ; подпятник - выводной проводник , впаянный в овальную трубку ; выводной проводник - медный провод 12. Нижняя часть вольфрамовой проволоки проходит через отверстие в подпятнике , далее соприкасается с выводным проводником , припаянным к подпятнику , и затем проходит через отверс тие направляющей стеклянной втулки 13, впаянной в расширенную часть капилляра Таким образом , нижний конец вольфрамовой проволоки , находящийся в измерительном капилляре , является подвижным контактом термометра Если овальная гайка будет передвинута по микровинту с помощью магнита на определенную отметку верхней шкалы , то нижний конец вольфрамовой проволоки ( подвижный контакт ) будет установлен против соответствующей отметки нижней основной шкалы При нагревании ( охлаждении ) нижней час ти термометра до заданной температуры ртуть в капилляре соединит ( разомкнет ) нижний контакт с подвижным контактом Допускаемые отклонения отсчета по шкале электроконтактного термометра типа ТПК при его настройке не должны превышать также цены наименьшего деления Для электроконтактных термометров типа ТПК для электрических коммутаций применяются универсальные промежуточные реле , работающие от напряжения 24, 48 и 110 вольт постоянного тока , а также 36, 110, 127 и 220 вольт переменного тока Необходимо отметить , что нагрузка на контактах термометра не должна превышать 0,5 мА при напряжении не больше 0,3 В Применяются также электроконтактные ртутные термометры палочные бесшкальные Они имеют металлические контакты , впаянные в толстос тенный капилляр в местах , соответствующих определенным температурам 38 Электроконтактные палочные термометры могут работать в цепях пос тоянного и переменного тока при допускаемой разрывной мощности электрических контактов не более 2- х ватт при силе тока не более 0,2 ампера При использовании с теклянных жидкостных термометров , особенно для точных ( лабораторных ) измерений температуры , необходимо учитывать процесс старения стекла , который вызывает смещение нулевой точки и на которое необходимо вводить поправку Как известно , стекло обладает значительным термическим последствием , выражающимся в том , что оно после нагревания до размягчения претерпевает молекулярное перемещение В силу этого свойства резервуар термометра при охлаждении после временного нагрева принимает первоначальный объем , соответс твующий температуре до нагрева в течение длительного времени , что особенно характерно для вновь изготовленных термометров Такой процесс называется естественным старением стекла Уменьшение влияния этого воздействия на результаты измерения в значительной мере может быть уменьшено искусственным старением , т е продолжительным нагревом ( отжигом ) термометра до температуры , равной верхнему пределу шкалы , с постепенным его охлаждением до комнатной температуры Поправка к показаниям термометров на смещение нулевой точки определяется в соответс твии со следующим выражением : ∆t = t 0 – t 0 ′, (2.5) где t 0 – паспортное положение нулевой точки ; t 0 ′ - положение нулевой точки , определенное экспериментально Пример |