Реферат на тему Измерение температуры протекания различных процессов. (Теория, методология, техника, оборудование и приборы, точность). (+презентация+доклад)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ. 3

1 Значимость
температуры в протекании процессы.. 4

1.1 Основные
понятия и температурная шкала. 4

1.2 Способы
измерения температуры.. 5

1.2.1
Термопреобразователи для измерения криогенных температур. 5

1.2.2
Медь-константановый термопреобразователь. 5

1.2.3 Термопреобразователи
из сплавов Кондо в паре с. 6

обычными
термоэлектродами. 6

1.3 Термодинамический
подход. 6

2. Приборы,
измеряющие температуру. 7

2.1 Виды и
принцип действия. 7

2.2 Виды
термометров по используемым материалам. 12

2.3
Классификация термометрических свойств. 13

2.4 Рабочие
средства измерительной техники. 15

2.5 Основные
понятия и законы излучения. 16

2.6 Контроль
температуры для оптимизации процессов. 19

в
промышленности. 19

Заключение. 20

Список
использованных источников. 22

Введение:

Температура как физическая величина
является одной из определяющих переменных состояния для управления ходом
различных производственных процессов. Измерение температуры является важнейшим
источником информации о протекании физических явлений и изменениях в состоянии
вещества.

Поскольку температура является наиболее метрологически изученной из всех
термодинамических функций состояния веществ, имеет практический смысл измерять
ее вместо прямого измерения некоторых свойств объекта, зависящих от состояния и
представляющих непосредственный интерес для технолога.

Эти свойства включают энергию вещества,
его химическую активность, вязкость, твердость, изменение химического или
фазового равновесия, скорость структурных изменений, тепловое расширение,
изменение электрических и магнитных свойств и т.д.

Для многих производственных процессов
температура продукта и процесса является важным физическим показателем.
Контроль температуры обеспечивает высокое качество продукции на
производственной линии.

В то же время измерение температуры с
помощью контактных датчиков, вводимых в тепловой контакт с измеряемым объектом,
представляет особые трудности, которые резко возрастают при повышении
температуры.

Эти трудности связаны с выбором материала
для измерительного элемента, который бы обеспечивал стабильность показаний и
минимальное воздействие на измеряемый объект, с выбором изоляционных материалов
для электрических термометров.

Ошибки в контактных измерениях из-за
несовершенного теплового равновесия между термометром и объектом, плохого
теплового контакта и ранних тепловых эффектов могут быть значительными.

Измерение температуры тепловым излучением
обходит все эти трудности, поскольку отсутствует прямое температурное
воздействие на материалы узла устройства, а само измерение является
бесконтактным.

Объект исследования: температура.

Предмет исследования: измерение
температуры протекания различных процессов.

Цель работы: изучить теорию измерения
температуры.

Задачи работы:

— изучить понятие «температура»;

— изучить способы измерений температуры;

— изучить приборы, измеряющие температуру.

Заключение:

Слово "температура" возникло в
те времена, когда люди верили, что более нагретые тела содержат большее
количество особого вещества, тепла, чем менее нагретые тела. Поэтому
температура воспринималась как прочность смеси вещества тела и теплового
водорода.

Поскольку температура — это кинетическая
энергия молекул, понятно, что естественнее всего измерять ее в единицах энергии
(т.е. в джоулях в системе СИ). Однако измерение температуры началось задолго до
создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические весы измеряют
температуру в условных единицах — градусах.

При равновесии температура имеет
одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если два тела в
системе имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит переноса
кинетической энергии частиц (тепла).

Однако при разнице температур тепло
передается от тела с более высокой температурой к телу с более низкой
температурой, поскольку в этом случае общая энтропия увеличивается.

Температура как физическая величина
является одним из определяющих параметров состояния, позволяющих контролировать
протекание самых различных производственных процессов. Измерение температуры –
важнейший источник информации о ходе физических явлений и об изменении
состояния вещества.

Из всех термодинамических функций
состояния вещества температура наиболее изучена в метрологическом отношении, ее
практически оказывается полезным измерять взамен прямого измерения ряда
характеристик объекта, зависящих от его состояния и непосредственно интересующих
технолога.

К таким характеристикам относятся энергия
вещества, его химическая активность, вязкость, твердость, изменение его
химического или фазового равновесия, скорость изменения структуры, тепловое
расширение, изменение электрических и магнитных свойств и т.д.

Для многих производственных процессов
температуры продукта и процесса являются важными физическими измеряемыми
величинами. Благодаря контролю температуры обеспечивается высокий уровень
качества продукции производственной линии.

Температура играет важную роль в
повседневной жизни, в познании природы, исследовании новых явлений, а ее
единица – кельвин К – является одной из семи основных единиц, на которых
основана Международная система единиц.

Из того, что температура – это
кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в
энергетических единицах (то есть в системе СИ в джоулях). Однако измерение
температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории,
поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах – градусах.

В равновесном состоянии температура имеет
одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе
два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи
кинетической энергии частиц (тепла).

Если же существует разница температур, то
тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой,
потому что суммарная энтропия при этом возрастает. Температура связана также с
субъективными ощущениями «тепла» и «холода», связанными с тем, отдаёт ли живая
ткань тепло или получает его.

Существует несколько
способов измерения температур:

— термопреобразователи
для измерения криогенных температур;

— медь-константановый
термопреобразователь;

— термопреобразователи из
сплавов Кондо в паре с обычными термоэлектродами.

Для измерения низких
температур разрабатываются термоэлектроды на основе сплавов из неблагородных
металлов.

Перспективным является
термоэлектрод из сплава меди с железом. Термопреобразователи, имеющие такие
термоэлектроды, по метрологическим характеристикам уступают
термопреобразователям, у которых термоэлектроды изготовлены из сплава золота с
железом, но более доступны.

Большинство
технологических процессов корректно проходят только при определенной
температуре. Кроме того, измеряемые температурные показатели помогают определять,
насколько корректно используется затрачиваемая энергия.

Виды термометров по
принципу действия:

— Контактные;

— Термометры
сопротивления;

— Электронные термопары;

— Манометрические;

— Бесконтактные пирометр.

Для многих
производственных процессов  температуры
продукта и процесса являются важными физическими измеряемыми величинами.
Благодаря  контролю температуры
обеспечивается высокий уровень качества продукции производственной линии.

В зависимости от вида
материала используемого в термометре приборы делятся на такие виды. Жидкостные.
Представляют собой корпус, заполненный жидкостью, которая подвержена
температурному расширению.

Газовые. Принцип действия
– тот же, что и у жидкостных, но в качестве заполнителя для колбы выбирается
инертный газ.

Механические. В основе действия – принцип
деформации металлической спирали. Часто эти термометры комплектуются стрелочным
“дисплеем”. Устанавливаются в спецтехнике, автомобилях, на автоматизированных
линиях. Не чувствительны к ударам.

Электрические. Работают, измеряя уровень
сопротивления проводника при разных температурных показателях. В качестве
проводника могут использоваться разные металлы (например, медь или платина).

Термоэлектрические. В конструкции
предусмотрено два проводника, проводящие замеры по физическому принципу на
основе эффекта Зеебека. Эти устройства
очень точные, работают с погрешностью до 0,01 градуса и подходят для
высокоточных измерений в производственных процессах, когда рабочая температура
превышает 1000 градусов.

Волоконно-оптические. Чувствительные
датчики из оптоволокна (оно натягивается и сжимается или растягивается при
изменении температуры, а прибор фиксирует степень преломления проходящего луча
света). Допустимый диапазон измерений – до +400 градусов, а погрешность – не
более 0,1 градуса.

Инфракрасные. Непосредственный контакт с
измеряемым веществом не требуется: прибор генерирует инфракрасный луч, который
направляется на изучаемую поверхность. Это современный вид бесконтактных
термометров, которые работают с точностью до нескольких градусов и подходят для
высокотемпературных измерений. С их помощью можно измерять даже температуру
открытого пламени.

Таким образом можно сделать вывод, что
температура важная величина, значение которой очень важны в различных областях
хозяйственной деятельности человека.

Фрагмент текста работы:

1 Значимость температуры в протекании процессы 1.1 Основные понятия и температурная шкала Слово "температура" возникло в
те времена, когда люди верили, что более нагретые тела содержат большее
количество особого вещества, тепла, чем менее нагретые тела. Поэтому
температура воспринималась как прочность смеси вещества тела и теплового
водорода.

Поскольку температура — это кинетическая
энергия молекул, понятно, что естественнее всего измерять ее в единицах энергии
(т.е. в джоулях в системе СИ). Однако измерение температуры началось задолго до
создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические весы измеряют
температуру в условных единицах — градусах.

При равновесии температура имеет
одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если два тела в
системе имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит переноса
кинетической энергии частиц (тепла).

Однако при разнице температур тепло
передается от тела с более высокой температурой к телу с более низкой
температурой, поскольку в этом случае общая энтропия увеличивается.

Температура также связана с субъективными
ощущениями "тепла" и "холода", которые связаны с тем,
отдает или получает тепло живая ткань [6].

Температура играет важную роль в
повседневной жизни, в познании природы, в изучении новых явлений, а ее единица
— кельвин К — является одной из семи основных единиц, на которых основана
Международная система единиц.

Нуль шкалы Кельвина соответствует самой
низкой теоретически возможной температуре (абсолютный ноль температуры).

Ноль на шкале Цельсия соответствует точке,
в которой вода застывает. Более низкие температуры по этой шкале являются
отрицательными.

Один кельвин равен одному градусу Цельсия.

Таким образом, шкалы Кельвина и Цельсия
просто смещены друг относительно друга.

Если,

T температура в Кельвинах (К), или абсолютная температура,   K.

t температура в градусах Цельсия,  °С

Tо 273.15 К нулевая точка по шкале Цельсия
(точка затвердевания воды),K.

то,  t= T−Tо или T= t+ Tо.

Одной из производных величин СИ со
специальным названием является температура по Цельсию, измеряемая в градусах
Цельсия [1]. На практике часто используется указание в градусах Цельсия из-за
исторической привязки к важным свойствам воды — температуре плавления льда (0
°C) и температуре кипения (100 °C).

Это удобно, потому что большинство
климатических процессов, процессов в животном мире и т.д. связаны с этим
диапазоном. Изменение температуры на один градус Цельсия соответствует
изменению температуры на один Кельвин.

Поэтому с момента введения нового
определения Кельвина в 1967 году точка кипения воды больше не является фиксированной
точкой отсчета и, как показывают точные измерения, составляет уже не 100 °C, а
близка к 99,975 °C.

Существуют также шкалы Фаренгейта и
некоторые другие. Согласно статистике, около 40% всех измерений — это измерения
температуры [1]. В некоторых отраслях этот процент гораздо выше.

Например, в энергетической промышленности
на измерения температуры приходится 70% всех измерений. Температура имеет
большое значение для мониторинга, автоматизации и управления процессами.
Точность температуры часто определяет не только качество, но и принципиальное
применение продукции для конкретных целей, например, для выращивания
полупроводниковых монокристаллов.

В современных условиях технологические
требования к точности температуры. Термодинамическая шкала идентична шкале
идеального газа, которая основана на зависимости давления идеального газа от
температуры. Законы изменения давления от температуры для реальных газов
отклоняются от идеальных, но поправки на отклонения реальных газов малы и могут
быть определены с высокой степенью точности.

Наблюдая за расширением реальных газов и
вводя поправки, можно оценить температуру в термодинамическом масштабе. В
начале двадцатого века широко использовались шкалы Цельсия и Реомюра, а в
научных работах также применялись шкалы Кельвина и водородная шкала.

Пересчет из одной шкалы в другую вызвал
большие трудности и привел к ряду недоразумений. Поэтому в 1933 году было
решено использовать Международную температурную шкалу (ITPS).Опыт использования
ИТС показал, что необходимо внести ряд уточнений и дополнений, чтобы
максимально приблизить ее к термодинамической шкале.

Поэтому ССПЗ был пересмотрен и адаптирован
к состоянию знаний на тот момент. В 1960 году был принят новый
"Международный регламент практической температурной шкалы" от 1948
года. 1.2 Способы измерения температуры Существует несколько
способов измерения температуры:

— Преобразователи
температуры, измеряющие «криогенные температуры»;

— Медно-константановые
термопреобразователи;

— Термопреобразователи из
сплава Кондо в паре с обычными термоэлектродами;

Разработаны
термоэлектроды на основе цветных сплавов для измерения низких температур.

Перспективным является
термоэлектрод из сплава медь-железо. Тепловые преобразователи с такими
термоэлектродами уступают по метрологическим характеристикам тепловым
преобразователям с термоэлектродами из сплава золото-железо, но они более
доступны. 1.2.1 Термопреобразователи
для измерения криогенных температур Характерной особенностью
термоэлектрического метода измерения низких температур является то, что с
убыванием температуры ухудшаются условия генерирования термоэлектродвижущей
силы (ТЭДС) [3]. 1.2.2
Медь-константановый термопреобразователь Медь-константановый
термопреобразователь в практике измерения низких температур получил наиболее
широкое применение. Условное обозначение номинальных статических характеристик
(НСХ) преобразования в соответствии с ДСТУ 2837-94 [4]: МК (М) с термоэлектродами
медь (М1) и сплав копель МНМц 43…0,5 (56 % Cu – 44 % Ni) для диапазона
измеряемых температур -200…+400 ºС (70…670 К).

В отличие от электродов
из чистого металла, сплавы часто превышают требования к однородности,
предъявляемые к термическим электродам. Это особенно актуально для константана,
выбор которого требует особой тщательности и внимания для измерения низких
температур.

Для термопреобразователей
подходит только термопара Константан. Обычная электротехническая медь отвечает
требованиям однородности [5]. ЭДС медного константанового теплообменника
уменьшается с температурой и становится менее 5 мкВ/К при 20 К. При
температурах ниже тройной точки водорода (13,81 K) используются сплавы Кондо,
которые гораздо эффективнее медно-константановых термопреобразователей в
диапазоне температур 2…20 K [6]. 1.2.3 Термопреобразователи из сплавов Кондо в паре с

обычными
термоэлектродами Такие
термопреобразователи эффективны при измерении температуры ниже трехкратного
значения водородной точки. Сплавы Кондо – это твердые растворы, в которых
переходные или редкоземельные металлы растворены в обычном металле в очень
малых количествах. Молярное содержание растворов колеблется от нескольких
тысячных до нескольких десятых долей процента [7].

Невоспроизводимость -значений,
связанная с повторением циклов охлаждения, не превышает ±0,01% при измерении
"гелиевых" температур и уменьшается с ростом температуры [10].

Для измерений в диапазоне температур
1…80 К рекомендуются термопары с электродами из сплавов серебро-золото
(молярная доля 0,37 %) и золото-железо (молярная доля 0,03 %) [12].
Чувствительность увеличивается с понижением температуры и составляет 10 мкВ/К
при 2 К, 14 мкВ/К при 10 К и 8 мкВ/К при 40 К. При индивидуальной настройке
номинальной статической характеристики ее погрешность достигает 0,1 К.

Разработаны термоэлектроды на основе сплавов недрагоценных металлов для измерения
низких температур. Перспективным является термоэлектрод из сплава медь-железо.
Термопреобразователи с такими термоэлектродами уступают по метрологическим
свойствам термопреобразователям из золото-железного сплава, но более доступны.
Кроме того, зарубежные компании выпускают термопреобразователи железо-константанового типа под названием НСХ
железо-константанового преобразования с термоэлектродами
из сплава железа и константана (55% Сu + 45% Ni, Мg, Fе) для диапазона измеряемых температур -200…+700 ºС
(73…973 К). Для измерения температуры в промышленности широкое
распространение получили преобразователи с условным обозначением НСХ преобразования
хромель-копель (ХК) [13]. 1.3 Термодинамический подход Температура — величина, обратная изменению
энтропии (степени беспорядка) системы при добавлении в систему одиночного
количества теплоты: 1/T = ΔS/ΔQ.

В равновесном состоянии температура имеет одинаковое
значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела
имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической
энергии частиц (тепла). Если существует разница температур, то тепло переходит
от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, потому что
суммарная энтропия при этом возрастает [2].

Температура связана также с субъективными ощущениями «тепла» и «холода», связанными с
тем, отдает живая ткань тепло или получает ее.

Некоторые квантовомеханические
системы
могут находиться в состоянии, при котором энтропия не возрастает, а убывает при
добавлении энергии, что формально соответствует отрицательной абсолютной
температуре. Однако такие состояния находятся не «ниже абсолютного ноля», а
«выше бесконечности», поскольку при контакте такой системы с телом, обладающим
положительной температурой, энергия передается от системы к телу, а не
наоборот. Свойства температуры изучает раздел физики – термодинамика.
Температура также играет важную роль во многих областях науки, включая другие
разделы физики, а также химию и биологию.