11
I
I I I I I I I
I.;!!I
'II
II
r
I
PONITARYTEMPERATURY , PLYNOW I CIAL STALYCH
I
I" r
:/1
POIv.1IARTEMPERATURY CELCWICZENIA
Celem cwiczenia jest
-zapoznanie sie z róznymi typami przyrzadów termometrycznych;
-przeprowadzenie pomiarów temperatmy termometrami o róznej konstrukcji;
-wyznaczenie bledów pomiaru wynikajacych ze sposobu umieszczenia przyrzadu pomiarowego;
-okreslenie charakterystyki skokowej czujnika termometrycznego.
\VP R O W .AD ZENJE
Temperaturajest miara energiikinetycznej czasteczek substancji, a zatem sluzy olcresleniu stanu-energetycznegocial. Pomiar temperaturyma charakter posredni i polega na okresleniu zmian wlasnosci fizycznych cial zaleznych od temperatury i wyrazeniu ich przez' wartosci liczbowe w odpowiednich skalach termometrycznych.
Podczas pomiaru temperatury wykorzystuje sie tzw. zasade Fowlera- zerowa zasade termodynamiki.Glosi ona, ze jezeli dwa ciala znajduja sie w równowadze termicznej z trzecim ciale~ to sa one w równowadze termicznej miedzy soba. Tak wiec o równosci temperatur dwóch cial swiadczajednakowe wskazania termome1ru(1rzeciegociala)bedacego w kontakciez kazdym cialem z osobna. Ponadto oba ciala nie zmienia swej temperatury (nie nastapi wymiana ciepla) po zetknieciuze soba.
!
I
..
I
1.1
IJ
II .
P O D ZIAL P RZYRZAP Ó W D O P O Jv1IARU TErYIP ERA TUR Y
Przyrzady do pomiaru temperatury podzielic mozna na stykowe i bezstykowe.
l. Przyrzady wykorzystujace metody stykowe nazywa sie termometrami. Czujnik temperatury styka sie bezposrednio z cialem lub badanym osrodkiem i wymienia
cieplo na zasadzie przewodzenia, konwekcji i (lub) promieniowania.
Przyrzady te podzielic mozna na:
-Irieelektryczne; wsród nich: termometry rozszerza1nosciowe i cisnieniowe;
-elektryczne; wsród nich: termometry termoelektryczne, rezystancyjne;
2.Bezstykowe \metody pomiaru temperatury cial wykorzystuja zjawisko wysylania promieniowania cieplnego przez nagrzane cialo. Polegaja one na pomiarze wielkosci charakteryzujacej promieniowanie i zaleznej od temperatury.
Przyrzady takie, najczesciej wykonane jako optyczne, sa nazywane pirometrami.
PRZEGLAD OBEJMUJACY ZASADY DZIALANIA I BUDOWE
NIEKTÓRYCHTYPÓWTERM:Olv1ETRÓW l. Termometry rozszerza1nosciowe cieczowe.
Sa to termometry wykorzystujace 7JT11aneobjetosci cieczy termometrycznej /rozszerza1nosc objetosciowa! przy 7JT11rolietemperatury. Termometr ~ki-sklada
A
O~J
\9.-(. 4};uJ{V ~~ ,{':ijV,.,'71 C.;G f ,Ii
~
r.'~" '~.'
~
sie ze zbiorniczka wypelnionego ciecza termometryczna /stanowiacego czujm1cJi z polaczopej-z ninr cienkiej rurki ~ilamej zaopatrzonej w skale. Najczesciej . stosuje sie termometry szklane cieczowe napehrione rtecia, alkoholem etylo~
toluene~ pentanem, w zaleznosci od pozadanego zakresu pomiarowego.
Najczesciej ~osowana ciecza termometrycznajest rtec ze wzgledu na mozliwosc zastosowania dla szerokiego przedzialu mierzonej temperatury, niezwilzalllosc szld~ dobre wlasciwosci cieplne.
Zaletami termometrów cieczowych sa: prosta budow~ duza doldadnosc, dosc szeroki zakres pomiarowy, mozliwosc prowadzenia obserwacji ciaglych oraz to, ze nie potrzeba dodatkowych przyrzadów do wykonania pomiaru.
Wadami sa: brak mozliwosci zdalnego pomiaru temperatury oraz rejestracjiwskaz~ utrudnionesa tezpomiarytemperaturyszybkozmiennej.
2. Termome1Iycisnieniowe(manometryczne).
Sa to termometry wykorzystujace zjawisko zmiany cisnienia ciala termome1Iycznego (ciec~ para-ciecz). Ze wzgledu na zastosowane cialo termome1Iyczne,termometrycisnieniowemozna podzielic na: cieczowe, parowe, gazowe.
W termometrach cisnieniowychcieczowych ciecz termome1Iyczna (rtec, naft~ alkohol metylowy) wypelnia zamkniety uklad skladajacy sie z czujm1(a, uldadu pomiarowego (rurkaBourdona)i kapilarylaczacej czujnik ze wskazówka.
Zmiana temperatury czujnika wywoluje zmiane cisnienia w ukladzie i w konsekwencji odksztalcenie rurki Bourdona przenoszone na uklad wskazówkowy, co pozwala okreslic (empirycznie) funkcje odksztalcenia odpowiadajacego danej temperaturze.
Na dokladnosc wskazan termometrówwplyw decydujacy maja: wahania temperatury otoczenia oraz róznica poziomówumieszczenia miernikai czujm1<:a.
Zmiany temperatury otoczenia kapilary i elementu sprezystego (wystepujace przy duzej odleglosci czujnika od miernika)powoduja zmiane objetosci cieczy termometrycznej, a co za tym idzie
-
zmiane cisnienia cieczy wewnatrz ukladu termometru. Nalezy wówczas stosowac urzadzenia kompensujace powstaly uchyb temperatury. Uchyb temperatury wynikajacy z róznicy poziomów umieszczenia miernika i czujnika mozna wyeliminowac nastawiajac polozenie zerowe wskazówki miernika po zainstalowaniu termometru. Termometry cisnieniowe cieczowe wykonujesie w klasieniedokladnosci do 1.5%.3. Termome1Iy rezystancjjne (oporowe).
Zasada dzialania czujników rezystancyjnych polega na wykorzystaniu zmiennosci rezystancji czynnego elementu czujnika pod wplywem temperatury.
Wiekszosc metali wykazuje zwiekszenie rezystancji ze wzrostem temperatury.
Elektrolity, pólprzewodniki i materialy izolacyjne zmniejszaja swoja rezystancje przy wzroscie temperatury, .
<--?
Czujniki rezystancyjne metalowe.
Sposród czysty~ metalina czujnikitermometrycznenajczesciejuzywa sie platyny, m1dui miedzi. Platyna:wyrózniasie staloscia wlasnosci fizycznych,jest kowalna i odporna na korozjefurmometry rezystancyjne platynowew zakresie temperatury -190-630°C sa najdokladniejsZymitermometrami.Nikiel (stosowany w zakresie temperatur -60-300°C),charakteryzuje duza wartosc wspólczynnika termicznej zmiany rezystancji;jest odporny na wplywy chemicznei utlenianie.
Miedz, malo odporna na utlenianie,jest stosowana do pomiarów temperatury otoczenia i nizszej.
Czujniki oporowe wykonuje sie z cienkich drutów (0.04-0.1 mm) nawinietych na róznie przygotowane materialy izolacyjne. Ze wzgledu na
delikatna konstrukcje, czujniki umieszcza sie w oslonach metalowych, które chronia opornik przed zwarciem, wilgocia, wplywami chemicznymi i zniszczeniem mechanicznym.
Ze wzgledu na stosunkowoduze wymiary czujników rezystoro\V)'ch, nie nadaj a sie one do pomiaru temperaturymalych przedmiotów lub przestrzeni.Ze wzgledu na niewielka rezystancje czujnika, w dokladnych pomiarach nalezy uwzgledniac wplyw zmian opornosciprzewodów przylaczeniowych(zwlaszcza jesli sa one dlugie) na wynik pomiaru.
.. Czujniki rezystancyjne pólprzewodnikowe (termistory).
Czujnilci termometrów termistorowych wykonywane sa zwykle z proszków tlenków (siarczków, krzemianów) róznych metali, takich jak: nikieL kobalt, miedz, zelazo, mangan, cynk, tytan, alunrinium, magnez. Proszki sa spiekane w wysolciej temperaturze. Same czujniki wykonuje sie w postaci plytek, bagietek, precików itp. Zalcres stosowania termistorów wynosi -100-300°C.
Zaleta termistorów w stosunku do rezystorów metalowych jest mozliwosc uzyskania duzych czulosci pomiaru, siegajacych O.OOI1<.,glównie dzieki duzej wartosci wspólczymrika termicznej zmiany rezystancji oraz malej bezwladnosci cieplnej wynikajacej z mozliwosci uzyskania stosunkowo niewielkich rozmiarów czujnilca. Czujnilci te moga byc równiez wykorzystywane przy pomiarach punktowych oraz przy pomiarach temperatur szybkozmiennych. . Duzy opór czujnika umozliwia stosowanie dlugich przewodów miedzy czujm1ciem i miemilciem. Wada termistorów jest mozliwosc starzenia sie materialu pólprzewodnika, szczególnie przy przelcroczeniu dopuszczalnej temperatmy, w wyniku czego w sposób nieodwracalny zmieniaja sie jego wlasnosci. Do wad mozna tez zaliczyc koniecznosc zabezpieczenia ternristora przed samo podgrzewaniem sie, które powoduje duzy uchYb pomiaru.
W przypadku wszystkich typów termometrów rezystancyjnych istnieje koniecznosc stosowania dodatkowych urzadzen pomiarowych i zewnetrznych zródel zasilania. Do pomiarówwykorzystujesie urzadzenia mierzacerezystancje.
Najczesciej stosowana jest metoda móstkowa, oparta na zasadzie pomiaru
J,
-- ~~I
L--
,
,
l
t
,
\
1\
I
I
I I
~
'I
,
\
\
,
l
I
.. -~,-:::i
~
:;,,"",.. "7:..'
rezystancji mostkiem Wheatstone'a zrównowazonymlub niezrównowazonym.
pomiar temperatury przez pomiar rezystancji czujnika termometrycznego, wymaga znajomosci charakterystyki rezystancyjno-temperaturowej danego
.czujnika.
4. Termometry termoelektryczne.
Czujnik termometru termoelektrycznegosklada sie z dwóch przewodów wykonanych z róznych metali, zlaczonych na jednym koncu w spoine, umieszczona, w srodowisku, którego temperature zamierza sie mierzyc Gest to tzw. spoina pomiarowa). Pozostale dwa konce, które zwykle znajduja sie w innej temperaturze niz mierzona, nosza nazwe wolnych przewodów lub spoiny odniesienia. W obwodzie zamknietym, powstalym ze zlaczenia dwu róznych metali, gdy miejsca ich styku znajduja sie w róznych temperaturach, powstaje sila termoelektryczna, która jest proporcjonalna do róznicy temperatur spoiny mierniczej i spoiny odniesienia. Jezeli temperatura spoiny odniesienia nie bedzie sie zmieniala w czasie, to sila termoelektryczna w omawianym obwodzie bedzie funk9ja tylko spoiny mierniczej. Przy dokladnych pomiarach do stabilizacji temperatury spoiny odniesienia stosuje sie: mieszanine wody destylowanej z lodem, chlodnice pólprzewodnikowe, ultratermostaty.
Najczesciej stosowane termoelementy: miedz konstantan (Cu-Konst, -200 do 500 OC), zelazo-konstantan (Fe-Konst, -200-do 600 OC), nilciel chrom-nikiel (NiCr-Ni, do 1000 OC),platyna rod-platyna (PtRh-Pt, do .1600 OC). Stosuje sie zwylde przewody o srednicy 1-3 mm, zwlaszcza gdy chodzi o uzyskanie jak najmniej szej' rezYstancji termoelementu (przy pomiarach metoda wychylowa pradowa). Do celów laboratoI}jnych, pomiarów punktowych lub przy stosowaniu materialów drogich, stosuje sie termoelementy z drutów o srednicach 0.1-0.5mm.
Elektrody (druty) laczy sie ze soba poprzez spawanie lub lutowanie. W celu zabezpieczenia termoelementu przed uszkodzeniem mechanicznym i wplywem otoczenia, umieszcza sie go w gaZoszczelnej stalowej, kwarcowej lub porcelanowej obudowie, która powinna posiadac dobre przewodnictwo cieplne, mala bezwladnosc cieplna oraz odpornosc na uszkodzenia mechaniczne.
W przypadku, kiedy odleglosc miedzy miejscem pomiaru a przyrzadem pomiarowym jest znaczna, polaczenie termoelementu z przyrzadem pomiarowym wykonuje sie tzw. przewodami kompensacyjnymi. Charakterystyka napieciowo- temperaturowa tych przewodów jest taka sama lub zblizona do charakterystylci termoelementu, a rezystancja stosunkowo mala.
Pomiarów sily termoelektrycznej dokonuje sie za pomoca miliwoltomierza zainstalowanego w obwodzie termoelementu. Stosuje sie miliwoltomierze o.
rezystancji wewnetrznej nie mniejszej niz 100 Q, a przy doldadniejszych pomiarach do ok 1000 Q. Charakterystyki napieciowo-temperaturowe termoelementów podawane sa w postaci tablic lub wylaesów przy olaeslonej temperaturze spoiny odniesienia (najczesciej Oec).
~
~
I I
I I I I I I I I I I I I
~
UWAGI OGÓLNE DOTYCZACE :METODYIG PROWADZENIA
PO 1YfIARÓW TEMPERATURY
Prowadzac pomiary temperatury, nalezy wybrac wlasciwa metode pomiaru, rodzaj termometru.,jego za1aes i klase niedokladnosci.Mozna sie przy tym kierowac nastepujacymiwskazówkami:
-
w pomiarach wykorzystywac wlasnosci fizyczne ustroju pomiarowegozalezneliniowood temperatury; .
-
dla dokladnego wyznaczenia temperatury ciala, kontaktujacy sie z nim miernik powinien miec jak najnmiejszapojemnosc cieplna-
przy umieszczaniu termome1ronalezy pamietac, ze jest on zródlem zaburzen istniejacego pola temperatur,-
nalezy ograniczac do minimum wplyw otoczenia o temperaturze innej niz temperatura obiektu pomiaru, gdyz moze nastapic wymiana ciepla pomiedzy termometrem i otoczeniem, np. droga promieniowania, co zafalszuje wynikpomiaru. '
Do doldadnych pomiarów temperatury cial stalych uzywa sie najczesciej termoelementów. Istotnyjest w tym przypadkujak najlepszy kontakt czujnika z miejscem pomiaru. Przy pomiarach temperatury cieczy znajdujacej sie w spoczynku stosowac mozna dowolne termometry. Czesto do wyrównania temperatury cieczy stosuje sie mieszadla. Do pomiaru temperatury gazu w spoczynku stosowac mozna dowolne termometry, pamietajac jednak aby zapobiec wymianie ciepla przez promieniowanie miedzy czujnikie~ a otoczeniem, oslaniajac czujruk elcranem.Czesto dla poprawienia wspólczynruka przejmowania ciepla miedzy tak obudowanymczujnikiem i osrodkiem badanym wywoluje sie wymuszonyprzeplyw gazu omywajacego czujniktermome1ro(tzw.
termometry aspiracyjne).Pomiar temperaturyplynu znajdujacegosie w ruchujest zwylde obarczony bledami spowodowanymigló~e przez odprowadzanieciepla z miejsca pomiaru przez czujnik termometrui promieniowanie.CzujIDkpowinien wiec miec mozliwie male wymiary, a ewentualna jego obudowa powinna posiadac zle przewodnictwo cieplne.Przestrzen miedzy czujnikiemtermometru a tuleja ochronna wype1niasie olejem, piaskiem lub opilk::nnimetali do górnego poziomu czujIDka. Miejsce, w którym jest termometr, powinno byc izolowane cieplnie. Zmniejszenie strat ciepla przez promieniowanie uzyskuje sie poprzez polaycie powierzchni czujnika materialem o. malym wspólczynniku promieniowania (np.zlotem, srebrem, platyna) lub poprzez zastosowanie ekranu w postaci cylindrycznej tulei wykonanej z materialu o malym wspólczynniku promieniowania, umieszczonej wokól czujruka. W przypadku pomiarów temperatury gazów, czesto stosuje sie czujniki o powierzchniach ozebrowanych (zebra z materialu o duzym wspólczynniku przewodzenia ciepla i mozliwie malym wspólczynniku promieniowania).
.,
i
I.
! . I
IIIi
i'
I!!
~
~
II
11
~II it li II
II
II
~
;,r!!III! . ..!I!!L !!
~"""."
~(-'
ZAKRE S C\VI CZENIA
1. Pomiar temperatury cieczy termometrami rozszerza1nosciowymi
2. Pomiar temperatury gazu (powie1Iza) termome1rami: termoelekt:ryczn~
oporowym i aspiracyjnym.
3.Wyznaczenie i porównanie charakterystyk dynamicznych termome1rów rozszerza1nosciowych, termoelektrycznych i oporowych.
CZESC DOSWIADCZALNA "
1.Pomiar temperatury cieczy termometrami rozszerza1nosciowymi.
1.1. Wyznaczenie poprawek wskazan termometrów rteciowych.
Dla wyznaczenia wplywu histerezy szkla, z którego wykonano termome1ry, nalezy je umiescic w termosie z topniejacym lodem (O°C)i po ustaleniu sie temperatury odczytac wskaz~nia poszczególnych termometrów.
Odchylke wskazan od wartosci O oC nalezy przyjac jako stala poprawke dla danego termometru i uwzgledniacprzy dalszychpomiarach.
Nastepnie termome1ry przenosi sie do ultratermostatu i porównuje ich wskazania ze wskazaniami termome1rn kontrolnego (wzorcowego). Pomiary wykonac nalezy dla 1Izech kolejno ustawianych na termome1Izekontaktowym wartosci temperatur wody w ultratermostacie. Wszystkie pomiary wykonywane sa dwulaotnie: dla termome1rówgleboko zanurzonych oraz ustawionychtak, ze zanurzone sajedynie banki z ciecza termometrycZIla:
Nalezy stwierdzic, czy badane termome1rynadaja sie do pomiarów (odchylki wyznaczone w temperaturzeO oC oraz w temperaturze utrzymywanejw ultratermostacie powinny byc jednakowe dla danego termometru). Ponadto porównac nalezy wskazania termome1róww zaleznosci od stopnia zanurzeniaw CIeczy.
2. Pomiar temperatury powie1Iza.
2.1. Pomiar temperatury powie1Iza termome1rem oporowym.
Do pomiaru wykorzystuje sie termome1r oporowy typu Pt 100. Wyznaczyc nalezy opór elektryczny czujnika wraz z przewodami przylaczenio~
wykorzystujac do tego mostek Wheatstone'a zasilany z zewna1IZprzez zasilacz stabilizowany pradem I 10A o napieciu U 2V. Dobór oporo równowazacego mostek jest kontrolowany za pomoca cyfrowego miliwoltomierza. Schemat uldadu pomiarowego przedstawiono na rys.l.
W celu porównania otrzymanej wartosci oporo czujnika Pt 100 z jego charakterystyka termiczna, nalezy zmierzyc temperature powie1Izaw otoczeniu czujm1cauzywajac termome1ruaspiracyjnego.Nastepnie dla otrzymanejwartosci temperatury oblicza sie odpowiadajacyjej opór czujnika oporowego,korzystajac z wyrazenia stanowiacego charakterystyketermicznaPt 100:
Rt
R,(
1+at+bf) [Q] .gdzie Rt- opór czujnika w temperaturze t [Q] "
b"
<;";';".; """-,,."": -,-
I
i
I
I
L
-
,
R,- opór czujnika w temperaturze O°C,Ro=100 Q a 3.96847 .10-3
b= -5.847 .10-7
Ptl00
mV
rys. 1.Schemat ukladu do pomiaru temperatury powietrza termometrem oporowym.
Na podstawie porównania zmierzonej i wyliczonej wartosci oporu czujnika, oszacowac nalezy opornosc przewodów przylaczeniowych. Dla kontroli mozna równiez wyznaczyc opór przewodów przylaczeniowyc~ mierzac opór Pt 100 w temperaturze OoC (temperatura mieszaniny wody z lodem) i porównujac wynik z wartoscia wzorcowaR,=100 Q.
2.2.Pomiar temperatury powie1rza termometrem termoe1eld::rycZI1ym.
Do pomiaru wykorzystuje sie termopare typu NiCr-Ni, której charakterystyke (fragment)zalaczono w tab.l. i tab.2.
Schemat ukladu pomiarowegoprzedstawia rys. 2. Spoine odniesieniaumiescic nalezy w termosie zawierajacymmieszanine wody z lode~ a spoinepomiarowa usytuowac w poblizu czujnika Pt 100. Wolne konce przewodów podlaczyc do miliwoltomierza (zakres 10 mV) i zmierzyc napiecie odpowiadajacepowstalej sile termoelektrycznej. Korzystajac z charakterystyki termopary, okreslic temperatura powietrza.
~
~
~I
mreszanma wody z loden
.1
.1I
;;J
spomapom1arowa
spoma odniesienia
rys.2.Schemat ukladu do pomiaru temperatmy powietrza termometrem termoelektrycznym.
7
- --" .. ,. ._= """""~=
~
Nalezy zestawic i porównac wyniki pomiarów temperatury powietrza uzyskane za pomoca termometru oporowego .oraz termopary.
~
3. Wyznaczenie charakterystykdynamicznychtermometrów.
Charakterystyke dynamiczna termome1ru uzyskuje sie przenoszac mozliwie szybko termometrz termosu zawierajacegomieszanine wody z lodem ob~~ (t=0 o~) .do.ultratermostatuz ~oda o ~ej, ~~ ~zej tempe~e. P~
\
~
przemesIemu termometru, rmerzy SIe czas oSlagmecla temperatury rowneJ"~tw (tw- temperatura wody w ultratermostacie) oraz czas osiagniecia wskazania temperatury wody w ultratermostacie. Dla uzyskania dokladnego przebiegu czasowego odpowiedzi skokowej badanego przyrzadu, nalezy dodatkowo odczytywac temperatury wskazywane przez termometr w równych przedzialach czasu ustalania sie temperatury. Opisana metoda otrzymuje sie wylaes zaleznosci chwilowego wskaVJnia temperatury w czasie: L f('t) oraz wartosc tzw. stalej czasowej ('to)badanego termometru Gest to czas osiagniecia 63"2...temperatury równej ~w). Stala czasowa olaesla bezwladnosc cieplna czujnika termometru. Zalezy ona ód wlasnosci konstrukcyjnych i fizycznych czujnika jak i warunków wymiany ciepla miedzy czujTIilciema otoczeniem. W zaleznosci od chara1.1:eruzmiennosci mierzonej temperatury, nalezy dobrac termometr o odpowiedniodobranej stalej czasowej.
3.1.Wyznaczenie charakterystykidynamicznejtermometrurozszerza1nosciowego oraz termoelektrycznego.
Postepujac zgodniez opisana metodyka, wyznaczyc nalezy stala czasowa oraz czas osiagniecia przez czujnik zadanej temperatury koncowej, dla wybranego termometru rteciowego oraz termopary (NiCr-Ni). W przypadlcu termometru rteciowegoposzczegó1netemperaturyodczytujemyprzy zanurzonym sluplcu rteci. Poslugujac sie termopara odczyty temperatur zastepujemy opowiadajacymi im odczytami napiecia rejestrowanego przez miliwoltomierz.
Czas mierzony jest stoperem.
3.2. Wyznaczenie charakterystykidynamicznejtermometruoporowego.
Do wyznaczenia zostanie charakterystyki dynamicznej czujnika oporowego Pt 100 wykorzystany zostanie opisany w punkcie 2.1. uldad do
pomiaru opornosci. Tok postepowania:
-ustawic na mos1i1l Wheatstone' a opór R ~ +opór przewodów przylaczeniowych; (Ro=l00 Q)~
-wlozyc 9Ujnik do termosu zawierajacego wode z lodem i zaczekac az uklad sie wyzeruje (miliwoltomierz wskaze napiecie 0.000, czujTIil<:osiagnie wtedy temperature O°C)~(czas trwania ok20 min.!)~
-ustawic na mostku Wheatstone' a opór R R>.~tw+opór przewodów przylaczeniowych CRD.642tw-Opórodpowiadajacy temperaturze 0.@2 tw)
-szybko przelozyc czujnik do ultratennostatu o temperaturze tw i zmierzyc czas, po którym mostek sie wyzeruje (czujnik osiagnie temperature 0.6~tw)
8
