Лабораторная работа.
«Изучение способов измерения температуры»
Цель работы: углубить знания по курсу общей теплотехники и получить навыки экспериментального определения температуры тел.
В работе необходимо:
1. Измерить температуру нагревательной поверхности, окружающей среды и воды в колбе с помощью ртутного термометра, хромель-копелиевых термопар, милливольтметра и потенциометра.
Теоретические основы.
Температура характеризует тепловое состояние тела и измеряется в градусах. Температура тела изменяется пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Численное значение температуры зависит от выбранной температурной шкалы.
В технике температура измеряется по Международной стоградусной шкале /шкала Цельсия/ и обозначается через t, 
С. В этой шкале при нормальном давлении /760 мм рт. ст./ состоянию тающего льда соответствует температура 0 С, а точке кипения воды - 100С. Для измерения температуры используется также термодинамическая шкала температур /шкала абсолютных температур, или шкала Кельвина/. Нуль абсолютной шкалы температур соответствует значению t=-273,15 С.
Абсолютная температура тела
Т, К=t, С
+273,15 /1/
В США и Англии для измерения температуры применяют шкалу Фаренгейта. На этой шкале /t,F/ температура таяния льда и температура кипения воды обозначены соответственно через 32 и 212 для перевода показаний этой шкалы в С и обратно служат соотношения:
tС=
(t,F-32); tF=
(tС+32) /2/
Параметром состояния является абсолютная температура.
Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. В табл. 2 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения.
Ртутные стеклянные термометры основаны на свойстве тел изменять свой объем в зависимости от температуры. В качестве термометрического тела чаще всего применяют ртуть и спирт.
При точных измерениях температуры при помощи ртутных термометров к их показаниям вводятся следующие поправки:
/1/ основная /инструментальная/ поправка 
t
/2/ поправка на температуру выступающего столбика ртути t
/3/ поправка на смещение положения нулевой точки t
В общем случае определение действительной температуры среды по показаниям ртутного термометра t' производится согласно равенству:
t= t'+t+t+t. /3/
При температурах выше 150-200 С ртутные термометры применяются редко.
В настоящее время для измерения температуры получили широкое применение термопары /термоэлектрические преобразователи/.
Термоэлектрический метод измерения температуры основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры.
Термопара представляет собой 2 разнородных проводника, составляющих общую электрическую цепь /рис. 1/. Если температуры мест соединений (спаёв) проводников t
и t
неодинаковы, то возникает термо-Э.Д.С. и по цепи протекает ток. Величина термо-Э.Д.С. тем больше чем больше разность температур.
рис. 1. Схема измерения показаний термопары с помощью милливольтметра
1
2
газ
рис. 2. Схема измерения разности температур газа при помощи дифференциальной термопары.
В качестве материалов для термопар используется проволока диаметром от 0,1 до 0,2 мм. Наиболее распространены следующие пары металлических проволок:
Платина и платинородий / 90% Pt и 10% Pr /. Эта термопара является эталонным прибором.
Хромель /90% Ni и 10% Cr / и алюмель /95% Ni и 5% Al/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С. этой термопары составляет около 4 мВ.
Хромель и копель /56% Cn и 44% Ni/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С этой термопары приходится около 7 мВ.
Медь и константан /60% Cn и 40% Ni/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С этой термопары приходится около 4,3 мВ.
При измерении температуры один спай цепи термопары, так называемый холодный спай, находится при 0 С (в тающем льде в сосуде Дюара), а другой – горячий в среде, температуру которой надо измерить.
Так как термоЭ.Д.С. термопары зависит от температуры обоих спаев (горячего и холодного), то термопары часто применяются для измерения разности температур в двух точках – так называемая дифференциальная термопара (рис. 2). В этом случае в схеме отсутствует холодный спай и термоЭ.Д.С. с некоторой известной Э.Д.С. вспомогательного источника тока.
Описание экспериментальной установки и методика проведения измерений.
Экспериментальная установка состоит из горизонтальной поверхности нагрева с эл. нагревателем, устройств для измерения температуры (ртутный термометр), хромель-копелиевые термопары, потенциометр, милливольтметр.
Потребляемая мощность электрического нагревателя измеряется ваттметром. Регулирование мощности осуществляется при помощи лабораторного автотрансформатора. Измерение Э.Д.С. термопар производится с помощью потенциометра постоянного тока.
Атмосферное давление измеряется барометром, а относительная влажность воздуха – психрометром.
Методика проведения опытов и обработка
результатов измерений.
При ознакомлении с экспериментальной установкой необходимо проверить правильность включения измерительных приборов и установить стрелки приборов на нуль.
Порядок выполнения работ следующий:
Включить нагреватель и после наступления стационарного режима работы установки измерить температуру поверхности нагревателя с помощью милливольтметра и потенциометра.
Поставить колбу с водой на нагревательную поверхность и довести воду до кипения, измеряя при этом температуру с помощью
Действительную температуру воздуха в лаборатории при измерении ртутным термометром определяем по формуле /3/.
Основная поправка t=0,5 /указывается в аттестате термометра/.
Поправку на температуру выступающего столбика ртути рассчитываем по уравнению
t= n
) /4/
где n – число градусов в выступающем ртутном столбике;
- коэффициент видимого расширения ртути в стекле
1/С
t’ – температура, показываемая термометром, С
t
- средняя температура выступающего столбика ртути.
Поправку на смещение положения нулевой точки определяем с помощью уравнения:
/5/
где t
и t
- температуры, соответствующие положению нулевой точки термометра по аттестату /после нагрева в термостате/ и после очередной проверки нуля в эксплуатации / t=0,1С и после t=-0,1С /,
Показания приборов и результаты вычислений необходимо занести в таблицу 1.
Построить температурный график нагрева воды.
Построить градуировочный график E=f(t).
Практические пределы применения наиболее распространенных устройств для промышленных измерений температур.
| Термометрическое свойство | Наименование устройства | Пределы длит. пр. | |
| нижний | верхний | ||
| Тепловое расширение | Жидкостные стеклянные термометры | -190 | 600 |
| Изменение давления | Монометрические термометры | -160 | 600 |
| Изменение электрического сопротивления | Электрические термометры сопротивления. Полупроводниковые термометры (термисторы, теморезисторы) | -90 | 180 |
| Термоэлектрические эффекты /термоЭ.Д.С./ | Термоэлектрические термометры Термопары/стандартизированные Термоэлектрические термометры Термопары/специальные | 1300 | 2500 |
| Тепловое излучение | Оптические тпирометры Радиационные пирометры Фотоэлектрические пирометры Цветовые пирометры | 700 20 600 1400 | 6000 3000 4000 2800 |
Контрольные вопросы:
Что называется температурой?
Как получены температурные шкалы? (Цельсия, Кельвина, Фаренгейта).
Соотношение между температурными шкалами.
Как определить действительную температуру.
Что такое термопара?
Виды приборов для измерения температуры и принцип их действия
ЛИТЕРАТУРА:
Лариков Н.Н. «Теплотехника».
Термо- и влагометрия пищевых продуктов. Справочник под ред. И.А. Рогова М., 1988 г.
Таблица 1
| № п/п | ВОДА | Нагревательная поверхность | ||||||
| Показания ртутного термометра | Основная поправка | Поправка на температуру выступающего столбика /4/ | Поправка на смещение положения нулевой точки /5/ | Действительная температура | Показания термопар | Показания милливольтметра | Показания термопар | |
| t', |
|
|
| t, | E |
| E2, мВ | |
Атмосферное давление____________________________________
Относительная влажность воздуха_________________________