ПОНЯТИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ Температура есть свойство реальных тел, отображающее величину внутренней энергии тела, которое находится в состоянии полного термодинамического равновесия. Термодинамическое равновесие системы означает, что в каждой ее точке устанавливается полное термическое, механическое и химическое равновесие, т. е. сохраняется полный энергетический и материальный баланс системы Измерение температуры есть измерение какого-либо зависящего от температуры свойства образцового тела, находящегося в тепловом равновесии с исследуемым. Образцовое тело - термометр ь Во всех случаях измеряется не температура исходной системы, а температура некой новой системы, которая состоит из исходной и образцового тела. ь Процесс измерения температуры всегда связан с необходимостью передачи части энергии системы во внешнюю среду. ь В процессе измерений исходную систему нельзя считать замкнутой, ее равновесное состояние при измерениях неизбежно изменяется. При температурных измерениях методическая погрешность измерений не может быть сделана как угодно малой и всегда имеет конечное значение 1
ПОНЯТИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ Свойства температуры Ш Температура не поддается прямому измерению Ш Температура не обладает свойством аддитивности Ш Температура проявляется только в процессах установления теплового равновесия Ш Невозможно создать эталон температуры Температура – физическая величина, которой можно присвоить количественное значение только путем косвенных измерений. Температурная шкала – зависимость свойства термометрического тела от температуры с указанием не менее двух точек, одной из которых должная определяться как нулевая точка. Молекулярно-кинетическое определение температуры Температура есть мера средней кинетической энергии поступательного хаотического теплового движения частицы, приходящаяся на одну степень свободы. Термодинамическое определение температуры Температура есть коэффициент пропорциональности в выражении, которое связывает изменение энтропии системы и ее внутренней энергии в идеальном равновесном процессе – цикле Карно. 2
Температурная шкала Репеперные точки – фиксированные температуры, однозначно определяющие выбранный тепловой процесс, протекающий при строго определенной температуре Реперные точки определяются выбранной системой и тепловым процессом (физическим явлением) Температурная шкала определяется выбранными реперными точками и количеством интервалов, на которые разбит промежуток между реперными точками Шкала Цельсия Т 1= 0 С, Т 2 = 100 С Шкала абсолютных температур Шкала Кельвина Термодинамическая шкала температур Т 1= 0 К – абсолютный ноль температуры – внутренняя энергия тела равна 0 Т 2 = 273, 16 К - тройная точка воды Т 2 К = Т 1 С, 1 К = 1 С В других температурных диапазонах – другие реперные точки, другие способы измерений, интерполяционные формулы Международная температурная шкала – МТШ-90 3
Методы измерения температуры Контактные методы Дистанционные бесконтактные методы Оптическая пирометрия Тепловидение Жидкостные термометры – тепловое расширение термометрического тела (различные жидкости - ртуть, спирт и др. ) Манометрические термометры - измерение давления термометрической среды (газ, жидкость, пар) Биметаллические термометры - неоднородное тепловое расширение двух материалов Ультразвуковые термопреобразователи - изменение упругости среды Флуоресцентные термопреобразователи - изменение спектра, интенсивности или длительности индуцированной флуоресценции Индуктивные и емкостные термопреобразователи изменение магнитной или диэлектрической проницаемости Шумовые термопреобразователи - изменение уровня шума в элементах электрических цепей или проводящей среде Оптоволоконные термопреобразователи - пассивные, активные, интерферометрические, брэгговские 4
КОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР измерение зависящих от температуры каких-либо свойств измерительного преобразователя в условиях его теплового равновесия с контролируемым объектом. В контактных измерениях всегда присутствует некоторое промежуточное тело (термометрическое тело), которое и является собственно первичным измерительным преобразователем Измерительный прибор Объек т Термометрическое тело Принципиальные недостатки контактных методов: Ш контактные методы всегда инерционны – Ш процессы теплообмена между объектом и измерительным преобразователем всегда искажают тепловое поле объекта. 5
Термопреобразователи сопротивления (термосопротивления) Принцип действия: зависимость величины электрического сопротивления материалов от температуры 1 R/R 0 Материалы для термосопротивлений: Ш Металлы (2) Ш Электролиты (3), Ш Полупроводники -термисторы (4) и позисторы (1) 4 2 3 T 0 Т Основное требование к материалам стабильность характеристик под воздействием температуры и параметров окружающей среды Характеристики всех промышленных термосопротивлений нормированы, а их нормированная статическая характеристика (НСХ) содержатся в специальных таблицах 6
Термопреобразователи сопротивления (термосопротивления) Чистые металлы Платина – ТСП Т раб = 1 - 1400 К высокая стабильность в очень широком температурном диапазоне. Используется в виде проволоки диаметром 0, 05 -0, 2 мм Медь -ТСМ Т раб = -50 - +200 С дешевый материал, нечувствительность к примесям, линейная зависимость от температуры во всем рабочем диапазоне, малое собственное сопротивление Никель - более высокий термический коэффициент сопротивления и большее удельное сопротивление, чем у меди, чувствительность к наличию примесей Сплавы - более высокие значения ТКС, но нестабильность характеристик и чувствительность к примесям Константан и манганин - Траб менее 80 К Полупроводниковые ТС - КМТ, ММТ, СТ, ПТ – оксиды металлов Высокий ТКС – 10 -102 Экспоненциальная зависимость сопротивления от температуры, невысокая стабильность характеристик Позисторы –ППТС с положительной характеристикой, Траб < 100 C Термисторы – ППТС с отрицательной характеристикой – Т раб = 150 - +300 C 7
Регистрация сигнала терморезистивных преобразователей (термосопротивлений) Исключение влияния вариаций сопротивления подводящих проводов, в том числе вызванных изменением температуры окружающей среды Мостовые измерительные схемы с подключением по 3 -х или 4 -х проводной схеме. Специализированные вторичные измерительные преобразователи, в т. ч. автоматические измерительные мосты 8
Термоэлектрические преобразователи Эффект Зеебека - в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, возникает термо. ЭДС, величина которой зависит от температуры контакта Ie E A 1 De= f(T) Эффект Пельте - в месте контакта - + разнородных проводников в зависимости от - + направления тока выделяется или поглощается A 2 - + количество теплоты, пропорциональное силе n 1 - + протекающего электрического тока n 2 Возможности термопар • Простота и надежность, малые размеры Условие равновесия Ie = De • Малые тепловые потери и малая инерционность • Широкий диапазон температур 2 -3000 К • Высокая точность – до 0, 01 К и чувствительность –до 100 мк. В/К • Высокое разрешение при измерении разности температур – до 10 -3 К • Хорошая воспроизводимость Абсолютный удельный коэффициент термо. ЭДС - параметр, который позволяет привязать все данные измерений термо. ЭДС к единой шкале. За основу шкалы взяты характеристики различных материалов по отношению к платине 9
Материалы для термопар Низкие температуры: Медь-константан Ш Диапазон -менее 200 К Средние температуры: Хромель-алюмель – ТХ Ш Диапазон 0 -1300 С Ш Допустимое отклонение от стандарта при Т=1000 С – ± 7, 5 С Ш Величина ТЭДС - 40 мк. В/К Ш Чувствительность характеристики к механическим нагрузкам и деформациям Хромель-копель - ТХК Ш Диапазон -100 - +700 С Ш Величина ТЭДС 67 мк. В/К Ш Чувствительность к параметрам окружающей среды, особенно сернистым соединениям Нихросил-нисил - новый тип термопар Диапазон - до 1250 С Высокая стабильность Высокие температуры Платина- платина/родий - ТПР, ТПП (S) Наиболее стабильны в окислительных средах Максимальная температура -1800 С Величина ТЭДС 6, 4 -13 мк. В/К Проволока диаметром 0, 1 -1 мм Вольфрам-вольфрам/рений - ТВР Температура до 3000 С Высокая механическая прочность Высокая термо. ЭДС - 10 мк. В/К В защитной атмосфере устойчивы Иридий/родий – иридий Сохраняют свойства при Т=2500 С в воздушной атмосфере в течение десятков часов 10
Измерение термо. ЭДС Общие проблемы всех контактных измерений: Ш Теплоотвод в окружающую среду (или нагрев окружающей средой) Ш Инерционность Токи утечки и электроизоляция При высоких температурах увеличивается проводимость многих изоляционных материалов – уменьшение сопротивления изоляции на 0, 1 Мом вводит погрешность порядка 0, 1 К Дополнительные проблемы – источники методической погрешности и дополнительные требования к измерительным приборам и методам измерений Ш Максимальная величина тока через границу раздела ограничена объемной плотностью заряда в проводнике и определяется его температурой. Следовательно ограничена и величина тока, который может протекать через границу раздела Ш Термопара – источник ЭДС с высоким внутренним сопротивлением Ш электрические контакты в цепи подключения термопары к Все измерительному прибору также являются источниками ЭДС Ш Долговременная нестабильность показаний термопар 11
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕРМОЭДС Ш ТЕРМОПАРА – источник ЭДС с относительно высоким внутренним сопротивлением и ограничением величины отбираемого тока Измерительный преобразователи: Электронные потенциометры или цифровые приборы с большим входным сопротивлением, рассчитанные на работу с определенным типом термопар. В микропроцессорных приборах калибровочные характеристики термопар (НСХ) хранятся в памяти прибора Ш При подключении термопар создается несколько паразитных источников термо. ЭДС в местах соединения разнородных проводов Введение поправки на температуру свободных концов термопар Компенсационные и удлинительные провода Дифференциальные термопары – исключает паразитную ТЭДС свободных концов при условии, что они находятся при одинаковой температуре 12
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕРМОЭДС Введение поправки на температуру свободных концов термопар Автоматический учет ТЭДС, возникающий в месте подключения термопары к измерительному прибору, который осуществляется с помощью дополнительного термосопротивления, расположенного непосредственно в приборе. Передача термо. ЭДС на значительные расстояния Ш Удлинительные провода – провода из того же материала Ш Компенсационные провода – провода другого состава Поэлектродная компенсация - провода, которые в паре с термопарным имеют нулевую термо. ЭДС Суммарная компенсация – в заданном диапазоне температур НСХ компенсационных проводов должна отвечать НСХ термопреобразователя – равенство температур в месте соединения проводов Марки удлинительных проводов ТП – платинародиеваая термопара МТ и НМ – хромель/алюмель КП и КПР – платинародиевая термопара Цветная маркировка Кабельные термопары Основные материалы- оксиды алюминия, магния, кремния, окись бериллия – температуры выше 1800 С 13
Схема тепловых измерений Объект Термопара или термосопротивление Вторичный преобразователь Компенсация температуры свободных концов Компенсация ТЭДС подключения Компенсационные (удлинительные) провода Фильтр нижних частот Преобразование сигнала термопреобразователя в величину, пропорциональную температуре и (или) показания прибора Показывающий или регистрирующий прибор Калибровочная таблица Калибровочная кривая (функция) Таблица НСХ 14
Погрешности контактных измерений Датчик температуры – есть инородное тело, которое изменяет естественное тепловое поле объекта Определение методической погрешности измерения температуры - есть часть общей проблемы исследования теплового поля объекта 1 - рабочая часть датчика 4 5 (чувствительный элемент); 2 – держатель (чехол, защитная арматура) датчика; 3 – монтажная арматура; 4– соединительные провода, 5 – измерительный прибор факторы Основные влияющие Статические Ш Теплообмен между датчиком и средой Ш Неравномерность распределения температуры Ш Газодинамический нагрев датчика Ш Теплоотвод через датчик Ш Теплообмен излучением 3 2 Окружающая среда Объект 1 • Динамические Ш Собственная теплоемкость Ш Нестационарность теплового режима объекта Ш Нестационарность условий теплообмена 15
Минимизация погрешностей контактных измерений q. Рассмотрение датчика как системы, подвергающейся тепловому воздействию со стороны объекта и окружающей среды q. Выявление тепловых воздействий, определяющих методические погрешности. Ш Выяснение исходного теплового состояния объекта Ш Разработка тепловой модели датчика в соответствии с условиями его размещения на объекте Способы уменьшения методической погрешности Измерение температуры поверхности твердых тел Ш Малые размеры и объемы датчика Ш Малая теплоемкость и термическое сопротивление датчика Ш Близость коэффициентов поглощения датчика и объекта Ш Изотермичность зоны размещения датчика Измерение температуры жидкостей и газов Ш Увеличение погружной части датчика при уменьшении его поперечного сечения Ш Материалы защитной оболочки с малым коэффициентом теплопроводности Ш Интенсификация теплообмена между датчиком и средой Ш Уменьшение излучательной способности датчика 16
Конструкция термопар Обозначение термопар и термосопротивлений TS – 1 – ТХА – 3. 2 – 150 – T 2 – S 1 – 1. 5 M – G 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 – Наименование (TS – температурный датчик) 2 - Исполнение: 3 - Тип датчика: 4 - Диаметр рабочей части 5 - Длина рабочей части 6 - Тип крепления 7 - Тип коммутации (проводные выводы или клеммное соединение 8 - Длина коммутационных проводов 9 - Конструкция рабочего спая Унифицированные защитные чехлы и держатели ь Материал - нержавеющая сталь ь Теплоизоляция - керамика, кварц, корунд и алунд, лейкосапфир 17
Измерение температуры расплавленных металлов Основная проблема – химическая активность расплавленных металлов, разрушающая защитную арматуру, в т. ч. керамическую • Сменные защитные колпачки • Сменные измерительные пакеты 18
Схема измерения температуры в конверторе или ковше 19
Скачать презентацию ПОНЯТИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ Температура есть свойство реальных тел отображающее
ТИИП-13-11-темп.ppt