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
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
topire
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. 6
• • • •
Termometre cu variaţie de presiune: termometrele manometrice. 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 o o
o
o
este uşor de obţinut în formă chimic pură nu udă sticla rămâne în stare lichidă într-un interval larg de temperatură (între -38,86°C şi +356,7°C), la presiune atmosferică normală are un coeficient de dilatare termică ce variază foarte puţin în funcţie de temperatură, scara termometrului rămânând aproape liniară până la +200°C are o căldură specifică relativ mică, conferind astfel inerţie mică termometrelor cu mercur .
Dezavantajele mercurului: o
o
are inerţie termică mare, care îl face inadecvat pentru măsurători ale temperaturii în regim variabil; 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
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 electrice semnal unificat de ieşire. Pentru de tipul convertor rezistenţă realizarea adaptoarelor se au în vedere o serie de particularităţi: −
−
−
11
•
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
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.
Termocuplurile se execută din diferite metale sau aliaje. Valoarea tensiunii termoelectromotoare a diferitelor termocupluri depinde atât de materialul din care sunt executaţi 1
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 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. 1
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
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 calcul al energiei termice). Contorul de debit si cele doua traductoare de temperature transmit blocului de calcul semnale electrice de iesire 1
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
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
