Методы и средства измерений, контроля и испытаний. Теплотехнический контроль. Методические указания по выполнению лабораторных работ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ, КОНТРОЛЯ И ИСПЫТАНИЙ

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов направления 653800 «Стандартизация, сертификация и метрология» дневной и заочной форм обучения

Составитель: Жаргалов Б.С.

Улан-Удэ, 2002 г.

Методические указания «Теплотехнический контроль» по курсу «Методы и средства измерений, испытаний и контроля» имеют своей целью ознакомление основными методами и средствами измерения температуры. В курсе рассмотрены устройства измерения температуры и принцип действия, дана техническая характеристика установки УТТ-6В, указана область применения и порядок проверки на ней технических средств измерения температуры.

1. Методы измерения температуры Температура наряду с давлением и объемом представляет собой одну из трех основных величин, характеризующих термодинамическое состояние вещества, и непосредственно связана с его внутренней энергией. Температура – латинское слово, обозначающее «смесь». При взаимодействии двух равновесных систем, имеющих разные температуры, происходит переход энергии от системы с большим энергосодержанием, пока обе системы не примут новое состояние равновесия. Общим для всех видов частиц первоначально разделенных систем является температура. Диапазон существующих температур можно разделить на ряд характерных поддиапазонов: сверхнизкие температуры (0-4.2 К), низкие (4.2 – 273 К), средние ( 273-1300 К), высокие (1300-5000 К) и сверхвысокие ( от 5000К и выше). Широкий диапазон подлежащих измерению температур, разнообразие условий и объектов исследования обусловили многочисленность методов и средств измерений температуры. В термометрии принято классифицировать методы и средства измерений на контактные и неконтактные. Более полно раскрывает особенности отдельных методов классификация по механизму передачи энергии от объекта исследования к термопреобразователю, в соответствии, с которой методы и средства измерений можно разделить на термометрические, пирометрические и спектрометрические. Термометрические методы, как правило, являются контактными методами, при которых энергообмен между объектом исследования и термопреобразователем осуществяется главным образом путем теплопроводности (при измерении температуры твердых тел) и конвекции. Неконтактные методы измерений температуры основаны на энергообмене путем излучения между объектом исследования и измерительным преобразователем. Все тела излучают в окружающее пространство электромагнитные волны различных длин. В зависимости от вида излучения и определяемых его параметров неконтактные методы можно разделить на пирометрические, применяемые в основном для измерения температур от низких до 4000 –6000К по тепловому излучению исследуемых объектов, и спектрометрические, используемые для измерения сверх высоких температур, главным образом температуры плазмы. Единство измерений температуры базируется на температурных шкалах, эталонах единицы температуры и поверочных схемах для передачи значения единицы температуры от эталонов к образцовым и рабочим средствам измерений. Основой всех температурных измерений является термодинамическая шкала (ТТШ), не связанная с каким-либо частным термометрическим свойством вещества. Эта шкала, основанная на втором законе термодинамики, была в 1852г. разработана Кельвином. Единице термодинамической температуры (символ Т) является кельвин (К), который определяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Такое определение единицы температуры требует практически осуществления только одной реперной точки. Необходимая вторая точка – теоретическая – абсолютный нуль. Температуру можно также выражать в градусах Цельсия (0С) Температура Цельсия (символ t или Θ) называется разность между температурой Кельвина Т и температурой Т0 = 273,15 К (точка таяния льда ), т.е. t= Т –273,15. Шкалой, практически воспроизводящей ТТШ, является Международная практическая температурная шкала 1968г. (МПТШ- 68), принятая на основе международных соглашений. Связь между теоретической ТТШ И практической МПТШ-68 осуществляется при помощи газовых термометров, для которых при идеальном газе справедливо уравнение

PV=RT 2. Приборы для измерения температуры Прибор, измеряющий температуру, называется термометром. Существуют контактные и бесконтактные термометры. Контактный термометр приводят в контакт с исследуемым телом. При тепловом равновесии температура термометра равна температуре исследуемого тела. В контактном термометре может быть использовано любое свойство вещества или устройства, зависящее от температуры. Поскольку таких свойств очень много, разновидностей термометров тоже много. В дилатометрическом термометре используется зависимость линейных размеров тела или объема вещества от температуры. Жидкостный термометр делается в виде узкого капилляра, переходящего в нижний шарик, в котором находится основная масса жидкости. При расширении жидкость входит в капилляр, заполняя его до определенного деления. Используется разница температурных коэффициентов расширения жидкости и стекла. В жидкостных термометрах применяется ртуть или спирт. Ртуть замерзает при температуре ниже –39 0С, а стекло размягчается при 500-600 0С. Этим определяется диапазон ртутных термометров. Спиртовые термометры применяются для измерения температуры в диапазоне от –80 до + 70 0С (при t =-1140С спирт замерзает, а при высоких температурах t≈ 780С – кипит). Ртутный термометр, который используется только для измерения температуры, но для ее регулирования, называется контактным, так как в него введена тонкая контактная проволочка. При повышении температуры ртуть замыкает контакты. Положение верхнего контакта можно менять магнитом. Сила тока в термометре должна быть небольшой, а при необходимости регулирования токов большей силы используется реле. Иногда в дилатометрическом термометре используется расширение твердого стержня. Однако чаще изготавливают биметаллическую пластинку и склеивают или скрепляют две гибкие металлические пластинки с разными температурными коэффициентами расширения. При нагревании биметаллическая пластинка изгибается. В качестве термометров используют также различные физико-химические индикаторы температуры вещества, которые изменяют состояние (плавятся, кипят, изменяю цвет и т.д.) при определенных температурах. Например, такими индикаторами могут быть термочувствительные краски. В последнее время стали широко применять некоторые жидкие кристаллы – вещества, плавно меняющие свой цвет от красного до фиолетового. Датчиками температуры с электрическим выходом являются электрические термометры: термометры сопротивления и термопары. Металлический термометр сопротивления это катушка с проводом, сопротивление которого возрастает с температурой: R = R0 (1+αt). Для устойчивости к окислению берут тонкую платиновую проволоку (платиновый термометр) диаметром менее 0,1мм. Сопротивление измеряется мостом, шкала которого может быть проградуирована в градусах. Значительно более чувствителен термистор – термометр сопротивления на полупроводнике. Термистор имеет более узкий диапазон измерений и не обеспечивает линейность шкалы. Он представляет собой бусинку из оксидов металлов (Cu, Mn, Mg, Co, Ni ), Сопротивление полупроводника убывает с температурой по закону : R = R0еα/Т. Отсюда нелинейность шкалы. В той области температур, где сопротивление резко изменяется, можно вместо моста использовать логометр, что значительно упрощает измерения. Термоэлектрические преобразователи применяют для измерения температуры от –200 до +250 0С. Рабочим органом термопреобразователя (рис. 1) является чувствительный элемент, состоящий из двух разнородных термоэлектродов 9 ,сваренных между собой на конце 11, который составляет горячий спай. Термоэлектроды изолированы по всей длине с

помощью изоляторов 1 и помещены в защитную арматуру 10 .Свободные концы элемента подключены к контактам термопреобразователя 7, расположенным в головке 4, которая закрывается крышкой 6, имеющей прокладку 5. Положительный термоэлектрод подключают к контакту со знаком . Герметизация вводов термоэлектродов 9 осуществляется с помощью эпоксидного компаунда 8.

Рис.1

Рабочий конец термопреобразователя изолируют от защитной арматуры керамическим наконечником, который в некоторых конструкциях для уменьшения тепловой инерционности, может отсутствовать. Термопреобразователи могут иметь штуцер 2 для крепления по месту и штуцер 3 для ввода соединительных проводов измерительных приборов. Принцип действия термопреобразователя основан на преобразовании тепловой энергии в термоЭДС элемента при наличии разности температур между его свободными концами и горячим спаем. Возникновение термоЭДС в термопреобразователе объясняется тем, что при его нагревании возникает поток электронов от горячего спая к холодному. На холодном спае создается отрицательный потенциал, а на горячем – положительный. Разность этих потенциалов будет определять величину термоЭДС термопреобразователя. Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то термоЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя, что позволяет отградуировать измерительный прибор в соответствующих единицах температуры. В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 00С, к показания вторичного прибора вводится соответствующая поправка. Температуру свободных концов учитывают для того, чтобы знать величин поправки. Поправку на температуру свободных концов в зависимости от условий вводят тремя способами : по градуировочной таблице; перестановкой стрелки выключенного прибора с нулевого положения до отметки ,которая соответствует температуре свободных концов; автоматическими устройствами –при помощи компенсационных коробок или схем измерительных приборов. Величина термоЭДС в термопреобразователе зависит не только от разности температур горячего и холодных спаев, но и от материала термоэлектродов. Поэтому стремятся применять в качестве термоэлектродов те металлы и сплавы, у которых возникают сравнительно большие ЭДС. Для вывода свободных концов термопреобразователя в зону постоянной температурой служат удлинительные термоэлектродные провода. Таким образом, чтобы определить измеряемую температуру среды с помощью термоэлектрического преобразователя, необходимо выполнить следующие операции: измерить термоЭДС в цепи преобразователя; определить температуру свободных концов; в измеряемую величину термоЭДС ввести поправку на температуру свободных концов; по известной зависимости термоЭДС от температуры определить измеряемую температуру

среды. В зависимости от материала термоэлектродов термопреобразователи различают: с металлическими термопарами из благородных неблагородных металлов и сплавов с термопарами из тугоплавких металлов сплавов. Термопары из благородных металлов, обладая устойчивостью к высоким температурам и агрессивным средам, а также постоянной термоЭДС, широко используют для замера высоких температур в промышленных и лабораторных условиях. Термопары из неблагородных металлов и сплавов применяют для измерения температур до 10000 0С. Достоинством этих термопар является сравнительно небольшая стоимость и способность их развивать большие термоЭДС. Градуировка термопары – определение термоЭДС термопары от температуры рабочего конца при постоянном значении температуры свободных концов (равной 0 0С). Термоэлектроды из благородных металлов изготовляют из проволоки диаметров 0,30,5мм, а неблагородных –диаметром 1,2-3,2 мм.. Диаметр термоэлектродов выбирают, исходя из назначения термопары, диапазона измерения температуры и необходимой прочности. 3. Назначение установки УТТ – 6В Установка УТТ-6В предназначена для поверки и градуировки технических средств измерения температуры в реперных точках О0С и точки кипения воды, а также при температурах от 300 до 12000С. Каждая установка состоит из: - пульта измерительного (ПИП_!) - термостата парового ТП-5 - термостата нулевого ТН-12 - двух печей до 12000С Таблица 1 Наименование 1.Термостат нулевой ТН-12 2.Термостат паровой ТП-5 3.Печь нагревательная до 1200 0С

Воспроизводимые Температуры, О0С О

Время достижения температур час. 0.5

Температура кипения вод

1.5

От 300 до 1200

3.5

Цель работы: ознакомление с устройством и принципом работы установки УТТ-6В при проверке и градуировке технических термопар и термометров сопротивления на установке в реперных точках: 00С, точке кипения воды и температурах от 3000С до 12000С методом сличения измеряемых с помощью пульта значений их т.э.д.с. и сопротивлений со значением т.э.д.с. и сопротивлений образцовых термопар и термометров соответственно. 3.1 Устройство и принцип работы Блок печей представляет собой собственно две печи 12000С, смонтированные на основании: кабель питания печей, заканчивающийся наконечниками, подключается к переходной плате (рис.2).

Свободные концы проверяемых термоэлектрических термометров соединяются пайкой с концами жгута 8. Для термостатирования свободных концов предназначен вакуумный сосуд 2, заполняемый смесью измельченного льда с дистиллированной водой. Винт 5 служит для фиксации вакуумного сосуда в удобном положении. Крышка 10 съемная. При снятой крышке производится центровка поверяемых термоэлектрических термометров по оси печи 4 . Блок печей посредством жгута 8 и кабелей питания соединяется с измерительным пультом. Основным элементом измерительной схемы пульта является двухрядный потенциометр Р363-2 позволяющий измерить с высокой точностью значение т.э.д.с. термопар или сопротивление термометров (рис. 3). Сопротивление измеряется методом сравнения падений напряжений, возникающих на последовательно включенных или близких по величине на образцовой катушке сопротивления и термометре при протекании через них постоянного тока. Ряд Х1 потенциометра служит для измерения т.э.д.с. образцовой термопары или падения напряжения на образцовой катушке сопротивления, ряд Х2 – для измерения т.э.д.с. поверяемых термопар или падение напряжения на поверяемых термометрах сопротивления. Выставленные на измерительных декадах рядов Х1, Х2 потенциометра значения цифр преобразуется в электрические сигналы с помощью переключателей S11- S24, оси которых жестко соединены удлинителями с соответствующими осями переключателей декад потенциометра и выведены на переднюю панель. Далее полученная информация в десятичном коде поступает на шифратор (А-5), где преобразуется в параллельно-последовательный двоично-десятичный код вида 1-2-4-8 и передается на транскриптор ЦПУ для регистрации результатов измерения. Поочередное подключение к потенциометру термопар печи 1 , термопар печи П или термометров сопротивления производится переключателем S7, переключение поверяемых термопар – переключателем S9, (1Тп) и S10 (ПТп), переключение потенциальных зажимов поверяемых термометров сопротивления- переключателем S6 (Тс). Цепь питания термометров сопротивления образуется источником питания I, 2В, подсоединенным к клеммам Х1 и Х2, магазином сопротивления R1-R38 и одной из образцовых катушек R40-R42. Величина тока регулируется магазином сопротивления “Ток термометр” (четыре декады сопротивления и реостат) и контролируется микроамперметром. 3.2 Порядок работы Поверка термометров сопротивления и термопар на установке УТТ-6В производится в соответствии с инструкциями по их поверке. Работа с термостатами ТН-12, ТП-5. Установите поверяемый и образцовый термометры сопротивления в нужный термостат. Подключите выводы термометров сопротивления к соответствующем зажимам на термостате. При поверке нескольких термометров сопротивления их токовые выводы соедините последовательно на колодке термостата. Проведите измерения падения напряжения на термометре сопротивления . для чего: а) выберите переключателем образцовую катушку с величиной сопротивления близкой к сопротивлению термометра; б) установите ток через термометр сопротивления поворотом рукояток «Ток термометра»; в) подключите термометр сопротивления к потенциометру переключателем Тс и переключателем термометры сопротивления – термометры 18 (см. рис..2);

г) проведите измерение падения напряжения в соответствии с инструкцией на потенциометр на термометре (ряд Х2 ), а затем на образцовой катушке сопротивления (ряд Х1 ); д) запись результатов измерения произведите в соответствии с правилами, указанными в описании на цифропечатающее устройство. Работа с печью до 12000С. Установите термопары так, чтобы их рабочие спаи были расположены в равномерном температурном поле. Включите питание печи. Соедините пайкой свободные концы термопары с проводами жгута печи, который подключен к зажимам стола печи. Места соединения термопары со жгутом поместите в пробирки, залитые сухим трансформаторным маслом и термостатируйте в вакуумном сосуде, который должен быть заполнен смесью мелко дробленного льда с дистиллированной водой. Допускается заполнение сосуда водопроводной водой, температура которой измеряется с точностью до +0.1 К с последующим внесением поправки на температуру свободных концов термопары. Получите нужную температуру в печи . Проводите измерение т.э.д.с. термопар. Термопары подключаются к потенциометру переключателями «1Тп», «11 Тп» и переключателем «Термометры сопротивления – термопары». Измерение напряжения потенциометром осуществляется в соответствии с инструкцией по его эксплуатации. Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Что характеризует понятие температура? Диапазоны измерения температур. Классификация методов измерения температур. Термодинамическая температурная шкала. Устройство дилатометрических термометров. Устройство термоэлектрических преобразователей (термопар ). Принцип действия термопары. Назначение и устройство установки УТТ-6В. Порядок работы на установке УТТ-6В.

Список использованной литературы 1. Бурсиан Э.В. Физические приборы. М.: Просвещение, 1984. 2. Крамарухин Ю.Е. Приборы для измерения температуры. М.: Машиностроение, 1990. 3. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений. Л.: Энергоиздат, Ленинградское отд., 1987.

Рис.2

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ, КОНТРОЛЯ И ИСПЫТАНИЙ

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов направления 653800 «Стандартизация, сертификация и метрология» дневной и заочной форм обучения

Составитель: Жаргалов Б.С.

Подписано в печать 06.05.2002 г. Формат 60×84 1/16. Усл.п.л. 0,93, уч.-изд.л. 0,7. Издательство ВСГТУ. г.Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40, а. ВСГТУ, 2002 г.