ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИМІР ТЕМПЕРАТУР
Малюнок 1.1 Класифікація елемента автоматики
Температура – один із найважливіших параметрів технологічних процесів. При проектуванні виходять із оптимальних значень двох параметрів: температури та ККД. З одного боку, чим вище температура, вище потужність, що знімається, і вище ККД. З іншого - за підвищених температур зменшується ресурс роботи устаткування. Отже, устаткування потрібно частіше змінювати, що призводить до економічних витрат. Тому вибирають оптимальні температури, за яких видається максимальну потужність, а обладнання працює з достатнім ступенем надійності.
При експлуатації температурний режим роботи має бути оптимальним. Відхилення від нього зменшує ККД, або ресурс роботи обладнання. Тому контроль температур є необхідною умовою надійної та економічної роботи. При цьому температурний режим має підтримуватись з максимальною точністю.
Температура – термодинамічна величина, що характеризує стан термодинамічної рівноваги макроскопічної системи. Температура всього ізольованого струму однакова. Більш високою температурою мають тіла, які мають кінетична енергія атомів і молекул вище. Для представлення рівня температур, за яких тверді речовини переходять у рідкі, наведено значення температур плавлення металів (таблиця 1.1).
Таблиця 1.1 Температури плавлення металів.
Теплота - кількість енергії, що отримує чи віддає тіло у процесі теплообміну. Теплова енергія передається завдяки зіткненням молекул (мікрофізична форма передачі енергії). Макрофізична форма передачі енергії (робота) -переміщення поршня в тепловій машині та інші переміщення. Одиницею кількості теплової енергії (теплоти) є Джоуль, який дорівнює роботі сили 1Н при переміщенні тіла на 1 м. Одиницею потужності є Ватт, який дорівнює потужності, при якій відбувається робота I Дж за час 1 сек. Вт = Дж/сек.
Теплота, отримана тілом, витрачається підвищення його температури:
(1.1)
. де Q – енергія, отримана тілом; G-маса тіла; t1,t2 - кінцева та початкова температури тіла, з - питома теплоємність речовини.
Теплоємність – теплота, яка витрачається на підвищення температури тіла.
Питома теплоємність - кількість теплоти, необхідне нагрівання 1 кг маси речовини на 1°З чи 1°К. Її виражають у Джоулях на кілограм-Кельвін. У таблиці 1.2 наведено значення питомої теплоємності деяких речовин.
Перенесення теплоти шляхом безпосереднього зіткнення частинок тіла показується теплопровідністю. Перенесення теплоти походить від більш нагрітих ділянок тіла до менш нагрітих внаслідок теплового руху та взаємодії мікрочастинок. Кількість теплоти Q, яка проходить через стінку товщиною d дорівнює;
(1.2)
час, протягом якого проходить дана кількість тепла, t1, t2 - температури стінок, F -площа поверхні стінки, Я - коефіцієнт теплопровідності, який характеризує здатність речовини проводити теплоту та вимірюється у Вт/м-К,
У таблиці 1.3 наведено значення коефіцієнтів теплопровідності деяких матеріалів та значення густини цих матеріалів. Наведено значення коефіцієнтів у системних та несистемних одиницях: ккал/ч-м-К(кілокалорій на годину, метр, Кельвін) та кал/с-см'К (калорій на секунду, сантиметр, Кельвін).
Зв'язок між розмірностями характеризується виразом:
1 ккал/м-год-К= 1,16 Вт/м-К.
Щільність кг/м 3
Величина, що характеризує ступінь зміни температурного поля у точці простору, називається градієнтом температурного поля. Залежність густини теплового потоку g з градієнтом температурного поля (grad t) характеризується законом Фур'є:
(1.3)
для рівномірного теплового потоку через пластину або стінку закон Фур'є записується у вигляді:
(1.4)
де t1 і t2 – температури поверхонь шару, х1і х2 – координати поверхонь шару.
Теплообмін між поверхнею тіла та навколишнім середовищем називається тепловіддачею. Коефіцієнт тепловіддачі (теплообміну) дорівнює щільності теплового потоку на поверхні розділу середовищ з різницею температур стінки tст і рідини або газу tж:
де а – коефіцієнт тепловіддачі.
Температура – величина, що характеризує ступінь нагріву тіла. Уявлення про температуру грунтується на теплообміні між двома тілами, які у тепловому контакті.
Температура є параметром, що характеризує процес теплообміну, теплоперенесення. Виміряти температуру тіла безпосередньо не можна. Її значення можна визначити за якимись фізичними параметрамитіла, які змінюються залежно від температури: електричний опір, термоелектрорушійна сила, довжина, об'єм та ін.
Щоб мати можливість кількісного визначення температури, необхідно встановити шкалу, тобто. вибрати початок відліку та одиницю виміру температурного інтервалу. Для розмітки температурної шкали найчастіше використовували об'ємне розширення тіл при нагріванні, а за постійні точки приймали температури кипіння води та танення льоду. На цьому принципі ґрунтуються температурні шкали Фаренгейта, Реомюра, Цельсія. Фаренгейт розробив температурну шкалу 1714р. Найнижчу точку температурної шкали він отримав, змішуючи лід, кухонну сіль та нашатир. Ця точка відповідала 0°F. Суміш льоду та води давала другу опорну точку - 32°Р. Точка кипіння води відповідала 212°F,
У 1940 р. у Франції почала вживатися шкала Реомюра. На ній точку замерзання води було прийнято за 0°Р, а точку кипіння води за 80°Р.
У 1942 р була прийнята шкала Цельсія, за якою точку замерзання води прийнято за 0°С, а точку кипіння за 100°С.
У 1948 р. Кельвін запропонував нову термодинамічну шкалу температур, яка залежить від властивостей матеріалу термометра. Ця шкала називається абсолютною шкалою температур. У цій шкалі лише однієї точки потрібно вибрати еталонне значення температури. Всі інші значення визначаються з термодинамічних відносин.
Крива I (крива танення льоду характеризує стан рівноваги при наявному тиску) твердої та рідкої фаз. Кожна точка цієї кривої визначає температуру танення льоду при цьому тиску. Крива II (крива тиску пари) характеризує рівновагу рідкої та газоподібної фаз. Це – залежність температури кипіння води від тиску. Крива III (кривасублімації сублімації) - крива переходу води з твердого стану (льоду) без водної фази в газоподібний (у пару).
Малюнок 1.2. Діаграма потрійної точки.
Потрійній точці відповідає температура Т = 273,16 К та тиск Р = 609Па. Одиниця термодинамічної температурної шкали - Кельвін була обрана так, щоб була спадкоємність із шкалою Цельсія. Кельвін як температурний інтервал дорівнює градусу Цельсія. Отже, будь-який температурний інтервал, виражений у Кельвінах, дуже дорівнює тому ж інтервалу, вираженому в градусах Цельсія.
Таким чином, термодинамічна шкала будується на одній реперній точці – потрійній точці води. Нижньою межею шкали є абсолютний нуль. Виходячи з цього, одиниця вимірювання температури - Кельвін = 1/273,16 тем
Температура плавлення льоду, прийнята за нуль шкали Цельсія, на 0,01 градуса нижче температури потрійної точки, отже, за термодинамічною шкалою температура плавлення льоду дорівнює 273,15 К і нуль шкали Цельсія дорівнює 273,15 К, а точка 100° 373,15 К. Надалі за допомогою газових термометрів було збудовано Міжнароднупрактична температурна шкала (МПТШ), близька до термодинамічної шкали. Вона була прийнята в 1927 р., потім уточнювалася в 1948 р., 1960 р., 1968р. Було прийнято позначати значення температури в абсолютній термодинамічній шкалі літерою Г, а температуру за шкалою Цельсія – літерою р.
Засіб вимірювання температури, призначений для вироблення сигналу у формі, зручній для передачі, обробки, сприйняття та використання в автоматичних системах контролю та управління, називається термометром.
Міжнародна практична температурна шкала (МПТШ-68) з урахуванням рекомендацій консультативного комітету з термометрії 1984 р [19] ґрунтується на 12 реперних точках (табл.1.4).
Інтерполяційні прилади між реперними точками: - в інтервалі температур від 13,81 до 903,89 К (630,74 ° С) - платиновий термометр опору; в інтервалі температур від 630,74 ° до 1064,43 ° С - термопара платинородій - платина; вище 1064,43°С температура екстраполюється за допомогою монохроматичного пірометра яскравості.
У зарубіжній літературі можна зустріти досі значення температур градусів Фаренгейта. Переведення градусів шкали Фаренгейта в градуси шкали Цельсія легко здійснюється за допомогою виразу: 1°С = 5/9 (°F-32).
Засоби вимірювання температури теплового електромагнітного випромінювання називаються пірометрами. Вони використовуються для безконтактного вимірювання температури.
Прилади для вимірювання температури в залежності від фізичних властивостей речовин, що використовуються, поділяються на такі групи: термометри
манометричні термометри, засновані на принципі зміни тиску рідини, пари, газу під дією температури;
- термометри опору, засновані на властивості провідників змінювати їх електричний опір під дією температури;
- термоелектричні термометри, засновані на властивості різнорідних металів утворювати в парі (спаї) термоелектрорушійну силу, що залежить від температури спаю;
-пірометри, засновані на принципі вимірювання енергії, що випромінюється нагрітими тілами, яка залежить від температури цих телідр.
Таблиця 1.4 Міжнародна практична температурна шкала