Исследование датчиков и регуляторов температуры

дипломная работа

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Температура -- скалярная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Температура всех частей системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не находится в равновесии, то между её частями, имеющими различную температуру, происходит теплопередача(переход энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым), приводящая к выравниванию температур в системе.

Температура определяет: распределение образующих систему частиц по уровням энергии (см. Статистика Максвелла -- Больцмана) и распределение частиц по скоростям (см. Распределение Максвелла); степень ионизации вещества (см. Уравнение Саха); спектральную плотность излучения (см. Формула Планка); полную объёмную плотность излучения (см. Закон Стефана -- Больцмана) и т. д. Температуру, входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют температурой возбуждения, в распределение Максвелла -- кинетической температурой, в формулу Саха -- ионизационной температурой, в закон Стефана -- Больцмана -- радиационной температурой. Поскольку для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, их называют просто температурой системы. В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура используется в качестве одной из семи основных физических величин, входящих в Международную систему величин, а её единицей является кельвин, представляющий собой, соответственно, одну из семи основных единиц СИ. Кроме термодинамической температуры в СИ используется температура Цельсия, её единицей является градус Цельсия, входящий в состав производных единиц СИ, имеющих специальные наименования и обозначения, и по размеру равный кельвину. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды -- температуре таяния льда (0°C) и температуре кипения (100°C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном. Изменение температуры на один градус Цельсия тождественно изменению температуры на один кельвин. Поэтому после введения в 1967 г. нового определения кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100°C, а близка к 99,975°C.

Температура относится к интенсивным величинам, не зависящим от массы системы.

Более строгие определения температуры, даваемые ей в различных разделах физики.

Интуитивно понятие температура появилось как мера градации наших ощущений тепла и холода; на бытовом уровне температура воспринимается как параметр, служащий для количественного описания степени нагретости материального объекта. Температура является важным параметром многих технологических процессов. Любой процесс нагревания или охлаждения тела можно разделить на три стадии:

1. Стадия неупорядоченного (дорегулярного) режима.

2. Стадия регулярного режима.

3. Стадия теплового равновесия.

При изменении температуры тела наступает такой момент, начиная с которого это изменение не зависит во времени от начального распределения температур в теле. Начиная с этого момента, наступает так называемый регулярный режим изменения температуры. До этого момента имеет место дорегулярный режим, зависящий от начального распределения температур тела. Первая стадия (дорегулярный режим) протекает практически весьма быстро. Продолжительность этой стадии значительно меньше продолжительности регулярного режима. Стадия теплового равновесия наступает теоретически через бесконечное время, а практически - через конечный достаточно большой промежуток времени. Таким образом, основное время процесса изменения температуры тела занимает регулярный режим.

Термическая инерция термометра заключается в том, что при перенесении термометра из среды с одной температурой в среду с другой температурой, он не мгновенно приобретает температуру второй среды, а асимптотически приближается к ней. Если температура среды изменяется с течением времени, то в связи с термической инерцией показания термометра будут отличаться от действительной температуры среды на большую или меньшую величину в зависимости от скорости изменения температуры среды, от её свойств и от свойств самого термометра.

Разность температур среды tс. и термометра tп, возникшая вследствие мгновенного изменения температуры среды, изменяется во времени при наступлении регулярного режима по зависимости:

(1)

где: - постоянная времени термометра, не зависящая ни от времени, ни от температуры среды

-текущее значение времени

С-постоянная, зависящая от формы, размеров и свойств материала термометра.

Дифференцируя это выражение по времени, получаем:

(2)

Или

(3)

Решив это уравнение для случая, когда температура среды tс постоянна, а термометр переносится из среды с другой температурой, имеем:

(4)

где: - разовое, скачкообразное изменение температуры термометра.

Относительная погрешность изменения температуры, обусловленная инерцией термометра сопротивления, равна:

(5)

Зная , можно вычислить относительную погрешность измерения температуры для любого момента времени .

В государственных стандартах на технические термометры сопротивления оценка тепловой инерции осуществляется по времени, в течение которого термометр нагреется или охладится на 63С, при начальном температурном перепаде в 100С. Это время и считается постоянной времени термометра.

Температуру термометра можно определить с учётом формул 1 и 4 как:

(6)

где: tc - температура среды после мгновенного скачка температуры .

Из приведённой зависимости видно, что теоретически температура термометра достигнет температуры среды через бесконечно большой промежуток времени . Практически считают, что температура термометра tп равна температуре среды tс, когда разность температур становится меньше допустимой погрешности измерения температуры . Принимая и обозначая через из формулы 4 получаем:

(7)

Величина называется временем установления показаний прибора с данным термометром. Как видно, существенно зависит от , поэтому для контроля быстроменяющихся тепловых процессов необходимо иметь термометры малоинерционные, т.е. с малым численным значением постоянной времени .

Делись добром ;)