термометры. Практическая работа термометры. Время работы 6 часов. Классификация приборов для измерения температуры
 Скачать 26.28 Kb.
|
|
Практическая работа Приборы для измерения температуры. Температурные шкалы. Цель: Изучить приборы для измерения температуры и температурные шкалы. Время работы: 6 часов. Классификация приборов для измерения температуры В зависимости от методики измерений все типы термометров делятся на 2 класса: контактные и бесконтактные. Контактные – их отличительной особенностью является необходимость теплового контакта между датчиком термометра и средой, температура которой измеряется. Контактные приборы по принципу измерения делятся на: 1. Термометры расширения. 2. Манометрические термометры. 3. Термометры сопротивления. 4. Термопары. Бесконтактные - это такие термометры, для измерения которыми нет необходимости в тепловом контакте среды и прибора, а достаточно измерений собственного теплового или оптического излучения. Бесконтактные делятся на: пирометры излучения; радиометры; тепловизоры. Термометры расширения. Термометры широко применяют на практике. Почти все они основаны на тепловом расширении тел, точнее, на различном расширении разных тел. Эти тела могут быть твердыми, жидкими и газообразными. В зависимости от этого различают стеклянные жидкостные термометры и манометрические термометры. Стеклянные жидкостные термометры Принцип работы стеклянных жидкостных термометров основан на расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре, в зависимости от температуры. Стеклянные термометры подразделяются на термометры с вложенной шкалой и палочные. Термометр с вложенной шкалой состоит из стеклянного резервуара и припаянного к нему стеклянного капилляра. Вдоль капилляра расположена шкала, которая нанесена на пластине молочного стекла. Резервуар, капилляр и шкала размещены в стеклянной оболочке. Палочные стеклянные термометры состоят из толстостенных капилляров. Шкала термометра наносится на наружной поверхности капилляра. Шкалы термометров отградуированы в градусах Цельсия. В зависимости от диапазона измерения температуры применяются различные термометрические жидкости: ртуть (- 35 + 600°С); толуол (- 90 + 200°С); этиловый спирт (- 80 + 70°С); керосин (- 60 + 200°С); петролейный эфир (- 120 + 25°С); пентан (- 200° + 20°С). Наибольшее распространение в лабораторных исследованиях и в промышленности получили ртутные термометры, т.к. они обладают рядом преимуществ. Ртуть является несмачивающей жидкостью, которая сравнительно легко получается в химически чистом виде, а также ртуть остается жидкой в широком интервале температур. Достоинством стеклянных жидкостных термометров является высокая точность измерения, простота и дешевизна. К недостаткам следует отнести плохую видимость шкалы, невозможность автоматической регистрации показаний и ремонта термометра, тепловая инерционность. В зависимости от вида термометрического вещества различают газовые, жидкостные и конденсационные термометры. Действие манометрических термометров основано на зависимости давления манометрического вещества в герметически замкнутом объеме от температуры. Манометрические термометры предназначены для дистанционного измерения и регистрации температуры газов, паров и жидкостей. В некоторых случаях манометрические термометры изготавливаются со специальными устройствами, преобразующими сигнал в электрический и позволяющими производить регулирование температуры. Схема устройства манометрического термометра: 1 - термометрический баллон; 2 — капиллярная трубка; 3 — полая манометрическая пружина; 4 — тяга; 5 — зубчатый сектор; 6— стрелка; 7—шкала. В основу действия манометрических термометров положена зависимость давления рабочего вещества в замкнутом объеме от температуры. В зависимости от состояния рабочего вещества различают газовые, жидкостные и конденсационные термометры. Конструктивно они представляют собой герметичную систему, состоящую из баллона, соединённого капилляром с манометром. Термобаллон погружается в объект измерения и при изменении температуры рабочего вещества происходит изменение давления в замкнутой системе, которое через капиллярную трубку передается на манометр. В зависимости от назначения манометрические термометры бывают самопишущими, показывающими, безшкальными со встроенными преобразователями для дистанционной передачи измерений. Достоинство данных термометров является возможность их применения на взрывоопасных объектах. К недостаткам относится невысокий класс точности измерения температуры (1,5, 2,5), необходимость частой периодической поверки, сложность ремонта, большие размеры термобаллона. Термометрическим веществом для газовых манометрических термометров служит азот или гелий. Особенностью таких термометров является достаточно большой размер термобаллона и, как следствие, значительная инерционность измерений. Диапазон измерения температур составляет от -50 до +600°С, шкалы термометров равномерны. Принцип действия дилатометрических и биметаллических термометров основан на различии линейного расширения твердых тел, из которых изготовлены чувствительные элементы этих термометров. Схема дилатометрического термометра представлена на рис. 5. Термометр состоит из трубки 1, изготовленной из металла с большим коэффициентом линейного расширения (меди, латуни, алюминия), и стержня 2 из материала с малым коэффициентом линейного расширения (инвара, фарфора). Один конец трубки крепится неподвижно к корпусу прибора, а к другому жестко прикреплен стержень. Сама трубка помещается в среду, температуру которой измеряют. Изменение температуры среды приводит к изменению длины трубки, а длина стержня остается практически постоянной. Это приводит к перемещению стержня, который с помощью рычага 3 перемещает стрелку по шкале прибора. Принцип действия биметаллическихтермометров основан на различии температурных коэффициентов линейного расширения металлических пластин (например, из инвара и латуни, из инвара и стали), сваренных (спаянных, склепанных) между собой по всей плоскости соприкосновения. Нагревание приводит к деформации такой термобиметаллической пластины; последняя изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения (инвара) (рис. 5). Биметаллические термометры используются в качестве чувствительного элемента в температурных реле, а также для компенсации влияния температуры окружающей среды в измерительных приборах. Дилатометрические и биметаллические термометры для непосредственных измерений температуры применяются сравнительно редко. По принципу действия все термометры делятся на следующие группы, которые используются для различных интервалов температур: 1 Термометры расширения от —260 до +700 °С, основанные на изменении объемов жидкостей или твердых тел при изменении температуры. 2 Манометрические термометры от —200 до +600 °С, измеряющие температуру по зависимости давления жидкости, пара или газа в замкнутом объеме от изменения температуры. 3. Термометры электрического сопротивления стандартные от —270 до +750 °С, преобразующие изменение температуры в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников. 4. Термоэлектрические термометры (или пирометры), стандартные от —50 до +1800 °С, в основе преобразования которых лежит зависимость значения электродвижущей силы от температуры спая разнородных проводников. 5.Пирометры излучения от 500 до 100000 °С, основанные на измерении температуры по значению интенсивности лучистой энергии, испускаемой нагретым телом, 6.Термометры, основанные на электрофизических явлениях от -272 до +1000 °С (термошумовые термоэлектрические преобразователи, объемные резонансные термопреобразователи, ядерные резонансные термопреобразователи). Термопары являются датчиками температуры и работают в комплекте с вторичными приборами: милливольтметрами и потенциометрами. Термопара представляет собой спай из двух разнородных металлических проводников (термоэлектродов), которые предназначены для измерения температуры в объекте. Измерение температуры по электрическому сопротивлению металлов основывается на зависимости их сопротивления от температуры. Для изготовления проволочныхтермопреобразователей применяют медь, платину, никель, железо. Лучшим материалом, несмотря на дороговизну, является платина. Она инертна и длительное время сохраняет свои свойства в широком диапазоне температур от —260 до 1100°С. Недостатком меди является невысокое удельное сопротивление и интенсивное окисление ее в воздухе при температурах >200°С. Никель устойчив против окисления на воздухе до 400°С, однако применяется для измерения температур лишь до + 180°С из-за значительной нелинейности характеристики при более высоких температурах. Термопреобразователи изготавливаются из металла одинаковой чистоты, что проверяется измерением соотношения R0 и R100 (сопротивлений при температуре 0 и 100 °С соответственно). При поверке термопреобразователей сопротивлений достаточно измерить эти два сопротивления, чтобы быть уверенным в правильности их градуировки (номинальной статической характеристики) на всем рабочем диапазоне температур. Температурные шкалы. Наиболее популярные и получившие самое широкое распространение в мире шкалы температур - шкала Цельсия и Фаренгейта. Рассмотрим по порядку имеющиеся шкалы и попробуем сравнить их с точки зрения удобства использования и практической пользы. Наиболее известных шкал пять: 1. Шкала Фаренгейта была изобретена Фаренгейтом, немецким ученым. В один из холодных зимних дней 1709 года ртуть в термометре ученого опустилась до очень низкой температуры, которую он предложил принять за нуль по новой шкале. Другой реперной точкой стала температура человеческого тела. Температурой замерзания воды по его шкале стали +32°, а температурой кипения +212°. Шкала Фаренгейта не является особенно продуманной и удобной. Ранее она широко применялась в англоязычных странах, в настоящее время - практически только в США. 2. По шкале Реомюра, изобретенной французским ученым Рене де Реомюром в 1731 году, нижней реперной точкой служит точка замерзания воды. Шкала основана на использовании спирта, который расширяется при нагревании, за градус была принята тысячная часть объема спирта в резервуаре и трубке при нуле. Сейчас эта шкала вышла из употребления. 3. По шкале Цельсия (предложена шведом Андерсом Цельсием в 1742 году) за нуль принята температура смеси льда и воды (температура, при которой тает лед), другая основная точка - температура, при которой вода закипает. Интервал между ними решено было поделить на 100 частей, и одна часть принята за единицу измерения - градус Цельсия. Эта шкала более рациональна, чем шкала Фаренгейта и шкала Реомюра, и сейчас используется повсеместно. 4. Шкала Кельвина изобретена в 1848 году лордом Кельвином (английский ученый У. Томсон). На ней нулевая точка соответствовала самой низкой возможной температуре, при которой прекращается движение молекул вещества. Это значение было теоретически вычислено при изучении свойств газов. По шкале Цельсия это значение соответствует приблизительно - 273°С, т.е. нуль по Цельсию равняется 273 К. Единицей измерения новой шкалы стал один кельвин (первоначально именовался «градус Кельвина»). 5. Шкала Ранкина (по фамилии шотландского физика У. Ранкина) имеет тот же принцип, что у шкалы Кельвина, а размерность ту же, что шкала Фаренгейта. Эта система практически не получила распространения. Значения температур, которые дает нам шкала Фаренгейта и Цельсия, могут быть легко переведены друг в друга. При переводе «в уме» значений по Фаренгейту в градусы Цельсия нужно исходную цифру уменьшить на 32 единицы и умножить на 5/9. Наоборот (из шкалы Цельсия в Фаренгейта) - умножить исходное значение на 9/5 и добавить 32. Для сравнения: температура абсолютного нуля по Цельсию - 273,15 °, по Фаренгейту- 459,67°. Задания. Задание 1. Заполните таблицу.
Задание 2. Запишите в тетради коэффициенты пересчета температур. |