Лабораторная работа № 1. Измерение температуры вещества.

Цель работы: ознакомиться с различными температурными шкалами, уяснить принципы действия различных термометров, произвести измерение температуры различными термометрическими устройствами, определить класс точности термометров.

Методические указания.

Температура является одним из термодинамических параметров, определяющих состояние системы. Температура характеризует только тепловое состояние системы и определяется величиной обратной производной энтропии тела по его энергии dS/ dE=1/T. Ее называют абсолютной температурой. Измерение температуры вещества производится термометрами, которые имеют шкалу для ее количественной оценки. Создание единой термометрической шкалы имеет ряд трудностей, т. к. используемая для этого физическая величина должна отвечать следующим требованиям: однозначно меняться с изменением температуры, не зависеть от других факторов и быть точно измеряемой сравнительно простым и удобным способом. В действительности нет ни одного свойства вещества, которое в полной мере удовлетворяет всем этим требованиям.

Единственной шкалой, независящей от свойств рабочего тела, является шкала, основанная на втором законе термодинамики и предложенная Кельвиным. В этой шкале абсолютный нуль температуры, соответствует такому состоянию тела, при котором отсутствует поступательное движение молекул идеального газа. Температура, отсчитываемая от этого абсолютного нуля, называется абсолютной температурой, а сама шкала - шкалой Кельвина. Во всех формулах термодинамики необходимо использовать абсолютную температуру. Поэтому она называется термодинамической температурой, измеряется в градусах Кельвина и обозначается буквой "К". Все остальные шкалы называется практическими.

В нашей стране в качестве основной практической шкалы для измерения температуры принята стоградусная шкала ГОСТ 8550-61. В этой шкале за нуль принята температура таяния льда при нормальном атмосферном давлении (760 мм. рт. ст.). Числовое значение, отсчитываемое по этой шкале, обозначается буквой "°С". При этом тройная точка воды, где в равновесии находятся три фазы: вода, лед и водяной пар имеет температуру 0,01 °С. Между температурой, отсчитанной по стоградусной шкале и по шкале Кельвина, существует простая связь: ТК=t°С + 273,15. Следовательно, в шкале Кельвина тройная точка воды при нормальных условиях будет иметь значение: Т_о = 0,01 + 273,15 = 273,16 К, а абсолютный нуль в стоградусной шкале будет иметь значение - 273,15 °С. Стоградусная шкала равномерная, т. к. она тарируется по идеальному газовому термометру. На практике более известна шкала Цельсия , в которой за 0 °С также принята температура таяния льда, а за 100 °С - температура кипения воды при нормальных условиях. Однако тарировка этой шкалы производится по пяти реперным точкам кипения и затвердевания реальных веществ. Поэтому шкала Цельсия, строго говоря, неравномерная. Однако в большом круге практических измерений можно считать, что величина градуса в стоградусной шкале и в шкале Цельсия одинаковы.

В зарубежной литературе наряду с выражением температуры в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (°С) используются иногда градус Фаренгейта (°F) и градус Ренкина (Re). Следует иметь в виду, что раньше градус Фаренгейта был характерен для шкал ртутно-стеклянных термометров, а в данное время, также как и градус Цельсия, он обозначает, что температура выражена по Международной практической температурной шкале (МПТШ), но с другим числовым значением. Пересчет числовых значений температуры, выраженной в градусах одной шкалы, в градусы другой производится по следующим формулам:

В данной работе студентам предлагается провести измерения температуры термометрами различных типов, оценить их точность и указать на источники погрешностей. Ниже приводится конструкция термометров, используемых в данной лабораторной работе.

Термометры расширения бывают жидкостные^: и механические. Принцип их действия основан на свойстве тел, изменять свой объем или линейные размеры при изменении температуры. В жидкостных термометрах в качестве термометрических веществ используются: ртуть (от -30 до 700 °С), этиловый спирт (от -100 до 75 ⁰С), толуол (от -90 до 100⁰С), пентан (от -100 до 20 ⁰С).

Погрешности измерений в стеклянножидкостных термометрах имеют следующие причины:

1.Смешение нулевой точки. Эта погрешность периодически определяется опытным путем. Если нулевая точка сместилась, то к паспортным данным добавляют величину

(1.1)

где t_о1 – положение нулевой точки по паспорту, t₀₂ - положение нулевой точки, найденное опытным путем.

2. Поправка на выступающий столбик. Если термометр не может быть погружен до отсчитываемого деления, то поправка равна:

(1.2.)

где α - коэффициент линейного расширения термометрической жидкости в стекле (для ртути α = 0,00016 в интервале 0 ... 100°С) n - число градусов в выступающем столбике, округленное до целого; t_вс - температура выступающего столбика. Температура выступающего столбика определяется с помощью дополнительного термометра. Для нашего случая, учитывая температуру в помещении, будем считать t_вс = t_в

3. Ошибки отсчета.

4. Ошибки из-за смещения шкалы.

5. Смещение вершины мениска наблюдается при разрывах столбика термометрической жидкости.

6. Ошибки из-за влияния внешнего давления.

В данной установке ртутный термометр используется в качестве эталонного, поэтому его показания должны быть наиболее точными. Истинная температура рассчитывается по формуле

(1.3.)

Образцовые термометры позволяют измерять температуру до 200 ⁰С с точностью ± 0,01 ⁰С.

К механическим термометрам расширения относятся манометрические термометры. В основе их принципа действия лежит зависимость давления от температуры при постоянном объеме. При этом непосредственно измеряет давление с помощью манометра, шкала которого градуируется не в единицах давления, а в градусах температуры. Диапазон измеряемых температур, зависит от термометрического вещества; жидкости (ртуть, кислород, толуол, метиловый спирт, глицерин) от - 50 до 600 °С; пары (метилхлорида, этилхлорида, ацетилена) от 0 до 200 °С; газы (азот, водород, гелия ) от 0 до 180 ⁰С. На рис.1 показана схема манометрического термометра. Здесь 1 - баллон с термометрическим веществом, 2 - капиллярная трубка, 3 - манометрическая пружина.

Рис.1.

К механическим термометрам относятся также дилатометрические (удлиняющиеся стержни) и биметаллические устройства. Однако, такие термометры не обеспечивают высокой точности и стабильности показаний, поэтому для точных измерений не применяются.

Электрические термометры сопротивления. Принцип их действия основан на зависимости омического сопротивления проводника от его температуры. Принципиальная схема такого термометра показана на рис.2. Здесь 1 - чувствительный элемент, 2 - медные соединительные провода, 3 - прибор для измерения сопротивления термометра.

Рис.2.

В качестве чувствительного элемента используются металлы или полупроводники (терморезисторы). Требованиям, предъявляемым к датчикам термометров сопротивления из металлов в большей степени удовлетворяют: платина (от - 190 до 660°С), медь (от – 50 до 200 ⁰С), никель (до 250 °С), железо ( до 150 ⁰С). Для изготовления чувствительного элемента полупроводниковых термометров, используемых для измерения температуры от - 100 до 300 ⁰С и выше, применяют смеси различных полупроводниковых веществ. Основные марки чувствительных элементов полупроводниковых термометров, выпускаемых промышленностью следующие: ММТ-1, ММТ-4, КМТ-1, КМГ-11, КМТ-14, КМТ-10. Кроме названных выпускаются также терморезисторы специального назначения.

Сопротивление термометра измеряют с помощью моста нулевым методом или методом отклонения. Уравновешенные четырехплечные мосты являются наиболее распространенными приборами для измерения сопротивления термометра нулевым методом в лабораторных условиях. Принципиальная схема уравновешенного моста с включенным термометром сопротивления изображения на рис.3. Здесь R₁ - термометр сопротивления; R₁, R₂, R₃ -резисторы с известными сопротивлениями.

Рис.3

Источник питания включен в одну из диагоналей моста (точки b и d). Во вторую диагональ (точки а и с) включен нулевой гальванометр. Равновесия схемы можно добиться только при определенном соотношении между сопротивлениями плеч моста. Если соотношение между сопротивлениями плеч моста подобрано, то гальванометр показывает ноль. При изменении сопротивления термометра R₁ происходит разбалансировка моста, и стрелка гальванометра отклоняется. В технических измерениях вместо гальванометра часто используются логометры (от греческого слова «логос» - отношение). Измерительный механизм логометров состоит из двух рамок, помещенных в воздушный зазор между полюсами постоянного магнита. При протекании тока по рамкам возникает вращающий момент, и стрелка логометра отклоняется. Логометры выпускаются обычно с градуировкой шкалы в градусах Цельсия. Неуравновешенные мостовые измерительные схемы используются в измерительных преобразователях для преобразования сопротивления термометра в напряжение.

В автоматических уравновешенных мостах широко используется измерительная схема четырехплечного моста с реохордом, включенным так, что его движок может изменять положение точки подключения одной из вершин измерительной диагонали по отношению к двум прилежащим плечам моста. Автоматические уравновешенные мосты по конструктивному оформлению можно разделить на следующие группы: показывающие типа КПМ1 и КВМ1, показывавшие самопишущие с ленточной диаграммой типа КСМ1, КСМ2 и КСМ4, показывающие и самопишущие с дисковой диаграммой типа КСМ3. Приборы этих типов, выпускаемые в нескольких модификациях, применяются также для сигнализации или регулирования температуры.

К достоинствам термометров сопротивления следует отнести: высокую точность, возможность централизации путем присоединения к одному измерительному прибору нескольких чувствительных элементов, возможность автоматической записи.

П ри использовании термометров сопротивления необходимо следить, чтобы градуировка чувствительного элемента и измерительного прибора бала одинаковая. Градуировка указывается на приборах и в их паспортах, например, гр. 21 или гр. 23.

Термоэлектрические термометры. В основу измерения температура с помощью термоэлектрических термометров положены термоэлектрические явления, открытые Зеебеком в 1821 г. Суть их состоит в том, что, если взять цепь, составленную из двух различных термоэлектрически однородных по длине проводников (например, меди и платины) рис. 4, и один спай нагреть, а второй будет холодный, то в цепи возникнет электрический ток. Электрический ток, возникающий под действием разности температур, называют термоэлектрическим, а силу - термоэлектродвижущей (термо - э. д. с). Такие термометры называют термопарами. Термопары изготавливают из проволоки диаметром 0,1...2 мм. Наибольшее распространение получили следующие термопары: платина и платинородий (90% Pt + 10% Rh ) - до 1600°C , хромель (90% Ni + 10% Сг ) и алюмель (95% Ni + 5% Al) до 1250 °С, хромель и копель (56% Сu + 44% Ni) до 800 °С, медь и константан (60% Сu 40% Ni ) до 500 °С. К термоэлектродным материалам предъявляют ряд требований: жаростойкость и механическая прочность; химическая инертность; термоэлектрическая однородность; стабильность и воспроизводимость термоэлектрической характеристики; однозначная, желательно, близкая к линейной, зависимость термо -э. д. с. от температуры; высокая чувствительность.

Для измерения величины термо – э. д. с. в цепь термопары включают регистрирующий прибор. В качестве последней используют: милливольтметры показывающие (как стрелочные, так и цифровые) и самопишущие; потенциометры различных типов (переносные и автоматические).

Милливольтметры изготавливаются как с двойной градуировкой - в градусах Цельсия и в единицах напряжения (обычно в милливольтах), так и с градуировкой только в милливольтах. Показывающие и самопишущие милливольтметры, предназначенные для работы со стандартными термоэлектрическими термометрами, изготавливаются с одной шкалой, отградуированной в градусах Цельсия для заданной градуировки. В данной лабораторной работе используется милливольтметр последнего типа марки М-64. Некоторые модификации милливольтметров снабжены устройством для компенсации температуры холодных концов термопар. При использовании этих приборов не требуется введение поправки на температуру холодных концов. В данной работе используется прибор такого типа марки А 565. Широкое применение в практике теплотехнических измерений получили потенциометры переносные и лабораторные с постоянной силой тока. Они обеспечивают большую точность, т. к. определяя термо-э. д. с. мы исходим из э. д. с. нормального элемента, которая известна с точностью до пятого-шестого знака. Упрощенная схема потенциометра с постоянной силой тока показана на рис.5. В компенсационную цепь схемы включены: R_I - регулируемый резистор; ИП - источник питания; R_р – реохорд, вдоль которого перемещается скользящий контакт (управление осуществляется движком С); R_к - контрольный резистор, предназначенный для установки рабочего тока I. С помощью переключателя П можно нулевой прибор НП включить в цепь нормального элемента с э. д. с. Е_нэ или в цепь термоэлектрического термометра АВ. Для установления определенного значения рабочего тока I переключатель П устанавливают в положение К. При этой НЭ вместе с последовательно включенным нулевым прибором оказывается присоединенным к зажимам а и Ь контрольного резистора R_K. Ток в компенсационной цепи регулируется резистором R_t до тех пор, пока падение напряжения на R_K не будет равно э. д. с. Е_нэ. При выполнении этого условия указатель нулевого прибора устанавливается на нулевой отметке шкалы. После установки рабочего тока I переключатель П устанавливают в положение И и, наблюдая за отклонением стрелки нулевого прибора, перемещают движок с до тех пор, пока компенсирующее напряжение на участке реохорда R_p между точками а и с не будет равно измеряемой термо - э. д. с. термометра. Отсчет напряжения производят в тот момент, когда нулевой прибор показывает отсутствие тока в цели термометра.

Рис. 5.

Для перевода измеренного в мВ напряжения термометра в градусы необходимо воспользоваться тарировочной таблицей соответствующей градуировки. В данной лабораторной работе с помощью потенциометра производят измерения температуры термопарами типа медь + константан (МК) и хромель + алюмель (ХА). Для удобства выполнения работы в Приложении приведены градуировочные таблицы, указанных термопар. В справочной литературе термо - э . д. с. термоэлектрических термометров указывается при температуре холодных концов 0 °С, поэтому действительное значение измеренной температуры будет зависеть от температуры холодных концов термопары и рассчитывается по формуле t_г= ∆t + t_х. Здесь ∆t - значение температуры, измеренное с помощью потенциометра, t_r - истинное значение температуры горячего спая, t_х - температура холодных концов термопары, которая определяется с помощью дополнительного термометра. В данной работе холодные концы термопар находятся при температуре воздуха в лаборатории. Поэтому, в нашем случае t_х= t_в.

В различных отраслях промышленности широко применяются автоматические потенциометры. Они могут быть использованы одновременно для измерения, записи и сигнализации или регулирования температуры. Отличительной особенностью устройства автоматических потенциометров от рассмотренных выше переносных и лабораторных является то, что регулирование компенсирующего напряжения, а следовательно, и уравновешивание измеряемой термо – э. д. с. термометра или напряжения производится не вручную, а автоматически с помощью непрерывно действующего следящего устройства. По конструктивному оформлению автоматические потенциометры подразделяются на следующие группы: показывающие (КПП1 и КВП1); показывающие и самопишущие с ленточной диаграммой (КСП1, КСП2 и КСП4); показывающие и самопишущие с дисковой диаграммой (КСП3). В данной работе используется один из указанных типов автоматических потенциометров.

Точность измерения температуры термоэлектрическими термометрами будет зависеть от материала проводов термопар, качества изготовления спаев, надежности контакта спая термопары с измеряемым телом, разности температур холодного и горячего спаев, точности измерительного прибора (милливольтметр, потенциометр).

К достоинствам термоэлектрических термометров следует отнести: возможность измерения температуры жидких, газообразных и твердых тел; возможность централизации контроля, путем присоединения нескольких термопар через переключатель к одному измерительному прибору; возможность автоматической записи температуры.