Arkadiusz Kubik

Grupa 4A

IMiR

Rok akademicki 2009/10

Sprawozdanie z laboratorium z przedmiotu Termodynamika

Temat: Termometry - pomiar temperatury

1.Wyznaczanie czułości termometru cieczowego szklanego.

Termometr: termometr rtęciowy cieczowy.

Zmiana temperatury o Δt=7^oC

Odpowiadający tej temperaturze przyrost słupka rtęci na termometrze wyniósł Δl=42 mm

Czułość termometru wyraża się wzorem

Czułość termometru cieczowego zależy od:

gdzie d - średnica rurki kapilarnej

V₂ - objętość zbiornika cieczowego

Czułość jest tym większa im stosunek
jest większy.

2. Termometry manometryczne.

Termometry manometryczne wykorzystują zależność zmiany ciśnienia wraz ze zmianą temperatury.

Budowa termometru manometrycznego:

1 - czujnik

2 - kapilarna rurka metalowa

3 - rurka Bourdona

4 - mechanizm wskazówkowy

5 - wskazówka

6 - skala

Jako cieczy termometrycznych używa się:

• rtęci dla zakresu od -30 do 600^oC,

• cieczy organicznych dla zakresu od -35 do 350^oC.

Dodatkowo na wskazania ma wpływ długość kapilary, a dokładniej związane z nią ciśnienie hydrostatyczne czynnika, które, w wypadku długich kapilar, wymaga kompensacji:

• kompensacja częściowa np. przez zastosowanie kapilary z rdzeniem wewnątrz którego objętość nie zależy od temperatury.

• kompensacja pełna np. przez zastosowanie łączników bimetalowych

Długości kapilar mogą sięgać nawet 30m

Termometry manometryczne parowe nie wymagają stosowania układów kompensacji uchybu. Pozostałe układy wymagają takich układów w sytuacji gdy temperatura czujnika jest niższa od temperatury otoczenia, oraz gdy występuje różnica poziomów umieszczenia czujnika i miernika. Termometry manometryczne wykonuje się w klasie niedokładności do 1,5%.

3 Termoelementy

Termoelement jest to zestaw dwóch przewodów (termoelektrod) wykonanych z metali czystych, stopów lub półprzewodników o różnych własnościach termoelektrycznych, połączonych z jednego końca spoiną (spoina pomiarowa, gorące końce) przy pozostałych końcach wolnych (spoina kontrolna, zimne końce). Różnica temperatur pomiędzy spoiną a wolnymi końcami powoduje powstanie pomiędzy obu wolnymi końcami siły termoelektrycznej STE, której wartość - przy wolnych końcach umieszczonych w ośrodku o stałej temperaturze - umożliwia określenie temperatury ośrodka, w którym umieszczona jest spoina. W tabelach podaje się wartość tego napięcia w przypadku, gdy oba wolne końce mają temperaturę do 0 ºC. Potencjał określa się ze wzoru:

gdzie: A - praca wyjścia elektronów k - stała Boltzman'a n - liczba swobodnych elektronów T - temperatura styku e - ładunek elektornu

n₁ n₂

Obraz koncentracji swobodnych elektronów w otoczeniu styku dwóch metali

Rodzaje termoelementów:

Rodzaj termoelementu	Zakres zastosowania
		Granica dolna	Granica górna przy ciągłej pracy	Granica górna przy krótkiej pracy
Miedź-konstantan (60%Cu+40%Ni)	-200	400	600
Chromel-kopel (89%Ni+10%Cr ,54%Ni=+46%Cu)	-50	500	800
Żelazo-konstantan(Fe-konst)	-200	600	800
Chromel-alumel	-50	1100	1300
Platyna-platynorod(90%Pt+10%Rh) PtRh-Pt	-20	1300	1600

3.Temperatura odniesienia, obliczanie poprawek, pomiar temperatury w rurowym piecu oporowym

Przy pomiarze temperatury zastosowany został czujnik : termoelement płaszczowy

NiCr-NiAl zakres temperaturowy 0 do 1000 ^oC.

Przekrój wzdłużny i poprzeczny termoelementu rysunek 1.1

Temperaturę mierzono w rurowym piecu oporowym o średnicy wewnętrznej rury 10mm.

Zakres zmian temperatury w piecu wynosi od 0 do 1000 ^oC.

Pomiar siły termoelektrycznej realizowany był metodą kompensacyjną, która polega na porównywaniu napięć z termoelementu i z wewnętrznego źródła napięcia kompensatora. Równość napięć wskazuje stan zerowy galwanometru włączonego w obwód obu źródeł. Pozwala to na przeprowadzenie pomiarów bezprądowych. Oznacza to, że przez termoelement nie płynie prąd, dzięki czemu rezystancja termoelementu nie ma wpływu na wynik pomiaru. Metoda kompensacyjna jest więc metodą porównawczą przy użyciu kompensatora napięcia. W metodzie zastosowany był kompensator Poggedoorffa KT 35 o klasie dokładności 0,1.

Pomiar temperatury zimnych końcówek (temperatura odniesienia) zrealizowano termometrem termoelektrycznym typ EMT- 01 o zakresie 0 do 200 ^oC.

Temperatura Temperatura odniesienia Wartość potencjału

To = 20,5^oC E` =31,54 mV

Wartość dokładna siły elektrotermicznej jest wyznaczona ze wzoru:

E=E`+k* T_o

Gdzie k = 0,0404

E=31,54+0,0404*20,5=32,54

Na podstawie charakterystyki termometrycznej zastosowanego termoelementu odczytujemy dla jakiej temperatury siła elektrotermiczna wynosi 32,54
. Otrzymujemy ze dla 32,54
temperatura wynosi 757,4 ^oC.

4.Termometry rezystancyjne. Pomiary

Budowa termometru rezystancyjnego:

1.Wyprowadzenie zewnętrzne styków.

2.Szczelna puszka w której łączą się styki. Musi być całkowicie odizolowana aby ograniczyć błąd pomiaru.

3. Rezystor termometryczny (czujnik)

Oznaczenia termorezystorów:

Np. Pt 100Ω/0C jest to rezystor platynowy o rezystancji znamionowej 100Ω skalowany dla temperatury 0C

Materiały i zakresy stosowalności

- 200÷800C Platyna

- 60÷150C Nikiel

- 50÷150C Miedź

Schemat układu pomiarowego czujnikiem rezystancyjny znajduje się na rys.1.4.

Pomiar:

Rm -rezystancja równoważąca mostka [Ω]

R1 =100[Ω] rezystor stosunkowy mostka

R2 = 10[Ω] rzystor stosunkowy mostka

Rpł=1,58[Ω]-rezystancja przewodów łączących

R_T =rezystancja czujnika w temperaturze mierzonej [Ω]

Przełożenie mostka 0,1

Dane z tabliczki znamionowej:

Pt 100Ω/0°C

TOP G - 1D - 117D

-50÷400°C

P_N=2,2 MN/m²

Osłona 1H18N95

I_pmax=10mA

- odczyt z mostka pomiarowego: Rm=1108,7[Ω]

R_T=R2/R1xRm-Rpł=0,1x1108,7-1,58=109,29[Ω]

Temperatura odczytana z tablic wynosi 24,89°C

Wnioski:

Pomiar temperatury może przysporzyć wielu trudności, które mogą spowodować, że wyniki będą obarczone błędem. Niedokładności pomiarowe mogą wynikać w nieumiejętnego posługiwania się przyrządami. Mowa tu o niewłaściwym dobraniu przyrządu do zakresu wykonywanych pomiarów oraz o niewystarczającej czułości. Nie uwzględniając skrajnych temperatur dla danego urządzenia, można je po prostu zniszczyć. Inną przyczyną niedokładności może być nieuwzględnienie różnych poprawek, zależnych od temperatury skalowania przyrządu, temperatury otoczenia oraz względnego umieszczenia przyrządów (kompensacja uchybu). Dla termometrów, wykorzystujących sygnał elektryczny (tj. termorezystancyjnych oraz termoelektrycznych) ważne jest też, by pamiętać o własnych oporach obwodu pomiarowego, oraz o możliwości niezamierzonego wpływu na wskazania woltomierza np. zewnętrzne pole magnetyczne. Na błąd pomiaru ma tez wpływ dokładność wskazywania samego przyrządu. Określone klasy dokładności mówią o procentowej odchyłce temperatury rzeczywistej od zmierzonej. Należy pamiętać, że pomimo dochowania wszystkich zasad rzetelnego pomiaru - wynik i tak obarczony jest błędem. Obecnie, często stosuje się termometry wykorzystujące sygnał elektryczny, głownie termorezystory i termoelementy. Cechuje je stosunkowo niski koszt wykonania, możliwość odpowiedniego skonstruowania w zależności od potrzeb oraz bezpieczeństwo dla środowiska.

NiAL (-)

NiCh (+)

1H18N9T

MgO

termoelektrody

spoina

gorąca

płaszcz

---