В.В. Назаревич Параметры и функции состояния рабочего тела. Приборы для измерения параметров состояния

Рис. 9. Схема оптического пирометра с исчезающей нитью

10

б) оптические пирометры с исчезающей нитью (рис. 9) осно-

ваны на сравнении яркости свечения электрической лампы, установленной внутри прибора, с яркостью излучения раскалённого тела. Свечение лампы регулируют до яркости свечения раскаленного тела. При равенстве излучений нить лампы становится невидимой. Эти приборы удобны и достаточно просты.

Недостатком является то, что нуль-индикатором у этих приборов служит человеческий глаз;

в) фотоэлектрические пирометры, в качестве чувствительного органа используется фотоэлемент. Фототок элемента, пропорциональный испускаемому нагретым телом световому потоку, является мерой температуры тела. Фотоэлемент преобразует световую энергию, направленную на него от нагретого тела, с помощью телескопа в фототок, который усиливается специальным усилителем и подаётся на вторичный измерительный прибор, отградуированный в градусах температуры;

г) радиационные пирометры – приборы, действие которых основано на измерении полной энергии излучения нагретого тела. Основными элементами комплекта радиационного пирометра являются телескоп, термоприёмник и вторичный измерительный прибор. Лучи от нагретого тела с помощью линзы телескопа собираются на термоприёмнике, вмонтированном в телескопе. В качестве теплоприёмника применяется батарея из термопар, фокусируясь на теплоприёмнике, тепловой поток нагревает его. Степень нагрева теплоприёмника зависит от мощности теплового излучения и, следовательно, от температуры. Теплоприёмник преобразовывает тепловую энергию в термоЭДС. Вторичный прибор, измеряющий термоЭДС, градуируется непосредственно в градусах температуры.

11

Достоинством пирометров является отсутствие контакта с измеряемой средой, что не искажает температурного поля объекта во время измерения.

3.4.Давление

3.4.1.Давление газов P следует рассматривать как результат ударов молекул о стенки сосуда. Численно давление равно силе, действующей на единицу площади и поверхности, воспринимающей удары молекул в направлении по нормали к ней. Согласно молекулярнокинетической теории газов:

Р = 23 αпmW2 2 ,

где α – коэффициент сжимаемости, α = f (Tρ ); n – молекулярная плотность, n − VN ; N – общее число молекул в теле; V – объём, зани-

маемый телом; Выразив кинетическую энергию молекул через температуру

mW2 2 = 32 KT и подставив последнее в выражение давления, получим

P =α K n T .

Откуда видно, что давление P будет тем выше, чем выше абсолютная температура тела T и чем больше молекулярная плотность n . Следует различать (рис. 10):

Рис. 10. Схема видов давления

12

–атмосферное давление Ратм или барометрическое Рбар – давле-

ние, создаваемое окружающей средой (атмосферой);

–избыточное или манометрическое Ризб – давление выше атмо-

сферного;

–вакуумметрическое Рвак – давление ниже атмосферного.

Из-за непостоянства атмосферного давления последнее нельзя принимать в качестве базисной шкалы отсчёта.

Для исключения возможных затруднений при тех или иных расчётах, связанных с определением полного давления, за шкалу отсчёта принята линия абсолютного нулевого давления. В этих условиях полное давление в сосуде с учётом атмосферного назвали абсолютным давлением, которое определяется как

Рабс = Ратм ± Ризм.

Знак плюс принимается при избыточном, минус – при вакуумметрическом давлении в сосуде. Как видно, Рабс не измеряется, а рассчи-

тывается.

Следует помнить, что Ризби Рвак не являются параметрическими

величинами состояния, поскольку они зависят от атмосферного давления. Параметром состояния является только абсолютное давление

Рабс.

Что касается избыточного давления, то здесь, наоборот, теоретически нет никаких ограничений. В космосе существуют тела, у которых давление достигает миллионы наших атмосфер.

Единицей измерения давления в СИ является Паскаль (Па) – это давление, вызываемое силой в 1 Н (Ньютон), равномерно распределяемой по нормали к поверхности площадью в 1м2, 1 Па = 1 Н/м2.

Исторически сложилось, что для измерения давления существуют различные внесистемные единицы измерения, которые ещё довольно часто встречаются на практике.

Техническая атмосфера

1 атм = 735,6 мм рт. ст. = 735,6 13,6 = 104 мм вд. ст. (кг/м2) = 10 м вд. ст. = = 1 кгс/см2 (атм) = 104 кгс/м2 9,81 м/с2 = 98100 Н/м2 (Па) = 0,981 бар.

Физическая атмосфера

1 атм = 760 мм рт. ст. = 1,0332 кг/см2 = 1,0136 бар.

13

3.4.2. Приборы для измерения давления Приборы, измеряющие избыточное давление, называются мано-

метрами, вакуум – вакуумметрами, атмосферное – барометрами.

Все приборы для измерения давлений разделяются на жидкостные, механические и электрические.

Наибольшее распространение получили механические манометры.

3.4.2.1. Жидкостные манометры в различном конструктивном исполнении используют для измерения небольших давлений или разности давлений с большей точностью. U-образный жидкостный манометр представляет собой изогнутую стеклянную трубку, до половины залитую жидкостью (рис. 11). Один конец трубки подключается к сосуду с замеряемым давлением Рх, второй конец открыт для атмосферного

давления Ратм.

Px

Pат

h

Рис.11. Схема U-образного жидкостного манометра

О величине давления в сосуде судят по разности высот h столбов жидкости в коленах. В любом случае давление в сосуде уравновешивается атмосферным давлением и весом столба жидкости в колене.

В случае избыточного давления в сосуде часть жидкости из левого колена манометра перетечёт в правое. Величина измеряемого давления

Рх = Ратм + ρжgh,

где ρж – плотность жидкости, залитой в манометр; g – ускорение свободного падения.

14

В случае разрежения в сосуде атмосферное давление выдавит часть жидкости в левое колено, и измеряемое давление в сосуде будет

Рх = Ратм − ρжgh .

Как видно, в обоих случаях столб жидкости в манометре показывает разность между атмосферным давлением Ратм и давлением в со-

суде Рх, поэтому иногда эти манометры называются дифференциаль-

ными.

На точность показания жидкостного манометра большое влияние оказывает температура окружающей среды, поскольку жидкость в манометре в зависимости от температуры будет сжиматься или расширяться. Для исключения погрешности из-за температурного коэффициента расширения жидкости показания манометра приводят к нулевой

температуре:

H0 = ht ( 1 −αt ),

где α – коэффициент объёмного расширения жидкости, залитой в манометр, для ртути αрт = 1,72 10-4 1/°С; для воды αвд =1,4 10-5 1/°С; ht , H0 – высота столба жидкости манометра соответственно при температуре окружающей среды и приведенная к температуре 0°С.

Чашечный манометр подобен U-образному, у которого одно ко-

лено выполнено в

виде сосуда

P

60

(рис. 12).

40

Измеряемое давление дейст-

вует на поверхность жидкости в

20

0

широком

сосуде

1, заставляя

жидкость подниматься или опус-

каться по измерительной трубке

2. Отсчёт производится по поло-

Рис. 12. Чашечный манометр:

жению уровня жидкости в изме-

рительной

трубке.

Изменением

1 – сосуд; 2 – измерительная трубка;

3 – шкала

высоты в широком сосуде из-за

малости обычно пренебрегают. Микроманометры в отличие от чашечных имеют наклонную из-

мерительную трубку (рис. 13). Используются для замера особо малых давлений.

		15
		P1	f
P2	P	l	α
Рис. 13. Микроманометр

Измеряемое давление определяют из выражения:

Рх = Ратм − ρ g l sinα.

Жидкостные манометры просты в изготовлении, относительно дешёвы, обеспечивают высокую точность измерения. Однако они требуют повышенной осторожности в обращении, особенно при использовании ртути в качестве манометрической жидкости.

3.4.2.2. Механические манометры, вакуумметры, мановакуум-

метры применяют для измерения давлений от единиц до нескольких тысяч Паскаль. Изготавливают по различным классам точности. Принцип действия этих приборов основан на деформации различного рода упругих элементов: трубчатых пружин, мембран, мембранных (анероидных) коробок, сильфонов.

Трубчатые пружинные приборы просты, портативны и дешевы. На рис. 14 показан механизм манометра с трубчатой пружиной.

Рис. 14. Схема манометра с трубчатой пружиной

16

Трубчатая пружина 1 закреплена одним концом в держателе 2. Свободный конец трубчатой пружины соединён шарнирно поводком 3 с сектором 4, который связан зубчатым зацеплением с осью 5, на которой насажена указательная стрелка. Внизу держатель снабжён ниппелем 6. При замере давления внутренняя полость пружины, держателя 2 и ниппеля 6 находится под давлением среды. Под действием давления пружина деформируется, свободный её конец перемещается и через описанную выше систему передачи указательная стрелка поворачивается на некоторый угол. Угол поворота пропорционален измеряемому давлению. Пружинные манометры часто используются как самопишущие.

Вакуумметры и мановакуумметры устроены аналогично выше-

описанному манометру. Шкала манометров градуируется в кг/см2, вакуумметров в мм рт. ст.

Трубчатые пружинные манометры требуют обязательной периодической проверки и регулировки в процессе эксплуатации, поскольку в условиях постоянных знакопеременных нагрузок в трубке манометра появляются остаточные деформации.

Мембранные (анероидные) манометры получили большое распространение для измерения атмосферного давления, в силу чего их называют барометры – анероиды.

Рис. 15. Схема барометра анероида

Барометры. Барометры применяют для измерения атмосферного давления. Наиболее распространёнными являются чашечные барометры с ртутным заполнением, отградуированные в мм рт. ст. (рис.15). Погрешность считывания высоты столба не превышает ± 0,1 мм, что достигается использованием нониуса 1, совмещаемого с верхней частью мениска ртути. Значение температуры барометра, измеряют термометром 2.

Поршневые манометры применяют,

как правило, для градуировки пружинных манометров. Принцип действия их (рис. 16) основан на создании грузами 1 и поршнем 2 определённого давления в цилиндре 3. Величину измеряемого давления

17

определяют по весу груза, поршня и площади поршня.

Рис. 16. Схема поршневого манометра

3.4.2.3. Электрические манометры

Электрические манометры или электрические индикаторы давления широко применяют для измерения быстроменяющихся, высоких и сверхвысоких давлений. Принцип работы электрических манометров основан на использовании таких физических явлений, как изменение сопротивления проводников при воздействии внешнего давления, возникновение электрических разрядов при деформации некоторых кристаллов в определённом направлении, изменение электрической ёмкости и т.д.

Пьезоэлектрические манометры. Принцип действия манометров этого типа основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого состоит в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины, которая вырезается перпендикулярно электрической оси кристаллов кварца.

		Схема пьезоэлектрического мано-
		метра представлена на рис.17. Измеряе-
		мое давление с помощью мембраны 1
		преобразуется в усилие, сжимающее
		кварцевые пластины 2. Электрический
		заряд, возникающий на металлизиро-
		ванных плоскостях 3 под действием
	Рис. 17. Схема	усилия F со стороны мембраны 1, оп-
		ределяют выражением
	пьезоэлектрического манометра
		Q = kF = kSP ,

где P – давление, действующее на металлическую мембрану 1 с эффективной площадью S ; – пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н.

18

Устройство датчика пьезоэлектрического манометра показано на рис. 18. В корпусе датчика расположены две кварцевые пластины 1, прижатые сторонами с одинаковой полярностью к пластине 2. Вторые стороны кварцевых пластин прилегают к металлическим опорам 3, зажатым мембраной 4 и гайкой 5. Датчик соединяется с измеряемой сре-

дой каналом 6. При измерении дав-

5				ления положительный заряд отво-
				дится на корпус, а отрицательный
3			2	заряд снимается контактной пласти-
				ной 2 и с помощью проводов 7 пода-
1
				ётся на измерительное устройство.
3					Манометры		сопротивления
4				основаны на		изменении		электриче-
				ского сопротивления некоторых ве-
				ществ (уголь, платина, константан,
				миганин и др.) при воздействии на
	Рис. 18. Датчик			них внешнего давления. Такие ма-
пьезоэлектрического манометра				нометры применяют для замера дав-
				ления в 3000 МПа и выше.
					На рис. 19 показан дат-
2	3	1	4	5	чик манганинового маномет-
					ра сопротивления.
					В	корпус		1 датчика
					ввёрнута гайка 2, в каналах
					которой проходят два метал-
					лических стержня для закре-
					пления	катушки		манганино-
					вого сопротивления 4 и для
Рис. 19. Датчик манганинового					вывода концов провода к из-
					мерительному		прибору. Ка-
	сопротивления
					нал 5 соединяет манометр со

средой, в которой измеряется давление.

Для измерения сопротивления датчика обычно применяют мосты или потенциометры.

Все перечисленные приборы для измерения температуры и давления являются устройствами для прямого или косвенного сравнения измеряемых величин с соответствующими единицами измерений.

19

С точки зрения назначения и точности измерения различают приборы: образцовые, лабораторные, технические.

Образцовые предназначены для воспроизведения и хранения единиц измерения, для проверки и градуировки лабораторных и технических приборов.

Лабораторные предназначены для лабораторных работ, нуждающихся в учёте класса точности измерений.

Технические используют для практических целей при определённой, установленной характером производства, точности измерения.

Для каждого типа прибора устанавливается допустимая погрешность – разность между показаниями прибора и действительным значением измеряемой величины. Величина допустимой погрешности от максимального значения шкалы прибора, выраженная в процентах, считается классом точности прибора. Наиболее распространённые приборы имеют классы точности: 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Технические приборы выпускают 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 классов точности.

4.ФУНКЦИИ СОСТОЯНИЯ

4.1.Кроме разобранных основных трёх параметров P , T и υ, из которых два определяют непосредственным измерением, существует вторая, более сложная, категория параметров, дополняющих основные. Это так называемые функции состояния. Особенность функций состояния заключается в том, что их нельзя замерить, они определяются только расчётным путём. К функциям состояния относятся внутренняя

энергия, энтропия, энтальпия, эксергия.

Изменение функций состояния зависит только от начальных и конечных значений основных параметров. В силу чего их называют функциями состояния.

4.2.Внутренняя энергия U , согласно МКТ, − это сумма кинетической энергии поступательного и колебательного движений молекул, которая зависит от температуры вещества; потенциальной энергии – энергии взаимосвязи между молекулами и атомами, последняя зависит от удельного объёма.

Следовательно, всякое изменение внутренней энергии тела (если отсутствуют химические превращения) заключается в изменении энергетических составляющих теплового движения его молекул и удельно-