Теплотехнических экспериментах

Сущность и виды измерений

Измерить величину - значит сравнить ее с другой однородной величиной, фиксированной по размеру и принятой по соглашению в качестве основы для количественной оценки за единицу физической величины.

Различают основные и производные единицы физических величин. В качестве основных принимаются единицы, размеры которых устанавливаются произвольно и независимо друг от друга, например, метр, килограмм, секунда и др. Производная единица той или иной величины выводится из физической зависимости (уравнения связи) между этой величиной и величинами, для которых установлены основные или другие производные единицы, например, единица кинематического коэффициента вязкости - квадратный метр на секунду.

Совокупность основных и производных единиц составляетсистему единиц,сокращенно СИ. Применяемые в теплотехнике единицы физических величин приведены в приложении (табл. 2).

Измерения, как правило, производятся с помощью специальных технических устройств, которые называются измерительными приборами. В настоящем пособии рассмотрены наиболее распространенные приборы, большинство из них используются при проведении лабораторных работ по дисциплинам «Теплотехника» и «Теплофизика».

Ввиду многообразия физических величин непосредственно измерить (даже при помощи измерительных приборов) можно лишь немногие из них. Чаще приходится измерять не данную величину, а некоторые вспомогательные параметры, связанные с искомой величиной физическими закономерностями. Исходя из этого, измерения подразделяются на прямые и косвенные. Прямыми называются такие измерения, при которых числовые значения измеряемых величин определяются непосредственно, путем сравнения этих величин с вещественными образцами, принятыми за эталоны. Косвенными называются измерения, при которых значения измеряемых величин вычисляются по результатам прямых измерений других величин, связанных с искомой величиной заранее известными математическими зависимостями.

Приборы

Измерение давления

Приборы, предназначенные для измерений давления жидкости и газов, называют манометрам (гр. manos редкий, неплотный + metreo мерю).

По принципу действия манометры делятся на жидкостные, деформационные, электрические.

Жидкостные манометры

Устройство и принцип действия наиболее распространенных жидкостных манометров наглядно представлен на рис. 1.1 и 1.2

На пластину со шкалой 1 закрепляется прозрачная U-образная трубка 2, которая заполнена жидкостью 3. В качестве жидкости используются ртуть, спирт, вода и др. В таком манометре абсолютное давление в объекте уравновешивается столбом жидкости высотой h с плотностью ρ и барометрическим давлением p _бар

p_aбс = g h ρ + р_бар .

Величина давления, равная ghρ, есть не что иное, как избыточное, тогда

Рис. 1.1 p_абс = p_изб + p_бар .

Такого вида жидкостные манометры называют «U-образными».

Если U-образный жидкостный манометр используется для из-

мерения разряжения, то манометрическая жидкость будет втягиваться внутрь объекта, рис. 1.2.

Отсюда

p_aбс = p_бар - р_раз ,

где р_раз – давление разряжения,

Рис. 1.2 р_раз = g ρ l . Наклон трубки к горизонту повышает точность измерения, так как

с уменьшением увеличивается разность уровней столбов жидко-

сти l в коленах трубки.

Из-за малых плотностей манометрических жидкостей такого вида манометры используются для измерения незначительных избыточных давлений или разряжений.

Деформационные манометры

На рис. 1.3 представлены отдельные виды деформационных манометров: а – трубчатый, б – мембранный и в – анероидный.

а б в

Рис. 1.3

Рис. 1.2

Трубчатый манометр представлен на рис. 1.3, а. При помощи штуцера 1 манометр присоединяется к объекту, давление в котором необходимо измерить. Чувствительным элементом манометра является изогнутая стальная или латунная трубка 2, выполненная в виде полукольца. Трубка под действием результирующей силы, возникающей от давления, выпрямляется. Конец трубки связан передаточным механизмом 3 со стрелкой 4, которая поворачивается вокруг оси. Угол поворота стрелки линейно зависит от величины давления. Шкалы манометров проградуированы. Для измерения разрежения выпускаются трубчатые вакуумметры. Прибор, объединяющий манометр и вакуумметр, называется мановакууметром.

В мембранном манометре рис.1.3, б чувствительным элементом является мембрана 1. В зависимости от величины p_абс мембрана деформируется, что приводит к перемещению стрелки.

Для измерения атмосферного давления широко используются деформационные манометры с анероидной коробкой (барометры), рис.1.3, в. Здесь чувствительным элементом является анероид 1, который выполнен в виде герметичной цилиндрической коробки с двумя гофрированными днищами. При изготовлении внутри анероида создается значительное разряжение. Тарировка шкалы осуществляется при помощи ртутного барометра. Изменение давления окружающей среды приводит к перемещению стрелки прибора.

Электрические манометры

Для дистанционного измерения давления в основном используются электрические манометры. Они состоят из чувствительного элемента (датчика давления), регистрирующего прибора и системы коммутации. В датчиках происходит прямое или косвенное преобразование давления в электрический параметр. По виду чувствительного элемента они подразделяются на датчики омического сопротивления, пьезоэлектрические, емкостные, ионизационные.

В качестве примера на рис.1.4 приведена схема электрического манометра с датчиком омического сопротивления. Здесь 1 – датчик давле-

ния; 2 – источник питания мостиковой схемы подключения датчика к регистрирующему устройству 3; R₁, R₂ и R₃ –калиброванные резисторы; 4 – регули-

ровочный резистор.

Рис. 1.4 Электрические манометры применяются для измерения высоких и сверхвысоких давлений, давлений, изменяющихся в объекте с различными частотами и амплитудами. Удобство их использования заключается в возможности проведения измерений на значительном удалении объекта и автоматической записи показаний.

Измерение температуры

Одним из параметров, подлежащих контролю при проведении большинства лабораторных работ, является температура.

В зависимости от физических свойств, положенных в основу их построения приборы для измерения температуры разделяются на следующие группы:

- термометры расширения;

- манометрические термометры;

- электрические термометры сопротивления;

- термоэлектрические преобразователи (термопары);

- пирометры.

Термометры расширения предназначены для изменения температур в диапазоне от -190 до +600 градусов Цельсия. Принцип действия термометров расширения основан на свойстве тел под действием температуры изменять объем, а следовательно, и линейные размеры. Термометры расширения разделяются на жидкостные стеклянные и механические (дилатометрические и биметаллические).

Ртутные термометры относятся к жидкостным термометрам расширения, которые работают по принципу изменения объема жидкости в зависимости от температуры. Все жидкостные стеклянные термометры состоят из сосуда (шарика), переходящего в капиллярную трубку, запаянную сверху. Сосуд и капилляр изготовляются из одного и того же материала. Шкалу выполняют в виде вложенной шкальной пластинки либо наносят на массивную капиллярную трубку. Промышленностью выпускаются ртутные термометры для измерения температуры от -35 до 600 ^оС. Для измерения температур в диапазоне от –80 до 80 ⁰С в качестве рабочей жидкости используется этиловый спирт.

Манометрические термометры предназначены для измерения температуры в диапазоне от -160 до +600 градусов Цельсия. Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления жидкости, газа или пара, помещенных в замкнутом объеме, при нагревании или охлаждении этих веществ;

Электрические термометры сопротивления применяются для измерения температур в диапазоне от -200 до +650 градусов Цельсия. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве металлов, сплавов и некоторых полупроводников изменять величину сопротивления с изменением температуры.

Одно из возможных конструктивных исполнений термометра сопротивления показано на рис.1.5. Каркас 1 изготовляется из электроизоляционного материала (фарфор, кварц, слюда и др.). В качестве чувствительного элемента применяется обычно медная проволока 2 толщиной 0,05 - 2 мм, хотя в качестве материала проволоки в зависимости от назначения термометра сопротивления может быть платина, золото, железо, никель, константан и др.

Термометр сопротивления применяется с защитным кожухом 3 или без него.

Для измерения сопротивления такого термометра используется мостовой метод, схема которого аналогична приведенной на рис.1.4.

Медные термометры сопротивления применяются для измерения температур в пределах от – 50 до +180, платиновые от

– 200 до +65 градусов Цельсия.

Наряду с термометрами сопротивления из металлических проводников для измерения температуры находят также применение полупроводниковые термометры сопротивления - терморезисторы. Терморезисторы, представляющие непроволочные объемные нелинейные резисторы различной формы (цилиндрические, шайбовые и др.), в отличие от металлических резисторов имеют отрицательный температурный коэффициент, т. е. при нагревании уменьшают свое сопротивление.

Достоинством термометров сопротивления является возможность передачи показа-

Рис. 1.5 ний на расстояние и их автоматической регистрации.

Термоэлектрические преобразователи используются при измерения температуры от 0 до +1800 градусов Цельсия.

Действие термоэлектрических термометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термо - э. д. с), зависящую от температуры места соединения (спая) концов двух разнородных проводников (термоэлектродов), образующих чувствительный элемент термометра - термопару.

Существующее представление о механизме образования термо - э. д. с. основывается на том, что концентрация свободных электронов в единице объема межмолекулярного пространства проводника, зависит от материала проводника и его температуры. При соединении одинаково нагретых концов двух проводников из разнородных материалов, из которых в первом количество свободных электронов в единице объема больше, чем во втором, последние будут диффундировать из первого проводника во второй в большем числе, чем обратно. Таким образом, первый проводник станет заряжаться положительно, а второй – отрицательно: появится некоторая разность потенциалов (термо - э.д.с). С увеличением температуры проводников значение этой термо - э. д. с. также увеличивается. Располагая законом изменения термо - э. д. с. термопары от температуры и определяя значение термо - э. д. с. электроизмерительным прибором, можно найти искомое значение температуры в месте измерения.

Принципиальное устройство термоэлектрического термометра представлено рис. 1.6. Он состоит из спая 1 двух разнородных термоэлектродов 2, защитного чехла 3 и головки с зажимами 4 для подключения измерительного прибора, в качестве которого, применяются магнитоэлектрические милливольтметры либо потенциометры.

В качестве термоэлектродных материалов для изготовления термометров применяются главным образом чистые металлы и их сплавы. Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических термометров получили материалы: платина, платинородий, хромель, алюмель и копель. Для измерений в лабораторных установках находят также применение медь, железо и константан.

Материалы наиболее используемых термопар Рис. 1.6

и их характеристики приведены в таблице 1.1.

Рис. 1.4

С целью повышения точности измерения температуры, термопары выполняют двухспайными, например рис.1.7.

Рис.1.7 Рис. 1.8

Термоэлектроды А и Б имеют спаянные концы. Спай, который закреплен на объекте с температурой t₁ , называют измерительным, а спай с температурой t₂ – спаем сравнения. При измерении температуры термопарами, для удобства отсчета, спай сравнения помещают в теплоизолированный сосуд, например с тающим льдом (см. рис.1.7), тогда t₂ = 0⁰C. Если в эксперименте требуется замерять температуру t, которая незначительно отличается от t₀ , то для увеличения сигнала используют многоспайную дифференциальную термопару, схема которой представлена на рис. 1.8.

Т а б л и ц а 1.1

Термопары и их маркировка

Рис. 1. 6

Материал электродов	Состав материала	Маркировка	Teрмо-эдс на 100 0С, мв	Диапазон применения, 0С
Железо – Константан	100% Fe 55%Gu+45%Ni	ТЖК	5,0 – 6,4	От -200 до +750
Медь – Константан	100% Cu 55% Cu+45%Ni	ТМК	4,0 – 6,0	От –200 до +500
Хромель – Копель	90%Ni+10%Cr 56%Cu+44%Ni	ТХК	6,8 – 8,8	От –200 до +600
Хромель – Алюмель	90%Cu+10%Cr 95%Ni+5%Al	ТХА	3,5 – 4.2	От -200 до +1300
Платина-платинородий	100%Pt 87%Pt+13%Rh	ТПП	1,0 – 1,4	От +630 до +1600
Вольфрам – Рений	95%W+5%Re 80%W+20%Re	А-3	1,4 – 0, 7	От 0 до +2200

Термоэлектрические термометры широко применяются в энергетических установках для измерения температуры перегретого пара, дымовых газов, металла труб котлоагрегатов и т. п. Положительными свойствами их являются: большой диапазон измерения, высокая чувствительность, незначительная инерционность, отсутствие постороннего источника тока и легкость осуществления дистанционной передачи показаний.

Приборы для бесконтактного контроля температуры называются пирометрами. В настоящее время реализуется большое количество пирометров различающихся по принципу действия, по диапазону измеряемой температуры, по области применения, по исполнению.

По принципу действия пирометры можно разделить на оптические, радиационные и цветовые.

Оптические позволяют визуально определять температуру нагретого тела, путем сравнения его цвета с цветом эталонной нити.

Радиационные оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой полосе спектрального излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.

Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) – позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.

В температурном диапазоне: низкотемпературные обладают способностью показывать отрицательные температуры объектов по шкале Цельсия; высокотемпературные оценивают температуру сильно нагретых тел, когда определение «на глаз» не представляется возможным.

Исполнение пирометров имеется переносное и стационарное.

Переносные удобны в эксплуатации в условиях, когда необходима высокая точность измерений, в совокупности с хорошими подвижными свойствами, например, для оценки температуры труднодоступных объектов. Обычно они снабжены небольшим дисплеем, отображающим графическую или текстово-цифровую информацию.

Стационарные. Предназначены для более точной оценки температуры объектов. Используются в основном в крупной промышленности, для непрерывного контроля технологического процесса производства расплавов металлов и пластиков и др.

Пирометры применяют для дистанционного определения температуры объектов в научных исследованиях, в быту, в технологических этапах производства (сталелитейная промышленность, нефтеперерабатывающая отрасль и др.). Пирометры могут выступать в роли средства безопасного дистанционного измерения температур раскаленных объектов, что делает их незаменимыми для обеспечения должного контроля в случаях, когда физическое взаимодействие с контролируемым объектом невозможно из-за высоких температур. Их можно применять в качестве теплолокаторов (усовершенствованные модели), для определения областей критических температур в различных производственных сферах.

Измерение расходов

Из множества приборов, используемых для определения секундных массовых расходов жидкостей и газов в дисциплине «Тепло

техника» используются ротаметры.

Рис. 1.7

Ротаметр состоит из вертикальной конусной стеклянной трубки 1 (рис. 1.9), внутри которой находится чувствительный элемент 2, выполненный в виде поплавка. Для обеспечения устойчивого положения поплавка в канале верхний его обод снабжен канавками с крутым наклоном. Принцип действия ротаметра основан на восприятии перемещающимся в конусной трубке поплавком динамического напора потока газа или жидкости, движущихся снизу вверх. При подъеме поплавка проходной зазор между наибольшим диаметром

Рис. 1.9 поплавка и внутренним диаметром трубки увеличивается, перепад давления на поплавке уменьшается. Когда перепад давления становится равным весу поплавка, приходящемуся на единицу площади его поперечного сечения, наступает равновесие. При этом каждому положению поплавка соответствует определенное значение расхода. Шкала прибора выполняется с равномерными делениями и нанесена непосредственно на стеклянной трубе. Прибор устанавливается только в вертикальном положении. Градуировку газовых ротаметров производят воздухом при температуре 20 ^оС и давлении

760 мм рт. ст., жидкостных – водой при 20 ^оС. К прибору прилагается паспорт с градуировочной таблицей.

Внешний вид ротаметра и его разрез представлен на рис. 1.10. Здесь: 1 – нижний упор; 2 – поплавок; 3 – трубка конусная; 4 – промежуточный упор; 5 – стягиваю-

щая шпилька; 6 – верхний упор.

Рис. 1.10

Измерение тепловых потоков

При исследовании процессов распространения теплоты опреде параметром является величина теплового потока В ряде случаев энергия в форме теплоты подводится от электрических нагревателей. Если ее потери отсутствуют, т.е. вся выделившаяся теплота при прохождении электрического тока по сопротивлению участвует в изучаемом процессе, то величина определяется по силе тока и падению напряжения на нагревателе:

= I ^. U.

При наличии потерь теплоты и в случае, когда тепловой поток создается неэлектрическими нагревателями (например, протекающим горячим газом по каналу), для определения значения используют калориметрический метод или метод теплопроводности.

Суть калориметрического метода определения теплового потока состоит в том, что количество теплоты в единицу времени вычисляется по массовому расходу газообразной или жидкой среды и изменению ее температуры:

= c_p (t₁ - t₂ ) , (1.1)

где - массовый расход жидкости, кг/c;

c_p - средняя массовая теплоемкость жидкости, кДж/(кг • К);

t₁ и t₂ - температура жидкости на входе и выходе, ⁰C.

В основу метода теплопроводности положено уравнение, выражающее закон Фурье:

= ,

где l - коэффициент теплопроводности, Вт/(м ∙ К);

F - поверхность, через которую передается теплота, м²;

- температурный градиент, К/м.

При определении величины теплового потока в этом случае необходимо лишь экспериментально найти значение температурного градиента, т.к. l и F заранее известны.

В зависимости от геометрической формы тела, через которое передается теплота, можно определить величину теплового потока.

по упрощенным выражениям. Так, для плоской неограниченной пластины

= F ∆t , (1.2)

где d - толщина пластины, м; ∆ t - перепад температуры на толщине d, К.

Для цилиндрической стенки используется формула:

= F ^, (1.3)

где F и d₀ - площадь и диаметр со стороны внутренней или наружной поверхности цилиндрической стенки;

- коэффициент теплопроводности материала стенки;

t₁ и t₂ - значения температур стенки на диаметрах d₁ и d₂.

Выражения (1.2), (1.3) часто используются для определения коэффициента теплопроводности по известному тепловому потоку.

Методы определения l при использовании выражения (1.2) называются методами пластин, а с использованием выражения (1.3) - методами толстостенной трубы.