ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 1

Вивчення приладів для виміру термодинамічних параметрів

Ціль: вивчити найпоширеніші способи виміру температури й тиску, які застосовуються в промислових теплоенергетичних і теплотехнічних установках, конструкції й принципи роботи приладів для виміру температури й тиску.

1.1 Загальні вказівки

Перш ніж приступитися до вивчення способів виміру термодинамічних параметрів (Р и Т), проробіть відповідні розділи курсу "Термодинаміка й теплотехніка" по конспекті й роботам. Термодинамічні параметри стану, питомий об’єм (υ), абсолютний тиск ( Р_абс ) і абсолютна температура ( Т ) є величинами, які відігрівають важливу роль при складанні рівнянь стану ідеальних і реальних газів, аналізі термодинамічних циклів і процесів, що протікають у теплових і холодильних машинах. Питомий об'єм звичайно розраховують, а температуру й тиск вимірюють.

Одним з найважливіших термодинамічних параметрів є абсолютна температура. Для виміру температури застосовують різні шкали - Цельсія, Кельвіна, Фаренгейта й ін. Найбільш вживаною є міжнародна стоградусна температурна шкала (шкала Цельсія,^ос), у якій інтервал температур від крапки плавлення льоду до крапки кипіння води при атмосферному тиску розбитий на сто рівних частин (градусів). Особ -

ливо важливу роль у термодинаміку грає так звана термодинамічна шкала температур (шкала Кельвіна, К). Співвідношення між шкалою Цельсія й Кельвіна наступні:

Т, К = t, ^ос + 273,15

t, ^ос = Т, К - 273,15.

Інший важливий параметр стану – абсолютний тиск – являє собою силу, що діє по нормалі до поверхні тіла й віднесену до одиниці площі цієї поверхні. Необхідно знати, що надлишковий тиск не є параметром стану, оскільки воно залежить від тиску навколишнього середовища. Основними одиницями виміру тиску в системі СІ є Паскаль (1 Па = 1 Н/м²), використовується також кілопаскаль, мегапаскаль і т.д.: 1 Па = 10^-3 кПа, 1 Па = 10^-6 МПа. У техніці застосовуються й інші одиниці виміру тиску: бар, так звана технічна атмосфера або просто атмосфера (1 кгс/см²), міліметр ртутного або водного стовпа.

При визначенні абсолютного тиску (яке відлічується від абсолютного нуля тиску або абсолютного вакууму) варто розрізняти два випадки (рис. 1.1):

а) тиск у посудині більше атмосферного;

б) тиск у посудині менше атмосферного.

У першому випадку абсолютний тиск варто визначати за формулою:

Р_абс = Р_изб + Р_атм,

а в другому випадку - за формулою

Р_абс = Р_атм - Р_вак.

Якісна високопродуктивна й економічна робота теплових пристроїв вимагає застосування сучасних контрольно-вимірювальних приладів, найбільш зроблених високоточних способів виміру. У промислових системах автоматизації застосовуються наступні пристрої для вимірювальної апаратури:

– термоелектричні термометри (термопари);

– термометри опору;

– пірометри випромінювання:

– манометричні термометри;

– термометри розширення.

Як датчик температури широко використовуються термопари. В основу виміру температури за допомогою термопар покладене явище термоелектричного ефекту, тобто залежність термоелектрорушійної сили (ЕДС), що виникає на спаї двох різнорідних провідників (рис. 1.2). У схему термоелектричного ланцюга входить термопара, сполучні дроти й вимірювальний прилад. Термопара складається із двох різнорідних провідників 2, кінці яких спаяні між собою. Спай I називають робочим, а кінці 3 - вільними. Вимірювальний прилад 5 з'єднується з термопарою за допомогою сполучних проводів 4. У якості вторинного вимірювального приладу застосовуються мілівольтметр або потенціометри.

Для одержання однозначної залежності між термоедс і температурою робочого спаю вільних кінців повинна бути стабілізована. Вільні кінці не завжди можна термостатувати, т.б підтримувати їхню температуру постійної безпосередньо поблизу термопари, тому їх переносять в інше місце. Для цієї мети застосовують так звані компенсаційні дроти 4.

Необхідно знати, що найпоширеніші термопари стандартних градуйовок: ПП. (платинородій - платина), ХА (хромель - алюмель), ХК (хромель - копель) і ін. Платинородій - платинові термопари застосовують для виміру середовища температурою до 1600 ^ос ; хромель — алюмелеві - до 1000 ^ос і короткочасно до 1300 ^ос; хромель – копелеві – до 600 ^ос і короткочасно до 800 ^ос. Конструкція термопари показана на рисунку 1.3.

Рисунок 1.2 – Спай двох різнорідних Рисунок 1.3 – Конструкція

провідників термопари

Електроди ізолюють друг від друга порцеляновими трубками й поміщують у захисний чохол 2. Він залежно від температури середовища виготовляється з порцеляни, карборунду, жаротривкої сталі. У голівках термопари 1 поміщають пластмасову або порцелянову панель із клемами. З середини до клем підключені електроди - термопари, а зовні сполучні або компенсаційні проведення. Для виміру високих температур застосовують термопари з тугоплавких матеріалів, наприклад вольфраммолібденові, вольфраморенієві й інші.

Вимір температури термометрами опору засновано на властивості деяких матеріалів змінювати електричний опір залежно від температури. Термометри опору бувають металеві й напівпровідникові. Чутливий елемент металевого термометра опору являє собою тонкий дріт діаметром 0,05...0,1 мм, намотаний на каркас із ізоляційного матеріалу, наприклад, кварцу, пластмаси, або поміщену у вигляді спирали в керамічний каркас із заповненням спіралі ізолюючим порошком і наступною герметизацією чутливого елемента. Виготовлені в такий спосіб чутливі елементи містяться в захисний чохол, що потім поринає у вимірюване середовище (рис. 1.5). Чутливий елемент напівпровідникового термометра опору являє собою кристал напівпровідникового матеріалу як правило, герметизирований у скляному або металевому чохлі невеликих розмірів. У комплекті з термометрами опору використовуються логометри й автоматичні врівноважені мости. Термометри опору виготовляють із платини (ТСП) і з міді (ТСМ). Область застосувань технічних платинових термометрів опору від - 260 до + 1100 ^сС, наприклад, термометри опору типу ТСП - 5071 застосовують в інтервалі температур - 200 .... + 750 ^ос. Мідні термометри опору застосовують для виміру температур в інтервалі - 50 ... + 150 ^ос. Напівпровідникові термометри опору випускаються для виміру температур у діапазоні від 1 до 600 К. Варто знати, що в промисловості застосовуються чотири різновиди пірометрів, що вимірюють температуру по тепловому випромінюванню тіл. Вимір температури тіл пірометрами випромінювання здійснюють безконтактним способом, тобто на відстані. Всі пірометри градуюються по абсолютно чорному тілу. При цьому величина випромінювання реального тіла відрізняється від випромінювання абсолютно чорного тіла. Ці відмінності відображаються коефіцієнтом випромінювання або ступенем чорності тіла Можливість визначення температури тіл з різним ступенем чорності за допомогою того самого приладу досягається градуйовкою приладу при температурі абсолютно чорного тіла. Такі способи градуйовки призводять до одержання занижених результатів. Дійсну температуру визначають введенням виправлень на неповноту випромінювання реального тіла в порівнянні з абсолютно чорним тілом. Пірометрами основних типів є радіаційні й оптичні.

Метод виміру температури базується на залежності енергії випромінювання тіла від його температури; енергія випромінювання при цьому перетвориться в електричний сигнал, що виміряється вторинним приладом (рис. 1.4). Промені від розпеченого тіла 1 збираються лінзою об'єктива 4 і фокусуються на термочуттєвий елемент (термобатарею) 2, розташований у корпусі пірометра 3. У радіаційних пірометрах термочуттєвим елементом є багатошарова батарея, що складається з десяти дуже тонких хромель - копелевих термопар. Прилад варто візувати так, щоб нагріте тіло було видно в телескопі й закривало все поле зору. Величину термоЕДС, що розвивається термобатареєю, вимірюють мілівольтметром або потенціометром 5, відградуйованим у градусах Цельсія по температурі випромінювання абсолютно чорного тіла. Телескоп пірометра з'єднаний із вторинним приладом через панель зі зрівняльними й еквівалентними опорами, які забезпечують незалежність показання телескопа при різних сполученнях вторинних приладів. Інтервал виміру температури 100 .... 4000 ^СС і вище.

Необхідно знати, що принцип дії оптичного пірометра зі зникаючою ниткою заснований на порівнянні в монохроматичному світлі яскравості випромінювання напруженого тіла, температура якого виміряється, з яскравістю розжарення еталонної нитки. Світловий потік випуску розпеченим тілом, надходить у прилад через об'єктив і далі через окуляр в око спостерігача. Спостерігач порівнює яскравість світлового потоку з яскравістю нитки пірометричної лампи. Нитка лампи розжарюється від акумулятора, і регулювання розжарення здійснюється реостатом доти, поки верхня частина нитки не зникає на тлі зображення об'єкта.

Оптичний пірометр призначений для виміру температур від 800 до 2000 °С. Однак нитка лампи не витримує розжарення вище 1400 °С, тому для виміру температур понад 1400 °С світловий потік напруженого тіла послабляється додатковим світлофільтром. Тому шкала приладу має два різних інтервали вимірів: без світлофільтра, що послабляє (800... 1400 °С) і зі світлофільтром (1200...2000 °С).

Різновидом пірометрів монохроматичного випромінювання є фотоелектричні пірометри. У них так само, як і в оптичних пірометрах, виробляється порівняння інтенсивності випромінювання від нагрітої поверхні й від нитки лампи, але на відміну від оптичних пірометрів це порівняння виконується не візуально (на око), а за допомогою фотоелемента або фотоопору й спеціального електронного блоку. Якщо оптичний пірометр - переносний прилад, на якому операції виміру температури роблять вручну, то фотоелектричний пірометр - стаціонарний автоматизований комплект апаратури, що складає з властиво пірометра й вторинного приладу, що показує й реєструє.

Принцип дії манометричних термометрів заснований на зміні тиску робочої речовини, що знаходиться в замкнутому об'ємі, залежно від температури. Робоча речовина, укладена в термобалоні, при нагріванні створює тиск, що відповідає певній температурі речовини. Від термобалону тиск передається по капілярі до зігнутого по окружності порожній трубці манометра. Вільний кінець трубки закритий наглухо й може переміщатися. До нього за допомогою передатної механічної системи приєднані стрілка й перо. Під впливом тиску усередині трубки манометра її вільний кінець переміщається доти, поки надлишковий тиск не зрівноважиться пружним натягом матеріалу трубки. На шкалі манометра занесені значення температури, що відповідають тиску робочої речовини Як робоча речовина використовують ртуть, ксилол, бензол, хлористий мітив, азот. Відповідно манометричні термометри розділяють на рідинні, парові й газові. Межі виміру температури від 0 до 300 °С.

Крім розглянутих приладів для виміру температури у промисловості знаходять широке застосування рідинні термометри розширення, що складаються зі скляного капіляра з невеликим резервуаром унизу, заповнені ртуттю, спиртом і іншими рідинами. Рідина при нагріванні розширюється, висота її стовпчика в капілярі збільшується і є мірою температури Промислові рідинні термометри застосовуються для виміру температури до 300 ^о с. До термометрів розширення ставляться також механічні термометри з біметалічними пластинами.

Необхідно знати, що при вимірі тиску розрізняють абсолютний, надлишковий, атмосферний тиск, розрідження (вакуум), які зв'язані між собою співвідношеннями:

Р_абс = Р_над + Р_атм ; Р_розр = Р_атм – Р_абс ;

Р_абс = Р_атм – Р_розр; Р_над = Р_абс – Р_атм ;

ΔР = Р^!! _абс – Р^! _абс . ΔР = Р^!! _над – Р^! _над ,

де Р_абс – абсолютний тиск;

Р_над – надлишковий тиск;

Р_атм – атмосферний тиск;

Р_розр – розрідження (вакуум);

ΔР – перепад тиску.

Прилади, що вимірюють надлишковий тиск, називають манометрами, що вимірюють розрідження – вакуумметрами; що вимірюють різницю двох тисків – дифманометрами.

Найпростішим приладом для виміру тиску й розрідження є рідинний U- образний манометр (рис. 1.6). Він складається з 2 - колінної скляної трубки, на якій передбачена шкала, градуйована в міліметрах нагору й вниз від деякої середньої оцінки, позначеної нулем. Трубка заповнюється рідиною (водою, спиртом, ртуттю, маслом) приблизно до половини її висоти. Якщо приєднати одне з колін до сосуду, що перебуває під надлишковим тиском, то рідина в цьому коліні опуститься, а в іншому підніметься. Різниця рівнів рідини в одному й іншому колінах покаже величину надлишкового тиску, виражену в міліметрах стовпа тої рідини, що заповнює прилад. У пружинних приладах для виміру тиску й розрідження використовують пружність різних пружин (рис. 1.7): трубчастої, багатовиткової трубчастої, пластинчастої (мембрани) і гармонікоподібної - сильфону. Пружні елементи - трубка, мембрана, сильфон - у таких манометрах механічно з'єднані зі стрілкою або з електричним датчиком реєстрації показань по шкалі приладу. Для виміру невеликих тисків і розріджень застосовуються напороміри, тягонапороміри з пружними або млявими мембранними чутливими елементами.

1 - головка: 2 — штуцерна гайка; 3 — арматура; 4 — чуттєвий елемент.

Рисунок 1.5 – Загальний вигляд термометру опору