Przyrządy pomiarowe w kriotechnice – pomiar temperatury i

I.
Pomiar temperatury cieczy kriogenicznych
Przyrządy do pomiaru temperatury
1. Termometr gazowy –każda zmiana temperatury naczynia odpowiada zmianie
ciśnienia gazu a tym samym zmianie położenia wskaźnika. Jest to urządzenie
służące do pomiaru temperatury, którego zasada działania oparta jest na
wykorzystaniu zjawiska rozszerzalności termicznej gazu. Pomiar temperatury
odbywa się za pomocą czujnika, który składa się z kapsuły wypełnionej gazem,
kapilary i elementu sprężystego (rurka Bourdona). Zmiana temperatury
medium powoduje powstanie wewnętrznego ciśnienia, co jest mierzone przez
układ z rurką Bourdona. Zmiany temperatury otoczenia są wyrównywane z
wykorzystaniem układu bimetalicznego znajdującego się wewnątrz
termometru. Temperaturę wyznacza zależność: T = Twz(p / pwz), przy V=const,
gdzie Twz i pwz to temperatura i ciśnienie wzorca.
1
2
3
Rysunek 1 Termometr gazowy:1- manometr(może być wyskalowany by pokazywał temperaturę),2kapilara, 3-zbiornik z sprężającym i rozprężającym się gazem.
2. Termometr z przetwornikiem:
a) Termorezystorowym- wykorzystują one zjawisko zmiany oporu
elektrycznego przy zmianie ich temperatur. Zastosowanie
termorezystorów zapewnia dużą dokładność pomiaru i stałość
charakterystyk termometru. Zewnętrzne czujniki temperatury są
wykonywane w obudowach dostosowanej konstrukcyjnie do
indywidualnych wymagań. W tym termometrze bateria jest źródłem
prądu, a miernik oporu jest wykalibrowany tak, aby wskazywał
temperaturę. Termometry te stosowane są coraz częściej ze względu na
duża dokładność pomiaru i możliwość ciągłego zapisu temperatury.
Rysunek 2 Wykres przedstawiający zależność oporności od temperatury.
b) Termoelementowym-złącze , styk dwóch przewodników lub
półprzewodników. W 1821r. Seebeck dowiódł, iż w układzie
składającym się z dwóch różnych przewodników których spoiny znajdują
się w różnych temperaturach powstaje różnica potencjałów, zwaną siłą
termoelektryczną . Wartość siły jest proporcjonalna do wartości różnicy
temperatur obu spoin. Spoina pomiarowa może znajdować się w
obudowie o dużym przewodnictwie cieplnym. Instaluje się ją w miejscu
pomiaru temperatury. Złącze odniesienia może być umieszczane w
ściśle określonej temperaturze odniesienia, np. topniejącym lodzie.
Złącze to może nie być złączem bezpośrednim, a zamknięcie obwodu
odbywa się poprzez zaciski miernika.
Zalety termopar:
•
nie wymagają zewnętrznego zasilania
•
niewielkie rozmiary - możliwość lokalnego pomiaru temperatury
•
niska pojemność cieplna
•
mała bezwładność czasowa
•
szeroki zakres pomiarowy przy dość dobrej liniowości
•
prostota budowy
•
duża niezawodność
Materiały wykorzystywane do budowy termoelementów powinny w miarę możliwości
posiadać:
•
wysoką temperaturę topnienia,
•
•
•
dużą odporność na czynniki zewnętrzne,
małą rezystywność,
wysoką temperaturę pracy ciągłej,
•
•
mały współczynnik cieplny rezystancji,
niezmienność parametrów w czasie.
Wyróżniamy 3 grup określające temperatury w jakich mogą pracować
termoelementy, temperatury które obejmują ciecze kriogeniczne jest grupa 1 a
stosowanymi w tej grupie typami połączeń są;
•
Typ „K” - NiCr-Ni - Stosowany w zakresie temperatur od -200 do
+1200 °C. Zależność SEM od temperatury dla tego termoelementu
jest prawie liniowa, a jego czułość wynosi 41µV/°C.
•
•
Typ „J” oraz „L” - Fe-CuNi- Ma on mniejsze znaczenie w przemyśle ze
względu na ograniczony zakres mierzonych temperatur (od -40 °C do
+750 °C). Ich czułość wynosi 55µV/°C.
Typ „E” - NiCr-CuNi- Ze względu na wysoką czułość (68µV/°C), ten
typ termoelementu stosowany jest przede wszystkim w zakresie
niskich temperatur kriogenicznych od -200 do +900 °C. Jest to
•
•
materiał niemagnetyczny, co może być cenną zaletą w niektórych
zastosowaniach specjalnych.
Typ „N” - NiCrSi-NiSi- Ten termoelement ma bardzo dobrą stabilność
termiczną, porównywalną z termoparami platynowymi. Wykazuje
także znakomitą odporność na utlenianie aż do wysokich
temperatur. Jest idealnym narzędziem do dokładnych pomiarów
temperatury w powietrzu do +1200 °C. Czułość wynosi 39µV/°C.
Typ „T” - Cu-CuNi- Jest to najrzadziej używany typ termoelementu.
Jego zakres pomiarowy wynosi od -200 °C do +350 °C a czułość
30µV/°C
Rysunek 3 Schemat przedstawiający zasadę termopary
c) Magnetycznym-metoda wykorzystuje własności soli, które zawierają
jony magnetyczne zachowujące się jak bardzo małe magnesy.
Znajdujące się w polu magnetycznym jony ustawiają się równolegle do
linii sił przyłożonego pola. Tym uporządkowaniom przeszkadzają ruchy
cieplne magnesów. Stąd też wektor namagnesowania soli w kierunku sił
pola będzie funkcją temperatury. Przydatniejszym okazał się pomiar
podatności magnetycznej K który jest przyrostem momentu do
przyrostu pola. Termometr paramagnetyczny stosuję się do temperatur
0,001K
3. Termometry działające na zasadzie pomiaru ciśnienia par-metoda polega na
badaniu prężności pary nad cieczą i składa się z naczynia częściowo
wypełnionego cieczą lub fazą stałą, a częściowo parą, która jest w równowadze
z cieczą. Naczynie to jest połączone kapilarą z manometrem. Kapilara z lp;ei jest
umieszczona w płaszczu w którym panuje próżnia. Zadaniem tego płaszcza z
próżnią jest uniemożliwienie kontaktu termicznego gazu termometru
zawartego w kapilarze a otoczeniem. Dzięki takiej właśnie konstrukcji zapewnia
się pomiar rzeczywisty temperatury kąpieli w miejscu umieszczenia czujnika
(naczynia ze skroplonym gazem). Metoda ta zapewnia dużą dokładność
pomiaru, nawet do 0,000001K. Dokładności pomiaru w dużej mierze jest
uzależniona od czystości gazu, niewielkie ilości zanieczyszczeń doprowadzaj ja
do dużych błędów pomiarowych.
Rysunek 4 Schemat termometru działającego na zasadzie pomiaru ciśnienia par: 1-manometr, 2- kapilara, 3płaszcz z próżnią, 4- naczynie pomiarowe, 5-naczynie z cieczą, 6-skroplony gaz, 7-pary gazu
W warunkach laboratoryjnych błędy związane z pomiarem temperatury są na
poziomie 5%
II.
Kontrola poziomu kriogenu w zbiornikach
Pomiar poziomu cieczy przeprowadza się w celu określenia ilości cieczy w zbiorniku lub
odchylenia poziomu cieczy w zbiorniku od wartości zadanej. Wykonuje się to stosując
następujące metody i przyrządy:
1. Wzrokowo (nieposrebrzony pasek pionowy na ściance).
2. Wskaźnik pływakowy, polega na pomiarze położenia pływaka unoszącego się na
powierzchni cieczy. Główną zaletą tej metody jest prostota i bardzo niska cena.
Jednakże zarówno precyzja jak i niezawodność pomiaru są bardzo ograniczone.
3. Ważenie stosuje się do pomiaru cieczy w wielkich zbiornikach. Najłatwiej dokonać tego
za pomocą dynamometru, który dokonuje pomiaru siły przyłożonej przy pomocy
czujnika naprężenia. Taki przyrząd może podtrzymywać koniec poziomego naczynia w
kształcie walca i zapewnić ciągły odczyt jego zawartości.
4. Manometr hydrostatyczny, najczęściej różnicowy.
Rysunek 5 Manometr różnicowy
Jedno jego ramię łączy się z dnem naczynia drugie z przestrzenią ponad cieczą
wypełnioną parą ( jak widać na rys.1.). Rury łączące muszą być tak umieszczone, aby
przedostająca się do nich ciecz nie powodowała błędnych odczytów. Na rys. przewód
połączony z cieczą posiada długi poziomy odcinek, w którym wskutek niewielkiego
przepływu ciepła wystąpi wrzenie gdzieś między zewnętrzną i wewnętrzną ścianką
naczynia. W ten sposób różnica ciśnień na manometrze będzie odpowiadać
hydrostatycznemu ciśnieniu słupa cieczy.
5. Sondy
a) Termoakustyczna
Zbudowany jest on na zasadzie oscylacji termo-akustycznych, powstających w
rurach z których jeden koniec posiada temp. pokojową a drugi temp. cieczy. Sonda
wysyła falę akustyczną która odbija się od tafli cieczy i wraca, znając własności fali
odczytujemy odległość sondy od poziomu cieczy.
b) Opornościowa
Rysunek 6 Sonda opornościowa.
Pływak P przesuwa styk ślizgowy czujnika, którego rezystory R1,R2 są przyłączone
do logometru. Rezystory R1d i R2d służą do dostosowania podziałki miernika do
rozmiarów zbiornika, aby na podziałce można było odczytywać wynik pomiaru w
litrach.
Błąd pomiaru 5-10%. Stosuje się głównie w zbiornikach paliwa samolotu.
6. Czujnik indukcyjny
Rysunek 7 Schemat budowy czujnika indukcyjnego
Wykorzystuje się tu zjawisko indukowania prądów wirowych. Ze zmianą poziomu
cieczy, zmienia swe położenie pływak, a więc i umieszczony na rdzeniu czujnika
pierścień metalowy niemagnetyczny P . Zmienia się wtedy wartość indukowanych
prądów wirowych w pierścieniu i rezystancja cewki. Powoduje to zachwianie
stabilności mostka i przepływu przez galwanometr prądu zależnego od poziomu cieczy.
7. Czujnik z zastosowaniem izotopów promieniotwórczych
Rysunek 8 Czujnik z zastosowaniem izotopów promieniotwórczych
Opis budowy:
1 - zbiornik z cieczą lub ciałem sypkim;
2 - źródło promieniowania;
3 - odbiornik promieniowania;
4 - wzmacniacz z przełącznikiem;
5 - silnik.
Promieniowanie wysyłane przez źródło jest częściowo pochłaniane przez substancję.
Jeśli jej poziom zwiększy się lub zmniejszy to nastąpi zmiana promieniowania
docierającego do odbiornika. Za pośrednictwem wzmacniacza i przełącznika następuje
włączenie silnika, który przesuwa źródło i odbiornik wzdłuż prowadnic, aż do
osiągnięcia poprzedniego stopnia promieniowania.
Literatura:
1. Wesołowski A. „Urządzenia chłodnicze i kriogeniczne oraz ich pomiary
cieplne”, WNT, Warszawa 1980
2. http://pl.wikipedia.org/wiki/Termometr_gazowy
3. http://www.label.pl/po/rek474-regulator.html
4. http://pl.wikipedia.org/wiki/Termometr
5. http://www.sciaga.pl/tekst/54255-55termometry_ich_rodzaje_i_zastosowania
6. http://www.klimat.fish.ar.szczecin.pl/klimat/temperatura_1/cwiczenie_2.htm
7. http://pl.wikipedia.org/wiki/Termopara
8. http://elektro.w.interia.pl/dokument/czujniki/index.html#poziomu