Конспект лекции. Лекция Введение. Основные понятия и определения. Измерения, результат измерения, погрешности измерения и их классификация, достоверность измерения. Введение
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Жидкостные стеклянные термометры Самые старые устройства для измерения температуры — жидкостные стеклянные термометры — используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой оно находится (термометрического стекла или реже кварца). Жидкостной термометр состоит из стеклянных баллона 1, капиллярной трубки 3 и запасного резервуара 4 (см. рисунок 14.1). Термометрическое вещество 2 заполняет баллон и частично капиллярную трубку. 81 Рисунок 14.1 - Общий вид жидкостного стеклянного термометра Свободное пространство в капиллярной трубке и в запасном резервуаре заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом (при температурах меньше +100°С). Запасный резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра от порчи при чрезмерном перегреве. Основные разновидности жидкостных стеклянных термометров показаны на рисунке 14.2. Рисунок 14.2 - Основные разновидности жидкостных стеклянных термометров: а — технический, ртутный, с вложенной шкалой, прямой; б и в — угловые; е - лабораторный, ртутный, палочный; д — то же, с вложенной 82 шкалой; е — спиртовой, для наружного воздуха, с прикладной шкальной пластинкой; ж— ртутный, электроконтактный, с неподвижными контактами. О температуре судят по величине видимого изменения объема термометрического вещества. Температуру отсчитывают по высоте уровня в капиллярной трубке. Градусная шкала наносится либо непосредственно на внешнюю поверхность массивного толстостенного капилляра (палочный термометр), либо на специальную шкальную пластинку, располагаемую внутри внешней стеклянной оболочки термометра (термометр с вложенной шкалой), либо на прикладную шкальную пластинку, к которой прикрепляется капиллярная трубка. В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале температур. Некоторым недостатком ртути является малое значение ее коэффициента расширения. Нижний предел измерения ограничивается температурой затвердевания ртути и равен минус 35°С. Верхний предел измерения ртутным термометром определяется допустимыми температурами для стекла: 600°С у образцовых термометров и 500°С у технических (ГОСТ 2823—59). При замене стекла кварцем верхний предел измерения несколько увеличивается. Так как температура кипения ртути при нормальном атмосферном давлении равна 35б,58°С, то для термометров, предназначенных для измерения высоких температур, пространство над ртутью в капиллярной трубке заполняется инертным газом под давлением. Для термометров со шкалой до 500°С давление газа достигает 20 бар (20- 10 5 н/м 2 ). Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров — простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления. К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний (если исключить применение замедленной киносъемки), передачи показаний на расстояние (если не пользоваться средствами телевидения) и ремонта (разбитый термометр восстановить нельзя!). Биметаллические и дилатометрические термометры Действие биметаллических и дилатометрических термометров основано на термометрическом свойстве теплового расширения различных твердых тел. В биметаллических термометрах в качестве чувствительного элемента используют пластинки или ленты, состоящие из двух слоев разнородных металлов, характеризуемых различными коэффициентами теплового расширения. Чаще всего применяют медноцинковый сплав — латунь (70% Cu + 30% Zn) и сплав железа с никелем - инвар (64% Fe + 36% Ni), с существенно различными коэффициентами теплового расширения: порядка 0,000019 град -1 для латуни и 0,000001 град -1 для инвара. При изменении температуры 83 биметаллической пластинки она деформируется (см. рисунок14.3) вследствие неодинакового расширения отдельных слоев пластинки. Если закрепить неподвижно один конец пластинки, то по перемещению другого конца, соединенного с указателем, можно судить об изменении температуры. Чувствительные элементы биметаллических термометров обычно выполняют в форме спиралей, соединяемых со стрелочным указателем. Такие термометры класса точности 2,0 или 2,5 применяют для измерения температуры атмосферного воздуха. Биметаллические элементы используют иногда для корректировки показаний измерительных приборов при изменении температуры окружающей среды (см. рисунок 14.3). Рисунок 14. 3 - Схема чувствительного элемента биметаллического термометра: а — при нормальной температуре; б— при повышенной; 1 — латунь; 2 — инвар Дилатометрические термометры как указатели температуры обычно не применяют. Их используют в качестве устройств информации (датчиков) в системах автоматического регулирования. На рисунке 14.4 показано одно из таких устройств. Рисунок 14.4 - Схема дилатометрического устройства измерения температуры Чувствительный элемент выполнен из металлической оболочки 1 и кварцевого или фарфорового стержня 2. Рычаги 3 и 4 пропорционально увеличивают разность расширения оболочки и стержня и создают входной 84 сигнал для гидравлического усилительного устройства 5 автоматического регулятора температуры в трубопроводе 6. Биметаллические и дилатометрические термометры на практике применяют сравнительно редко Манометрические термометры Манометрические термометры предназначаются для измерения тем- пературы жидких и газообразных сред в стационарных условиях в интервале от -150 до 600 0 С. Манометрические термометры часто используют в системах автоматического регулирования температуры, как бесшкальные устройства информации (датчики). Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит (см. рисунок 14.5) из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, — металлического термобаллона 1, рабочего элемента манометра 2, измеряющего давление в системе, и длинного соединительного металлического капилляра 3. При изменении температуры 'измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры. Рисунок 14.5 - Схема манометрического термометра Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности: 1) жидкостные, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнена жидкостью; 2) конденсационные (по старым терминологиям: паровые или парожидкостные), в которых термобаллон заполнен частично жидкостью с низкой температурой кипения и частично — ее насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр — насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жидкостью; 3) газовые, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и капилляр) заполнена инертным газом. Достоинствами манометрических термометров являются: сравни тельная простота конструкции и применения, возможность дистанционного измерения температуры (передачи показаний на расстояние) и возможность автоматической записи показаний. 85 К недостаткам манометрических термометров относятся: относительно невысокая точность измерения (класс точности 1,6; 2,5 или 4,0 и реже 1,0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 м) и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы. В жидкостных манометрических термометрах в качестве термо- метрического вещества чаще всего используют ртуть для измерений в интервале температур от -25 до 600°С и реже органические жидкости: метиловый спирт или ксилол С 6 Н 4 (СНз) 2 для измерений в интервале температур от -80 до 320°С. Измерительная система заполняется термометрическим веществом под большим начальным давлением (при температуре заполнения). Это необходимо для того, чтобы снизить возможные дополнительные погрешности за счет гидростатического давления жидкости. Манометрические термометры не имеют большого применения на тепловых электрических станциях. В промышленной теплоэнергетике они встречаются чаще, особенно в случаях, когда по условиям взрыве- или пожаробезопасности нельзя использовать электрические методы дистанционного измерения температуры. Поверка показаний манометрических термометров производится теми же методами и средствами, что и стеклянных жидкостных. Контрольные вопросы: 1. В чем заключается особенности жидкостных термометров? 2. Какими методами можно измерить температуру? 3. Как измеряют температуру косвенным путем? 15 лекция. Термометры сопротивления Общие сведения о термометрах сопротивления Измерение температуры по электрическому сопротивлению тел (обычно металлических) основывается на зависимости их сопротивления от температуры. У большинства чистых металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается приблизительно на 0,4% -град -1 , а у металлов ферромагнитной группы (железо, никель, кобальт) - приблизительно на 0,65% - град"1. Металлические сплавы имеют более низкие температурные коэффициенты вплоть до значений, близких к нулю. Очень большие отрицательные температурные коэффициенты, когда сопротивление уменьшается с увеличением температуры, наблюдаются у некоторых полупроводниковых соединений. Электрические термометры сопротивления практически позволяют измерять температуру с высокой степенью точности — до 0,02°С, а при измерениях небольшой разности температур — до 0,0005°С. Обязательное наличие источника тока, а также большие размеры чувствительного элемента у термометров сопротивления ограничивают их применение. Если у термопар температура определяется в точке соединения двух термоэлектродов, то у термометров сопротивления — на участке некоторой длины. 86 Чаще применяют металлические термометры сопротивления. Материалы для термометров сопротивления должны обладать следующими свойствами: а) высоким удельным сопротивлением; б) высоким температурным коэффициентом; в) химической инертностью; г) легкой технологической воспроизводимостью; д) дешевизной; е) постоянством физических свойств во времени. Металлические сплавы, обладающие обычно высоким удельным сопротивлением, но небольшим температурным коэффициентом, непригодны в качестве материала для термометров сопротивления. Неоднократные попытки широкого использования никеля и железа, обладающих большим температурным коэффициентом и высоким удельным сопротивлением, практически потерпели неудачу. Эти металлы в чистом виде получить трудно. Кроме того, они крайне слабо сопротивляются химическим воздействиям. По разным причинам отпала возможность использовать и многие другие металлы. Наиболее подходящими материалами для термометров сопротивления оказались платина (для измерений в интервале от —200 до 650°С) и медь (в интервале от —50 до +180°С). Платина — дорогостоящий материал, химически инертен и легко получается в чистом виде. Удельное сопротивление платины Q 0 = 0,0981 • 10 -6 ом∙м, при 0°С— достаточно большое. При температуре t полное сопротивление Rt (ом) термометра определяется зависимостями: для t>0 2 0 1 Bt At R R t (15.1) для t<0 100 1 2 0 t C Bt At R R t (15.2) Аналогичные зависимости имеет и удельное сопротивление Q t , ОМ/М Для платины марки Пл-2 (ГОСТ 8588—64), применяемой обычно в стандартных термометрах сопротивления, коэффициенты в (15.1) и (15.2) имеют значения: А =3,96847∙10 -3 град -1 ; В = -5,847∙ 10 -7 град -2 ; С= -4,22∙10 -12 град -4 Чистота платины характеризуется отношением сопротивления rioo при температуре 100°С к сопротивлению R 0 при 0°С. Для платины марки Пл-2 по (15.1) отношение Rm : R 0 = 1,391. Особо чистая платина марки Пл-0 характеризуется отношением R 100 :R 0 = 1,3925. Чем больше загрязнена платина, тем меньше это отношение. Медь обладает малым удельным сопротивлением Q 0 =0,0155-10 -6 Ом*м. Медь получается электролитическим путем, поэтому даже обычные торговые сорта меди отличаются высокой степенью чистоты. Медные провода в различной изоляции выпускаются в широком ассортименте практически любых сечений. Однако при высоких температурах наблюдается интенсивное окисление даже изолированных медных проводников, что ограничивает верхний предел измерения. Температура +180°С является допустимым пределом применения лаковой изоляции проводов. В применяемом интервале температур от -50 до +180°С сопротивление меди практически линейно зависит от температуры. Отношение R 100 : R 0 = 1,426. 87 Кроме чистых металлов, для термометров сопротивления используются также некоторые полупроводниковые материалы. При измерениях сопротивлений ток, протекающий по термометру, должен быть небольшим. Иначе выделение тепла может привести к заметной разности температур термометра и окружающей среды. Для технических термометров тепловая энергия, выделяемая в термометре, или мощность рассеивания должна быть не более 10 мет, а для полупроводниковых термометров (разных типов)— не более 0,3—2 мет. Платиновые термометры сопротивления Технические термометры (тип ТСП) чаще всего выполняются в конструктивной форме, показанной на рис. 15.1. Неизолированную платиновую проволоку 1 диаметром 0,07 мм бифилярно наматывают на слюдяную пластинку 2 с зубчатыми краями. Бифилярная намотка необходима для того, чтобы исключить появление индуктивного сопротивления. Пластинка с намотанной на ней платиновой проволокой покрывается с двух сторон слюдяными пластинками таких же размеров. Все три пластинки скрепляются серебряной лентой 4 в пакет. К каждому концу платиновой проволоки приваривается подводящий провод 3 из серебра диаметром 1 мм. Подводящие провода изолируются фарфоровыми бусами 5 и присоединяются к зажимам на головке термометра. Такой чувствительный эле- мент помещают в тонкостенную алюминиевую трубку 6 (рис. 15.1), в нижней части которой расположен массивный вкладыш 7 с плоской прорезью для чув- ствительного элемента. Вкладыш улучшает условия теплопередачи от трубки к чувствительному элементу. Алюминиевую трубку вместе с подводящими прово- дами помещают во внешний защитный чехол 8, выполняемый обычно из сталь- ной трубы. Рисунок 15.1 - Конструктивная схема платиновых термометров сопротивления 88 а — схема бифилярной намотки проволоки на слюдяную пластинку 2; б— чувствительный элемент термометра в арматуре Внешний вид и размеры термометров такие же, как и у термоэлектрических термометров. Длина чувствительного элемента во всех конструкциях обычно не меньше 90—100 мм. Медные термометры сопротивления Медные термометры изготовляют только технические (тип ТСМ) и имеют обычно следующую конструктивную форму. Медная изолированная проволока диаметром 0,1 мм наматывается, обычно бифилярно, в несколько слоев на цилиндрическую пластмассовую колодку и покрывается глифталевым лаком. Концы проволоки припаиваются к подводящим медным проводам диаметром 1,0—1,5 мм, которые присоединяются к зажимам головки термометра. Чувствительный элемент помещают в тонкостенную металлическую гильзу (см. рисунок 15.2), а затем — во внешний защитный чехол с наружным диаметром 10, 14 или 21 мм в рабочей части (см. рисунок 15.3), общей длиной до 2000 мм. Рисунок 15.2 – Чувствительный элемент медного термометра сопротивления: а — без защитной гильзы; б — в защитной гильзе Термометры, предназначенные для измерения температуры воздуха при атмосферном давлении, имеют перфорированный внешний защитный чехол (см. рисунок 15.3,б). 89 Рисунок 15.3 - Внешний вид термометров сопротивления: а —в защитном чехле; б — для измерений температуры воздуха при атмосферном давлении Погрешности t измерения температуры за счет отклонений от градуировочных зависимостей R = f(t) по табл. 15.2 не должны превышать: для термометров класса II ….. t = ±(0,30+3,5∙10 -3 | t|) °С, для термометров класса III …. t = ± (0,30+60∙10 -3 |t |) «С. Таблица 15.2 – Зависимость сопротивления медных термометров от температуры (градуировочные таблицы) Температура, °С Сопротивление К для градуировки, ом Температура. 0 С Сопротивление R для градуи-ровки, ом гр 23 гр24 гр 23 гр 24 —50 41,7 1 78,70 + 75 69,93 131,95 -25 47,3 6 89,35 +100 75,58 142,60 0 53,0 0 100,00 +125 81,22 153,25 +25 58,6 5 110,65 +150 86,87 163,90 +50 64,2 9 121,30 +180 93,64 176,68 Термоэлектрические преобразователи Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на возникновении электрического тока в цепи, составленной из двух разнородных проводников, при нарушении теплового равновесия мест их контактирования. Замкнутая электрическая цепь (см. рисунок 15.4), состоящая из двух разнородных проводников-термоэлектродов а и b, образует термоэлектропреобразователь (в даль- 90 нейшем термопара). Спай Т 1 погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим спаем термопары, второй спай Т 2 носит название холодного или свободного. Рисунок 15.4 - Распределение потенциалов в цепи идеальной термопары Согласно электронной теории, во всех проводниках имеются свободные электроны. Число электронов, приходящихся на единицу объема, различно для проводников. По мере повышения температуры проводника концентрация свободных электронов о единице его объѐма возрастает. Эти свободные электроны диффундируют из мест с большей концентрацией в места с меньшей, т.е. в общем случае, когда концы проводника имеют разную температуру, свободные электроны диффундируют от горячего конца проводника к холодному. Следовательно, при электронной проводимости холодный конец проводника заряжается отрицательно, а нагретый – положительно. Термоэлектродвижущая сила, развивающаяся па концах однородного проводника (термоЭДС Томсона), зависит от его природы. Величина этой термоЭДС Е Ta для конкретною проводника а определяется соотношением 2 1 T T a Ta dT E (15.3) где a - коэффициент Томсона для данного проводника, зависящий от его материала а. Если замкнутая цепь состоит из двух различных однородных проводников а и Ь, то суммарная термоЭДС (Томсона) в цепи равна разности термоЭДС, возникающих в каждой ветви, и определяется по формуле 2 1 ) ( T T b a Tab dT E (15.4) т.е. в замкнутой цепи, состоящей из пары проводников а и Ь, суммарная термоЭДС зависит от абсолютных температур Т 1 и Т 2 в местах их соединений. Зеебек, проводя исследования термоэлектрических явлений в замкнутых цепях разнородных проводников, обнаружил, что в цепи, состоящей из двух разнородных проводников а и Ь, находящихся в соприкосновении при одинаковой температуре, вместе контакта возникает термоЭДС (явление Зеебека), вследствие разности концентраций свободных электронов в каждом из проводников и контактной разности потенциалов. Если число свободных электронов, приходящихся на единицу объѐма, обозначить соответственно через N a и N b и 91 принять, что N a > N b , , то электроны проводника а будут диффундировать в проводник b в большем количестве, чем обратно из проводника b в проводник а. Вследствие этого проводник а будет заряжаться положительно, проводник b отрицательно, при этом свободные концы проводников будут иметь некоторую разность потенциалов b a b a N N e kT U U ln (15.5) где е -заряд электрона; k -постоянная Больцмана. Изложенные выше закономерности позволяют заключить по термоЭДС в цепи, составленной из двух разнородных проводников, имеющих различные температуры мест их контактирования T 1 и Т 2 определится в следующем виде: ) ( ) ( ) , ( 2 1 2 1 T l T l T T E ab ab ab (15.6) Рисунок 15.5 - Схемы включения измерительного прибора в цепь термоэлектрического преобразователя Таким образом, если одно из мест контактирования термопары, составленной из термоэлектродов а и Ь, выдерживать при постоянной температуре (Т 2 = const), то термоЭДС ее Е ab(T1) будет зависеть только от температуры Т 1 . Следовательно, проградуировав ее, т. е. построив зависимость термоЭДС термопары от температуры Т 1 (рабочего конца) и выдерживая постоянной температуру Т 2 (свободного конца), можно в дальнейшем по величине измеренной термоЭДС определить температуру рабочего спая. Обычно градуировку термопары производят при температуре свободных концов Т 2 = 273,75 К (0°С) Следует отметить, что рассматриваемый термоэлектрический эффект обладает и обратным свойством, заключающимся в том, что если в такую цепь извне подать электрический ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться (эффект Пельтье). Для измерения термоЭДС в цепь термопары включается измерительный прибор (милливольтметр, потенциометр и т.п.) по одной из двух схем (см рисунок 15.5). Подключение измерительного прибора в контур термопары по обеим схемам (см. рисунок 15.5а, б) одинаково правомочно. Влияние третьего проводника с не оказывается при равенстве температур 2 и 3 (см. рисунок 15.5, а) или 3 и 4 (см. рисунок 15.5, б). |