Sprawozdanie nr[1] 1 orman moje

Wstęp

1.Termometr - przyrząd do pomiaru temperatury metodą pośrednią, na podstawie zmiany pod wpływem temperatury właściwości termometrycznej ciała termometrycznego zastosowanego w termometrze. Zakres mierzonych temperatur i zastosowań termometru w znacznym stopniu zależy od ciała termometrycznego i właściwości termometrycznej. Termometr może służyć do pomiaru dowolnej temperatury w określonym zakresie lub wskazywania tylko wybranych wartości temperatury (wskaźniki temperatury). W termometrze wykorzystuje się np. rozszerzalność cieplną cieczy (termometry rtęciowe i alkoholowe), gazów (termometry gazowe) i ciał stałych (zwłaszcza bimetali - termometry mechaniczne), a także termiczne zmiany: oporności elektrycznej (termometry elektryczne), napięcia kontaktowego metali (termopara), prędkości rozchodzenia się fali akustycznej (termometry akustyczne), podatności magnetycznej paramagnetyka (termometry magnetyczne, wykorzystywane do pomiaru bardzo niskich temperatur), barwy świecącego ciała (termometry optyczne, inaczej pirometry, do pomiaru wysokich temperatur) itd.

1.1Rodzaje termometrów

Podział termometrów ze względu na zasadę działania

a) termometr cieczowy - wykorzystuje zjawisko rozszerzalności cieplnej cieczy (przeważnie rtęci albo alkoholu):

b) termometr rtęciowy - dla temperatur od -38^oC (temp. topnienia rtęci) do +356^oC (temp. wrzenia rtęci);

c) termometr alkoholowy - dla temperatur od -70 do +120^oC; np. termometr pokojowy

d) termometr gazowy - czynnikiem roboczym jest gaz, mierzy się parametry gazu np. objętość. Ciśnienie się zmienia przy stałej objętości.

e) termometr parowy - wykorzystuje zależność ciśnienia pary nasyconej od temperatury, stosowany często w termostatach, np. samochodowych,

f) termometr oporowy - wykorzystuje zjawisko zmiany oporu elektrycznego przy zmianie temperatury, stosowanym czynnikiem jest platyna, brąz, półprzewodniki, specjalne stopy; patrz termistor,

g) termopara - wykorzystuje zjawisko termoelektryczne,

h) termometr magnetyczny (paramagnetyczny) - do pomiaru temperatur mniejszych niż 1 Kelwin.

1.2Podział termometrów ze względu na przeznaczenie

a) lekarski - zakres temperatur: od 35 do 42^oC i jest to termometr temperatury maksymalnej

b) zaokienny - zakres temperatur: od -50 do 50^oC

c) pokojowy - zakres temperatur: od 0 do 40^oC

d) termometr laboratoryjny - zakres temperatur: bardzo różny (zazwyczaj od 0 do 120^oC)

2. Pomiar temperatury

Pomiar temperatury realizujemy wieloma sposobami. Zależnie od interakcji między badanym obiektem pomiarowym a czujnikiem pomiarowym wyróżniamy:

a) pomiar bezdotykowy (pomiar bezkontaktowy) - poprzez pomiar parametrów promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez rozgrzane ciało (promieniowanie cieplne) np. długości fali, ilości emitowanej energii przez obiekt.

b) pomiar dotykowy (pomiar kontaktowy) - czujnik (termometr) styka się z obiektem, którego temperaturę mierzymy,

W zależności od wykorzystanych do pomiaru własności fizycznych czujnika pomiarowego wyróżnić można pomiar z wykorzystaniem zjawiska:

a) stożki Segera.

b) wytwarzania napięcia elektrycznego na styku dwóch metali (termopara) w różnych temperaturach,

c) odkształcenia bimetalu,

d) zmiany parametrów złącza półprzewodnikowego (termometr diodowy)

e) zmiany rezystancji elementu (termistor),

f) zmiana barwy - barwa żaru, barwa nalotowa stali, farba zmieniająca kolor pod wpływem temperatury,

g) zmiany objętości cieczy, gazu lub długości ciała stałego (termometr, termometr cieczowy),

3.Termopara (termoogniwo, termoelement, ogniwo termoelektryczne) to czujnik temperatury wykorzystujący zjawisko Seebecka, będąca połączeniem dwóch termoelementów.

3.1 Zjawisko Seebecka - zjawisko termoelektryczne polegające na powstawaniu siły elektromotorycznej i w konsekwencji tego przepływie prądu elektrycznego w miejscu styku dwóch metali lub półprzewodników o różnych temperaturach, w zamkniętym obwodzie termoelektrycznym.

W przedstawionym obwodzie A i B są różnymi metalami lub półprzewodnikami, T1 i T2 to temperatury w miejscach styku metali. W tym obwodzie powstaje napięcie elektryczne określone wzorem:

0x01 graphic

Gdzie: S_A i S_B to współczynniki Seebecka charakterystyczne dla wybranych substancji. Powstające napięcie jest rzędu od kilku do kilkudziesięciu mikrowoltów na kelwin (stopień Celsjusza).

Schemat termopary

0x01 graphic

Składa się z dwóch różnych metali (drucików), spojonych na jednym końcu (strona pomiarowa). Pod wpływem zmiany temperatury powstaje siła elektromotoryczna zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną na końcach niepołączonych (zimnych) proporcjonalna do różnicy temperatur pomiędzy temperaturą spoiny pomiarowej, a temperaturą spoin odniesienia (zimnych, wolnych końców). Spoina pomiarowa może znajdować się w obudowie, którą następnie instalujemy w miejscu pomiaru temperatury. Termopary odznaczają się dużą niezawodnością, dokładnością i elastycznością konstrukcji, co pozwala na ich zastosowanie w różnych warunkach.

3.2. Materiały wykorzystywane do budowy termoelementów powinny w miarę możliwości posiadać:

a) wysoką temperaturę pracy ciągłej,

b) mały współczynnik cieplny rezystancji,

c) małą rezystywność,

d) dużą odporność na czynniki zewnętrzne,

e) wysoką temperaturę topnienia,

f) niezmienność parametrów w czasie.

Do budowy wykorzystuje się materiały szlachetne: platyna i platynorod, wolfram i molibden, oraz nieszlachetne. Np.: żelazo i miedź-nikiel, miedź i miedź-nikiel, nikiel-chrom i nikiel-aluminium.

3.3 Zalety termopar:

a) nie wymagają zewnętrznego zasilania

b) niewielkie rozmiary

c) niska pojemność cieplna

d) mała bezwładność czasowa

e) szeroki zakres pomiarowy przy dość dobrej liniowości

f) prostota i niskie koszty wykonania

g) duża niezawodność

OBLICZENIA

1. Wyprowadzenie wzoru na współczynnik przejmowania ciepła h dla przypadku chłodzenia ciała.

Założenie: proces jest tak prowadzony, iż temperatura w całej objętości maleje.

Korzystając z I zasady termodynamiki można zapisać:

Q- W= ∆E= ∆U+ ∆KE+ ∆PE

Gdzie:

Q- ciepło
W-praca [ J]; W=0
∆E- zmiana energii [J]
∆U- energia wewnętrzna [J]
∆KE- energia kinetyczna [J]; ∆KE=0
∆PE- energia potencjalna [J]; ∆PE=0

Po podstawieniu otrzymujemy:

Q = ∆U [J]

∆U= c *m *∆T

-h*[T(t)-T_∞]*A*dt=c *m *∆T

m=ς*V [kg]

-h*[T(t)-T_∞]*A*dt=c*dT(t) *ς*V

Gdzie:

V-objętość ochładzanego ciała, [m³]
A- powierzchnia całkowita, [m²]
c- ciepło właściwe, [ J/kg*K]
ς -gęstość, [kg/m³]
T_∞- temperatura otoczenia, [⁰C]
T(t)- zmiana temperatury w czasie, [⁰C]

Wprowadzamy podstawienie: Θ(t)= T(t)-T_∞

Przewidujemy rozwiązanie:

r = - m

Dla początkowego czasu t_pocz=0 otrzymujemy:

T(0)=T_pocz lub Θ(0)=T_pocz-T_∞

0x01 graphic

2. Doświadczalne wyznaczenie współczynnika przejmowania ciepła dla aluminium (h_Al)

Dane tablicowe:

gęstość aluminium; ς=2720 kg/m³
ciepło właściwe Al.; c=893 J /kg*K
współczynnik przewodzenia ciepła Al; λ=245 W/m*K

Dane pomiarowe:

temperatura otoczenia ( w wykonywanym doświadczeniu jest to temperatura wody) T_∞=19⁰C
T_pocz- początkowa temperatura pomiaru (temperatura w czasie t=0); T_pocz=124,19⁰C
geometryczne wymiary aluminium; (długość x szerokość x wysokość = a x b x c )