Docstoc

Masurarea Marimilor Termice

Document Sample
Masurarea Marimilor Termice Powered By Docstoc
					     TEMA PROIECTULUI
MĂSURAREA MĂRIMILOR TERMICE
    Pentru certificarea competentelor profesionale

                       Nivel 3




                         1
                    CUPRINS



 Argument…………………………………………… pag3

   Capitolul 1
Masurarea Temperaturilor…………………………….pag4
1.1 Scari de temperatura…………………….………..pag4
1.2 Tipuri de termometre………………………………pag9

    Capitolul 2
Masurarea energiei termice…………………………..pag16
2.1 Generalitati…………………………………………pag16
2.2 Contoare de energie………………………………pag17

Bibliografie




                        2
                                     Argument



      Baza realizarii oricarui produs este proiectarea, iar proiectarea se sprijina pe
date obtinute prin operatii de masurare
Atat in stiinta cat si in tehnica, informatiile necesare sunt obtinute in principa, prin
masurari.

      Indiferent daca este vorba doar de un transfer de energie termica, de
producerea de energie termica sau de gestionarea energiei termice, importanta
este determinarea marimilor caractenstice acestor procese. Chiar is marimile
complexe se bazeaza tot pe marimile (parametrii) de stare utilizate in termotehnica,
ca de exemplu temperatura is presiunea.
      Evident ca nu se poate spune ca la efectuarea bilanturilor termice ne bazam
numai pe marimi termice, in toate relatiile intervenind is alte marimi mecanice
care trebuiesc masurate, din care se detaseaza" cantitatea, debitul, nivelul,
concentratia diverselor componente dintr-un amestec de gaze sau puterea
mecanica.

      In prezenta lucrare sunt tratate pe rand marimile termice pornindu-se de la
definirea acestora, ca apoi sa se studieze o paleta larga de moduri de masurare a
fiecareia dintre aceste marimi.




                                            3
                 Cap.I- MĂSURAREA TEMPERATURII
       NOŢIUNI GENERALE DESPRE TEMPERATURĂ
           Temperatura este o mărime fizică fundamentală care indică gradul de încălzire a
            unui corp.
           Temperatura este o mărime ce se determină funcţie de o scară de referinţă.
           Scara de temperatură are valori numerice pentru fiecare temperatură.
           Punctul triplu al apei se realizează introducând într-un vas în formă de “U”, apă
            de cea mai mare puritate şi se formează un strat de gheaţă cu ajutorul unui
            amestec răcitor. Când amestecul răcitor este înlocuit cu un termometru, stratul
            subţire de gheaţă începe să se topească.

  Atâta timp cât faza solidă, lichidă şi vaporii coexistă, sistemul este la punctul triplu.

   1.1. SCĂRI DE TEMPERATURĂ
      Scara Celsius, măsoară temperatura în grade Celsius (0C).

Relaţia dintre temperatura termodinamică şi temperatura Celsius este:

       t=T-273,15

      Scara termodinamică (Kelvin), măsoară temperatura T în kelvin (K), definit ca unitatea
       fundamenală de temperatură în SI (1/237,15 din temperatura termodinamocă a punctului
       triplu al apei).
      Scara Reaumur-este o scară convenţională de temperatură care se bazează pe intervalul
       de temperatură dintre punctul de topire al gheţii şi punctul de fierbere al apei, interval
       împărţit în 80 de părţi.

   Gradul Reaumur se notează 0R şi este unitatea de măsură pentru măsurarea temperaturii pe
scara Reaumur.

       10C=0,80R

    Scara Fahrenheit-are la bază intervalul de temperatură dintre punctul de topire
     a gheţii (32) şi puntul de fierbere al apei (212).

Gradul Fahrenheit 0F, este unitatea de măsură pentru temperatură pe scara Fahrenheit.

       10C=1,80F




                                                 4
CORESPONDENŢA TEMPERATURILOR PE DIFERITE SCĂRI




                      5
       PRINCIPIUL DE MĂSURARE
     Temperatura nu se măsoară în mod direct. Nu există etalon al unităţii de măsură pentru
temperatură.

       Temperatura unui corp se măsoară prin comparare cu un corp termometric. Corpul de
contact şi corpul termometric sunt puse în contact şi ajung după un anumit interval de timp la
echilibru termic.



  CLASIFICAREA MIJLOACELOR PENTRU MASURAREA
TEMPERATURII
   a) Dupa temperatura masurata:

           termometre pentru temperaturi mai mici de 750 C;
           termometre pentru temperaturi inalte de pana la 3000 C(pirometre);

b) În funcţie de principiul fizic care stă la baza funcţionării lor termometrele se clasifică în:

           Termometre cu variaţie de volum termometrele de sticlă cu lichid, termometrul cu
            gaz, etc.
           Termometre cu variaţie de presiune: termometrele manometrice.
                                                  6
           Termometre cu variaţie a termometre cu rezistenţă electrică sau cu termistori.
           Termometre cu variaţie a tensiunii electromotoare termometrele cu termocuplu.
           Termometre cu variaţie a energiei radiante: pirometre cu radiatie

c) Dupa principiul constructiv:

      cu dilatatie
      manometrice
      cu rezistenta electrica



   1.2 Tipuri de termometre
Termometre cu dilatatie

     Principiul lor de funcţionare se bazează pe variaţia volumului unui corp termometric cu
temperatura.

Termometre de sticlă cu lichid




Părţi componente:
1-tub capilar;
2-placă;
3-tub de sticlă;
Termometrele cu Hg şi vid măsoară temperaturi în intervalul -35....+3000C.



                                              7
      Principiu de funcţionare
Acest termometru măsoară temperatura pe principiul dilatării unui lichid termometric (mercur,
alcool, toluen), ca urmare a încălzirii acestuia prin contact cu corpul de contact.

      Construcţia termometrului
      Este format dintr-un capilar 1 din sticlă, cu un rezervor, umplut cu lichid termometric.
Deasupra coloanei de lichid este vid, iar tubul este închis etanş. Tubul capilar este montat pe o
placă 2, cu o scară gradată.


              Citirea termometrului
Valoarea temperaturii măsurate se citeşte direct pe scara gradată în dreptul reperului până unde
a urcat lichidul termometric.


                Intervalele de temperatură în care pot fi folosite termometrele de sticlă cu lichid
                                                        Intervalul de           temperatură
                     Corpul termometric
                                                             de la                până la
             Mercur                               -30°C                   +700°C
             Toluen                               -90°C                   +100°C
             Alcool etilic                        -100°C                  +75°C
             Eter de petrol                       -130°C                  +25°C
             Pentan                               -190°C                  +20°C




                                                      8
                     TIPURI DE TERMOMETRE CU LICHID




      Corpuri termometrice
         Corpurile termometrice uzuale pentru aceste tipuri de termometre sunt: mercurul, alcoolul
etilic, toluenul, pentanul, eterul de petrol, etc. Global, aceste termometre pot măsura temperaturi
cuprinse între -190°C şi +700°C. Intervalul de temperatură pe care îl poate măsura un anumit
termometru depinde însă de corpul termometric folosit.

      Mercurul este cel răspândit corp termometric folosit la termometrele de sticla cu lichid.



      Avantajele mercurului:

                                                9
                 o   este uşor de obţinut în formă chimic pură
                 o   nu udă sticla
                 o   rămâne în stare lichidă într-un interval larg de temperatură (între -38,86°C şi
                     +356,7°C), la presiune atmosferică normală
                 o   are un coeficient de dilatare termică ce variază foarte puţin în funcţie de
                     temperatură, scara termometrului rămânând aproape liniară până la +200°C
                 o   are o căldură specifică relativ mică, conferind astfel inerţie mică termometrelor cu
                     mercur.

Dezavantajele mercurului:

                 o are inerţie termică mare, care îl face inadecvat pentru măsurători ale
                   temperaturii în regim variabil;
                 o este toxic şi are potenţial de contaminare a mediului, în caz de spargere a
                   termometrului. Unele ţări din UE au interzis prin lege folosirea
                   termometrelor de sticlă cu mercur pentru uz medical.

       Pe lângă corpul termometric conţinut, tubul capilar al termometrelor cu lichid poate fi
vidat sau umplut cu un gaz inert (de ex. azot). La termometrele cu mercur ce măsoară temperaturi
mai mici de +150°C, tubul capilar este umplut cu un azot la presiune normală. La termometrele
cu mercur ce măsoară temperaturi peste +150°C, tubul capilar este umplut cu azot sub presiune,
valoarea presiunii fiind în funcţie de temperatura maximă pe care o măsoară termometrul (poate
depăşi 20 atm).

DOMENII DE UTILIZARE
   Termometrele cu lichid se folosesc în diverse domenii: în industrie, în laboratoare, în
medicină etc. Forma şi aspectul lor diferă în funcţie de destinaţia de utilizare, dar toate prezintă
anumite elmente constructive comune:

      Rezervorul cu lichid, de formă cilindrică sau sferică, ce conţine lichidul termometric
       (mercur, toluen, alcool etilic sau alt corp termometric);
      Tubul capilar, aflat în continuarea rezervorului şi confecţionat din aceeaşi sticlă ca şi
       acesta;
      Scala gradată, confecţionată din sticlă mată şi fixată în dreptul capilarului;
      Învelişul de sticlă ce protejează atât capilarul, cât şi scala.

Precizia termometrelor
Precizia unui termometru este cea mai mică variaţie de temperatură pe care o poate
măsura termometrul. În cazul termometrelor cu lichid, în funcţie de construcţie, precizia
de măsurare variază între 0,01°C şi 1 °C.

       4.1.2.Termometre metalice
                                                   1
                                                   0
    Termometrul metalic cu tijă

      Principiul de funcţionare

      Se bazează pe dilatarea unor corpuri solide , metalice cu coeficient de dilatare mare.

      Construcţia termometrului

       Conţine un tub 1 închis la un capăt, executat din Cu, Al, alamă sau oţel. În acest tub se
află o tijă 2 dintr-un material cu coeficient de dilatare foarte mic (porţelan, cuarţ). Tija 2 este în
contact cu tubul 1 datorită pârghiei 3 şi a arcului elicoidal 4.




      Funcţionarea termometrului
       Tubul 1 introdus în mediul al cărei teperaturi o va măsura îşi modifică lungimea prin
dilatare sau contracţie. Asta face ca tija 2 să se deplaseze şi să antreneze într-o mişcare de
rotaţie pârghia 3 şi acul indicator 5. Citirea se face în grade Celsius direct pe cadran în dreptul
acului indicator.

4.1.3.Termometre cu variaţie a rezistenţei electrice
      Se bazează pe variaţia cu temperatura a rezistenţei electrice a unui conductor sau
semiconductor.

   Termometrul cu rezistenţă
   Termorezistenţele- fac parte din categoria elementelor sensibile necesită energie auxiliară în
procesul de măsurare aparametrice astfel că adaptoarele destinate acestora suntrezistenţei


                                                 11
electrice semnal unificat de ieşire. Pentrude tipul convertor rezistenţă realizarea adaptoarelor
se au în vedere o serie de particularităţi:

             în special pevariaţia redusă a rezistenţei termorezistenţei ca şi necesităţile
             impuse de precizia de măsurare,domenii mici implică utilizarea de metode de
             punte în intrare, alimentate în c.c. şi lucrând în regim echilibrat/dezechilibrat;
            distanţa relativ ridicată între elementul sensibil şi adaptor impune controlul riguros
             al rezistenţelor de linie prin utilizarea în a conexiunii elementului sensibil cu 2, 3
             sau 4 după caz intrare conductoare;
            neliniaritatea caracteristicii statice a elementului sensibil, ca şi a punţii de
             măsurare, în cazul punţilor lucrând în regim dezechilibrat, impune utilizarea de
             circuite de liniarizare în structura adaptorului;
            separarea galvanică a semnalului unificat de ieşire din adaptor în raport cu
             elementul sensibil şi/sau cu sursele de alimentare, impusă de condiţiile concrete în
             care se utilizează traductorul.


                  Intervalele de temperatură în care pot fi folosite termometrele cu rezistenţă
                                                      Intervalul de          temperatură
                      Corpul termometric
                                                            de la               până la
               Platină pură                       +200°C                  1100°C
               Nichel pur                         -100°C                  +200°C
               Cupru pur                          -20°C                   +100°C




      Corpuri termometrice

       Corpurile termometrice folosite la construcţia termometrelor cu rezistenţă sunt metale care
trebuie să îndeplinească anumite condiţii:

      - Coeficientul termic al rezistenţei să fie mare, pentru a asigura o sensibilitate mare a
      termometrului;
      - Conductorul să aibă o rezistivitate electrică mare, pentru a se putea utiliza un fir cât mai
      scurt;
      - Metalul din care este confecţionat conductorul electric să nu reacţioneze chimic cu
      mediul în care se măsoară temperatura, pentru a nu îşi modifica proprietăţile în procesul
      de măsurare.

      Metalele care îndeplinesc cel mai bine aceste condiţii sunt platina pură, nichelul pur şi
cuprul pur. Din acest motiv, acestea sunt metalele cele mai folosite pentru fabricarea de
termometre cu rezistenţă.


                                                     1
                                                     2
      Precizie

Măsurarea rezistenţei electrice a termometrului aflat la diferite temperaturi se realizează prin
intermediul unei punţi electrice (punte Wheastone), în care firul termometrului este chiar una
din ramurile punţii. Măsurarea rezistenţei cu ajutorul punţilor electrice are o mare precizie, de
aceea şi precizia termometrului cu rezistenţă este mare (0,001°C).



Termocuplul-Structură




       Termocuplul se compune din două fire din metale diferite, numite termoelectrozi, sudate
la un capăt 1. Capătul sudat se numeşte sudură caldă, iar celelalte capete 2 şi 3, numite capete
libere ale termocuplului, se leagă prin conductoarele de legătură la aparatul electric pentru
măsurarea forţei termoelectromotoare. Legăturile dintre capetele libere şi conductoarele de
legătură constituie sudura rece. Temperatura sudurilor reci trebuie menţinută la o valoare
constantă.

       Deoarece termoelectrozii au o lungime maximă de 200 cm, din care două treimi intră în
cuptorul în care se măsoară temperatura, sudura rece se va găsi totdeauna în apropierea
cuptorului. Acesta fiind la temperatură ridicată, degajă căldură şi creează în jurul lui o
temperatură mai ridicată decât a camerei şi variabilă în timp. Din acest motiv, cât şi pentru că
este incomod să se realizeze sudura rece în imediata apropiere a cuptorului, s-a căutat să se
deplaseze sudura rece în altă parte, unde se poate menţine o temperatură constantă.

       Rezolvarea problemei a fost prelungirea termoelectrozilor cu alte conductoare de
aceeaşi natură, în general chiar din acelaşi material. În felul acesta la contactul dintre
conductoarele de prelungire şi firele termocuplului nu se formează un termocuplu, deci
nu ia naştere forţa termoelectromotoare. Aceste fire se numesc cabluri de compensare şi sunt
complet separate de termocuplu, legătura executându-se numai la montarea termocuplului.
Cablul de compensare are rolul de a muta sudura rece din apropierea cuptorului într-un loc cu
temperatura constantă. Sudura rece se va forma acum la legătura dintre cablul de compensare şi
cablul de legătură.
                                                1
                                                3
      Termocuplurile se execută din diferite metale sau aliaje. Valoarea tensiunii
termoelectromotoare a diferitelor termocupluri depinde atât de materialul din care sunt executaţi
termoelectrozii, cât şi de temperatura sudurilor calde şi reci. Relaţia dintre temperatura şi forţa
termoelectromotoare se poate exprima printr-o ecuaţie de gradul al doilea de forma:



în care E este forţa termoelectromotoare rezultantă, atunci când t este temperatura sudurii calde,
iar temperatura sudurii reci este constantă (în general 0°C); a, b şi c sunt trei constante ale căror
valori se determină prin măsurarea tensiunii termoelectromotoare la temperaturi fixe cunoscute
(temperatura de solidificare a stibiului, a argintului şi a aurului). Valoarea constantelor a, b şi c
depinde numai de materialul termoelectrozilor din care s-a executat termocuplul.



Materialele folosite- Condiţii
       Materiale întrebuinţate la construcţia termocuplurilor Ca electrozi se utilizează în special
metale şi aliaje, care în afară de faptul că satisfac unele condiţii impuse acestora dezvoltă în
acelaşi timp tensiuni termoelectromotoare relativ mari. Se pot utiliza metale sau aliaje care
satisfac următoarele condiţii:

       Să aibă o compoziţie omogenă şi constantă; să dezvolte o tensiune termoelectromotoare
stabilă la temperaturi ridicate; curba tensiunii termoelectromotoare în funcţie de temperatură să
fie cât se poate de liniară; să aibă o bună conductivitate electrică; proprietăţile electrice ale
metalului sau aliajului să nu se modifice în urma oxidării; forţa electromotoare să fie constantă
în timp; să fie posibilă fabricarea unor materiale identice care să asigure intersanjabilitatea
termocuplurilor.

       Cele mai bune termocupluri se caută pe cale experimentală. Se studiază proprietăţile
electrice ale diferitelor metale sau aliaje şi se selecţionează acelea care satisfac cel mai mult
condiţiile de mai sus. Pentru a găsi combinaţia cea mai bună din punctul de vedere al tensiunii
termoelectromotoare dezvoltate s-a determinat experimental curba tensiune electromotoare în
funcţie de temperatura pentru o serie de metale şi aliaje care formează termocupluri cu platină.
S-a ales platina ca metal de referinţă deoarece ea se poate obţine în stare foarte pură şi are o
mare stabilitate electrică şi chimică. Cele mai răspândite materiale care se întrebuinţează la
executarea conductoarelor pentru termocupluri sunt prezentate în continuare. Platina. Datorită
calităţilor chimice şi electrice, platina (Pt) împreună cu aliajele de platină cu rhodiu PtRh (10%
Rh) constituie un termocuplu de mare precizie. Platina având o mare stabilitate chimică şi o
temperatură de topire ridicată (1769 oC) se întrebuinţează la măsurarea temperaturilor înalte,
devenind chiar un instrument etalon pentru măsurarea acestor temperaturi. Termocuplul platină-
platină rhodiu măsoară temperaturi între 0 şi 1600°C. Se mai obişnuieşte formarea
termocuplului platină cu platin-iridiu (10% Ir). Platina trebuie ferită însă de carbon, hidrogen şi

                                                 1
                                                 4
vapori de metale, care au efecte dăunătoare asupra ei. În mod special trebuie evitată utilizarea
platinei în atmosferă oxidantă sau reducătoare în care se găsesc oxizi metalici.

Aliaje folosite
       Constantanul este un aliaj care conţine 40% Ni şi 60% Cu. El se întrebuinţează în
combinaţie cu fierul pur pentru termocuplul Fe-Constantan care poate măsura temperaturi de la
- 200°C până la 900°C, iar cu cuprul pur termocuplul Cu-Constantan pentru temperaturi de la –
200°C până la 600°C. Constantanul se poate obţine destul de uşor şi are proprietăţi electrice
suficient de stabile.

       Cromelul este un aliaj având compoziţia 89,0% Ni, 9,8% Cr, 1,0% Fe şi 0,2 % Mn. Se
utilizează în combinaţie cu alumelul (94%Ni, 0,5% Fe, 2% Al, 2,5 % Mn şi 1 % Si) formând un
termocuplu tehnic pentru domeniul de la 0°C la 1 200°C, foarte des folosit.

       Copelul (45% Ni, 55% Cu) şi cromelul realizează un termocuplu care serveşte la
măsurarea temperaturii între 0 şi 900°C. Termocuplul cromel-copel are avantajul că dezvoltă o
forţă electromotoare mare, ceea ce este uneori o calitate foarte preţioasă.

       Nichelul este unul dintre cele mai vechi metale utilizate la formarea termocuplului, mai
ales cu nichelcrom (84,6% Ni, 12,4% Cr, 3% Fe) sau cu grafit (cărbune). Termocuplurile
formate în ambele cazuri măsoară temperatura în domeniul 0¸ 1200°C. Nichelul are avantajul că
se poate obţine sub formă de fire foarte omogene.

      Nicrosil este un aliaj de Ni 84%, Cr 14,2%, Si 1,4% folosit ca electrod pozitiv la
termocuplele moderne în combinaţie cu nisil (Ni 95%, Si 4,3%) ca electrod negativ în
termocuplul de tip N.




                                                1
                                                5
                CAP II. MĂSURAREA ENERGIEI TERMICE


      2.1. Generalitati

       Energia termică este energia conţinută de un sistem fizic şi care poate fi transmisă sub
formă de căldură altui sistem fizic pe baza diferenţei dintre temperatura sistemului care cedează
energie şi temperatura sistemului care primeşte energie. Exemple: energia aburului, energia apei
calde sau fierbinţi, energia gazelor calde etc.
       Căldura apare ca urmare a arderii combustibililor, frecării dintre două corpuri, reacţiileor
chimice exoterme, reacţiilor nucleare şi trecerii curentului electric printr-un conductor.
       Agentul termic este substanţa lichidă sau gazoasă prin care se realizează transportul şi
transferul de energie.
Unităţi de măsură:




       Fluidul purtator de energie termica (lichid sau gaz) este denumit in mod uzual agent
termic.
Apa calda si fierbinte se caracterizeaza prir temperaturi superioare valorii de 30 ˚C , fiind
utilizata pentru uzul casnic si industrial. Sistemele de distribute centralizata asigura transportul
de la sursa (centrale termo-electrice, centrale termice) la beneficiari.
       Mijloacelede masurarea energiei termice se numesc generic contoare de energie termica
Contorul de energie termica este constituit dintr-un contor care masoara debitul de agent termic,
din doua traductoare de temperature (uzual termorezistente, una amplasata pe conducta tur, alta
amplasata pe conducta retur fata de consumatorul de energie termica si un bloc electronic de

                                                 1
                                                 6
calcul al energiei termice). Contorul de debit si cele doua traductoare de temperature transmit
blocului de calcul semnale electrice de iesire
       In figura 2 sunt prezentate variante ale configuratiei contorului de energie termica si
tipurile uzuale de contoare de debit, respectiv de traductoare de temperatura.
       Contoarele de energie termice se pot realiza in trei variante constructive:
- contoare complete, care nu contin subansambluri separabile (contoare de debit, traductoare
de temperatura, bloc de calcul);
- contoare combinate, care contin subansambluri separabile (contoare de debit, perechi de
traductoare de temperatura, bloc electronic de calcul);
Contoarele hibride sunt cele care la verificarile metrologice initiate sunt considerate drept
contoare combinate, iar dupa verificare sunt considerate contoare complete (cu subansambluri
inseparabile); in mod frecvent, aceste contoare sunt denumite contoare compacte.


       2.2. Contoare de energie

    Prin conversie – transferul de căldură se realizează de la un loc la altul printr-o mişcare
     reală a suprafeţei calde (încălzirea cu aer cald, cu apă caldă, curgerea sângelui prin corp).
    Prin conducţie – fenomenul de trecere a căldurii printr-un corp, de la particulele cu
     temperatură înaltă la particulele cu temperatură mai joasă.
    Prin radiaţie – se realizează fără contact între corpuri (radiaţiile luminoase ce pătrund
     într-o seră se transformă în căldură).

      Calorimetrele sunt mijloace utilizate la măsurarea energiei termice. Ele pot fi:




      Integratoare




      Înregistratoare




                                                1
                                                7
                         BIBLIOGRAFIE



1.L. Panaiotu, L. Georgescu, M. Rusu, D. Borşan: Fizică pentru clasa a
XII-a, Manual experimental, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti,
1979

2.Paliţă Valentin şi colab.: Termotehnică şi maşini termice: Teorie şi
aplicaţii, Editura Scrisul Românesc, Craiova, 2000, ISBN 973-38-0275-1

3.Anca Constantin: Termotehnică, Oxford University Press, Constanţa,
2002, ISBN 973-614-052-0




                                    1
                                    8

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Tags:
Stats:
views:2518
posted:5/21/2011
language:Romanian
pages:18