Раздел 1. Техника безопасности

Прежде, чем приступить к выполнению лабораторных работ

НЕОБХОДИМО

1. Пройти инструктаж по технике безопасности и расписаться в соответствующем журнале.

2. Изучить устройство лабораторных стендов и порядок проведения лабораторной работы.

3. Проверить наличие заземления у лабораторных стендов.

СТРОГО ВОСПРЕЩАЕТСЯ

1. Касаться проводников и неизолированных частей аппаратуры, находящихся под напряжением.

2. Включать в сеть лабораторную установку без разрешения преподавателя.

3. Оставлять без наблюдения включенную лабораторную установку.

4. Касаться нагретых поверхностей лабораторной установки.

5. При работе с нагнетателями (насосами, компрессорами) превышать установленное давление, строго следя за показаниями манометров.

6. Изменять регулировку приборов, закрывать или открывать краны установок.

7. Касаться вращающихся частей вентиляторов, компрессоров, насосов, электродвигателей.

8. Загромождать свое рабочее место одеждой, портфелями, сумками, книгами и другими вещами, не относящимися к работе.

ЕСЛИ ПРОИЗОШЕЛ НЕСЧАТНЫЙ СЛУЧАЙ Н Е М Е Д Л Е Н Н О:

1. Отключить электропитание лаборатории рубильником.

2. Вызвать по телефону «03» скорую помощь.

К работе допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности и имеющие отметку о прохождении в журнале. Запрещается работать или оставаться в лаборатории одному, обязательно присутствие другого лица.

Раздел 2. Элементы научных исследований (эни) при выполнении лабораторных работ

Лабораторные работы студенты выполняют группами от 2 до 4 человек, причем условия эксперимента для каждой бригады изменяются, что не может не сказаться на результатах эксперимента. Это обеспечивает необходимую самостоятельность студентов при работе. Графики, обобщающие результаты экспериментальных исследований, строятся на основании данных всех исследовательских групп. Кроме того, по заданию преподавателя может разрабатываться математическая модель устройства для получения численного решения задачи, решение которой получено в ходе выполнения лабораторной работы.

Готовясь к защите лабораторных работ, студенты обязательно отвечают на контрольные вопросы, имеющиеся в тексте методических указаний, т.к. опрос ведется, в основном , по этим вопросам. Работая с контрольными вопросами, обращаясь к литературным источникам, конспектам, студент анализирует полученные в лабораторных работах результаты и сталкивается с элементами научных исследований (ЭНИ).

Раздел 3. Средства для измерения физических величин

3.1. Средства для измерения температуры

Температура является важным параметром, определяющим не только протекание технологического процесса, но и свойства рабочих тел. Температура – это параметр теплового состояния тела, обусловленный средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. Методы измерения температуры делятся на контактные и бесконтактные. При контактных методах измерения датчик температуры находится в непосредственном контакте с телом или средой, температуру которых измеряют. При бесконтактных методах измерения датчик температуры располагается на некотором удалении от тела, температура которого измеряется в соответствии с определенными физическими законами, связывающими интенсивность излучения нагретого тела с его температурой.

Классификация термометров, используемых для измерения температуры, приведена на рисунке 3.1 [1].

Рисунок 3.1 – Классификация термометров

При выполнении лабораторных работ для измерения температуры используются широко известные и апробированные средства измерений [2,3,4].

Для измерения температуры могут применяться стеклянные жидкостные термометры (ртутные и спиртовые) [2,3,4]. Они отличаются достаточно высокой точностью и просты в использовании.

Дилатометрические и биметаллические термометры [2,3,4], как указатели температуры используются достаточно редко, однако они нашли свое применение в системах автоматического регулирования. Принципиальная схема дилатометрического термометра представлена на рисунке 3.2, а).

а) б)

Рисунок 3.2 – Принципиальная схема дилатометрического термометра а) и биметаллического термометра б): 1 – трубка из латуни; 2 – стержень из кварца; 3 – пружина; 4 – стрелка; 5 – биметаллическая пластинка

Дилатометрический термометр, схема которого иллюстрируется рисунком 3.2, а), состоит из трубки 1, выполненной из металла с достаточно большим значением коэффициента температурного расширения, и стержня 2 – из материала с малым значением коэффициента температурного расширения. Стержень плотно прижат ко дну трубки пружиной 3, а сама трубка помещена в контролируемую среду, причем один ее конец закреплен неподвижно. При повышении температуры разность в удлинениях между трубкой и стержнем передается на стрелку 4, указывающую на шкале температуру измеряемой среды. 

Работа биметаллического термометра [2,3,4], представленного на рисунке 3.2, б) основана на изменении коэффициентов температурного расширения материалов в зависимости от температуры. Биметаллический термометр выполняется в виде биметаллической пластинки, один конец которой закрепляется, а другой остается подвижным. При повышении температуры биметаллическая пластинка 5 изгибается в сторону металла, имеющего меньший коэффициент температурного расширения. Перемещение свободного конца биметаллической пластинки 5 вызывает поворот стрелки 4.

Принцип действия термометров сопротивления [2,3,4] базируется изменении электрического сопротивления материалов в зависимости от температуры. Достоинством термометров сопротивления является простота конструкции и высокая надежность в эксплуатации.

Основным элементом термометра сопротивления [2,3,4] является чувствительный элемент (проводник или полупроводник), для которого известна зависимость электрического сопротивления от температуры. Зная эту зависимость, и поместив термометр в среду с неизвестной температурой, замеряя его сопротивление, можно определить температуру среды. На рисунке 3.3 показана принципиальная схема термометра сопротивления [2,3,4].

а)

б)

Рисунок 3.3 – Схема термометра сопротивления: а) – чувствительный элемент платинового термометра сопротивления; б) – германиевый термометр сопротивления: 1 – чувствительный элемент; 2 – выходы; 3 – защитная гильза; 4 – стекломасса; 5 – изоляционная пленка

Кроме того, измерение температуры может производиться с помощью термопар [2,3,4]. Принцип действия термопары и методика измерения с ее помощью приведены ниже. Работа термопары иллюстрируется рисунком 3.4.

Термопара [2,3,4,18] состоит из двух различных по материалу проводников (хромель-копель, медь-констанстан, платина-платина-родий и т.д.), подбор материалов для которых определяется величиной измеряемых температур. Концы проводников спаяны или сварены между собой. Если температура одного спая термопары (горячего) выше, чем температура другого (холодного), то в цепи, спаянных проводников (термоэлектродов) возникает электрический ток (электродвижущая сила). Величина тока зависит от разности температур места соединения (спаи) проводников (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Схема работы термопары: 1 – проводник (термоэлектрод); 2 – холодный спай; 3 – горячий спай

Если измерить электродвижущую силу (ЭДС) термопары, то можно определить температуру горячего спая термопары. Для этого необходимо предварительно определить температуру холодного спая и иметь зависимость ЭДС от разности температур спаев. Зависимость величины ЭДС от разности температур спаев определяется экспериментальным путем при тарировании (градуировке) термопар данного вида. Для упрощения обработки результатов измерения температуры термопарой холодный спай помещают в тающий лед (К). Также холодный спай может быть помещен в воду, температура которой измеряется жидкостным термометром.

(3.1),

где – температура горячего спая термопары, К;– температура холодного спая термопары, К;– разность температур холодного и горячего спаев, определенная экспериментом, К.

В лабораторном практикуме, как правило, используются термопары типа хромель-алюмель или хромель-копель (хромель – сплав, состоящий из 90 % NH и 10 % Cr; алюмель, сплав включающий   93–96 % Ni, 1,8–2,5 % Al, 1,8–2,2 % Mn, 0,8–1,2 % Si; копель – сплав, содержащий 56 % Cu и 44 % NH). Зависимость ЭДС термопары хромель-алюмель от температуры приведена в приложении А (см. таблицу А.1.). Для термопары хромель-копель данные приведены в таблице А.2. Измерение ЭДС термопар осуществляется милливольтметром или потенциометром.

Пример определения температуры с помощью термопары дается в литературе [2,3,4].

1. При проведении эксперимента холодный спай термопары был помещен в сосуд с тающим льдом. ЭДС термопары хромель-копель, измеренная потенциометром, равна 7,84 мВ. Определить температуру горячего спая.

По таблице А. 2. (приложение А), имея значение ЭДС (7,84 мВ), определяется величина разности температур холодного и горячего спаев К. Холодный спай имеет температуру таяния льда, т. е. 0^о С или 273 К. Тогда температура горячего спая равна:

К.

2. При проведении эксперимента холодный спай термопары помещен в сосуд с водой. Измерения ртутным термометром показали, что температура воды в сосуде с холодным спаем равна (). ЭДС термопары (хромель–копель), измеренная потенциометром, равнамВ. Для определения температуры горячего спая нужно найти, во-первых, ЭДС, соответствующую температуре холодного спая (мВ, смотри таблицу А.2 приложения А). Во-вторых, необходимо определить ЭДС, создаваемую разницей температур горячего спая и 0^оС, рассчитываемую по формуле:

мВ.

В-третьих, определяется температура горячего спая по найденной ЭДС с помощью таблицы А. 2 Приложения А. Таким образом, температура составила().

Типичной ошибкой некоторых студентов является следующая: при решении предыдущей задачи студент с помощью таблицы А.2 приложения А по величине мВ ошибочно определяет разность температурС и к этой величине ошибочно прибавляют температуру холодного спая. В итоге у студента получается, что температура горячего спая составляет, тогда как, правильное значение температуры горячего спая составляет. Ошибка в решении, таким образом, составляет.

Для бесконтактного измерения температуры используются следующие приборы: тепловизор, пирометр [2,5].

Тепловизор – это оптико-электронная система, предназначенная для получения видимого изображения объектов, испускающих электромагнитное излучение в инфракрасном спектре.

Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Наблюдательные тепловизоры делают изображение в инфракрасных лучах видимым в той или иной цветовой шкале. Измерительные тепловизоры, кроме того, присваивают значению цифрового сигнала каждого пиксела соответствующую ему температуру, в результате чего получается картина распределения температур.

Тепловизоры делятся на: стационарные и переносные [2,5].

Стационарные тепловизоры (рисунок 3.5) предназначены для применения на промышленных предприятиях для контроля за технологическими процессами в температурном диапазоне от −40 до +2000 °C. Такие тепловизоры, зачастую имеют азотное охлаждение, для того, чтобы обеспечить нормальное функционирование приемной аппаратуры. Основу таких систем составляют, как правило, тепловизоры третьего поколения, собранные на матрицах полупроводниковых фотоприемников.

Рисунок 3.5 – Общий вид стационарного тепловизора: 1 – тепловизор; 2 – объектив

Переносные или портативные тепловизоры [2,5] (рисунок 3.6) представляют собой разработки на базе неохлаждаемых микроболометров из кремния, что позволило отказаться от использования системы азотного охлаждения. Эти приборы имеют малый шаг измеряемой температуры (0,1 °C), при этом тепловизоры могут использоваться в сложных оценочных работах (энергоаудит систем теплогазоснабжения, объектов жилищно-коммунального сектора), когда требуется простота в использовании и портативность. Портативные (переносные) тепловизоры имеют возможность подключения к стационарным компьютерам, ноутбукам, планшетам для оперативной обработки поступающих данных.

Рисунок 3.6 – Общий вид портативного тепловизора: 1 – тепловизор; 2 – экран тепловизора; 3 – джойстик управления

Пирометр – прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого участка спектра излучения.

Пирометры [2,5] применяют для дистанционного определения температуры объектов в промышленности, быту, жилищно-коммунальной сфере, на предприятиях, с необходимостью осуществления контроля температур на различных технологических этапах производства (сталелитейная промышленность, нефтеперерабатывающая отрасль). Различаются четыре вида пирометров: квазимонохроматические, фотоэлектрические, пирометры полного излучения, пирометры спектрального отношения.

Квазимонохроматические пирометры (рисунок 3.7) предназначены для измерения температуры нагретого тела путем визуального определения энергетической яркости измеряемого тела при длинах волн около 0,65 мкм.

Действительная температура объекта, определяемая с помощью квазимонохроматического пирометра рассчитывается по выражению:

, (3.2)

где – действительная температура объекта, К;– яркостная температура, К;– длина волны, мкм;м^.К – постоянный коэффициент; – спектральный коэффициент излучения.

Рисунок 3.7 – Квазимонохроматический пирометр: 1 – трубка; 2, 3 – линзы; 4,9 – красный и серый светофильтры; 5 – милливольтметр; 6 – аккумулятор; 7 – лампа накаливания; 8 – реостат

Фотоэлектрические пирометры работают, либо по яркостному методу, либо как, пирометры частичного излучения. В первом случае температура объекта является функцией спектральной энергетической яркости [2,5], во втором – зависимостью от энергетической яркости излучения в ограниченном интервале длин волн, не позволяющем описать эту зависимость, ни формулой Планка, ни формулой Стефана-Больцмана [2,5]. Схема, иллюстрирующая принцип действия фотоэлектрического пирометра, представлена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Фотоэлектрический пирометр: 1 – объектив; 2, 3 – диафрагма; 4 – светофильтр; 5 – фотоэлемент; 6 – усилитель; 7 – лампа; 8 – модулятор света; 9 – заслонка; R_вх, R_вых – входное и выходное сопротивление в цепи лампы

Пирометры полного излучения используются для измерения температуры от -50 ^о С до 3500 ^о С. Действительная температура объекта может быть определена по радиационной температуре по формуле [2,5]:

, (3.2)

где – действительная температура объекта, К;– коэффициент.

Таким образом, можно отметить, что существуют различные методы измерения температуры объекта. На практике выбирается тот метод, который удовлетворяет необходимым условиям по точности измерения температуры при доступной стоимости.