TERMOPARA. Za pomocą termopar można mierzyć temperaturę od C do C z błędem w zakresie 0,5-2 C.

Transkrypt

1 TERMOPARA Termopara to złącze dwóch różnych metali, na którym powstaje napięcie o niewielkiej wartości - najczęściej w zakresie miliwoltów - i współczynniku temperaturowym rzędu 50 µv/ C. Za pomocą termopar można mierzyć temperaturę od C do C z błędem w zakresie 0,5-2 C.

2 TERMOPARA JAK TO DZIAŁA? Wartość mierzonego napięcia zależy od temperatury złączy termoelektrycznych jest ona w przybliżeniu proporcjonalna do różnicy temperatur obu złącz. Złącze odniesienia umieszcza się w stałej temperaturze i na ogół jest to 0 C. Wykorzystuje się do tego kąpiele lodowe lub niewielkie pudełka ze stałą temperaturą wnętrza.

3 TERMOPARA - JAK TO DZIAŁA? Zasada działania termopary opiera się na zjawisku Seebecka, które polega na powstaniu siły elektromotorycznej i przepływie prądu elektrycznego w miejscu styku dwóch metali w zamkniętym obwodzie termoelektrycznym. Metal 1 V T 1 T 0 V Metal 2 Termoogniwo. T x T 0 Konstantan Miedź Termopara.

4 TERMOPARA - JAK TO DZIAŁA? Jeśli próbkę nagrzać nierównomiernie, to na skutek różnicy energii i koncentracji nośników ładunku zacznie się ich ukierunkowany ruch. Jeżeli końce próbki znajdują się w temperaturze T1<T2, to na końcu próbki o temperaturze T2 będzie występowała większa koncentracja nośników ładunku, będą one również miały większą energię. W efekcie wystąpi ich dyfuzja w kierunku zimniejszego końca (T1). Przepływ prądu dyfuzji prowadzi do pojawienia się rozkładu potencjału oraz wystąpienia prądu unoszenia. W warunkach równowagi obie składowe prądu są sobie równe i na zewnątrz obserwuje się tylko różnicę potencjałów między punktami o różnej temperaturze.

5 ZALETY TERMOPAR: prostota i niskie koszty wykonania, brak zewnętrznego zasilania, niewielkie rozmiary urządzenia, duża niezawodność.

6 PIROMETR Pirometry stosuje się w metodzie bezdotykowego pomiaru temperatury. W metodach tych wykorzystuje się długość fal od 0,4µm do 20 µm co odpowiada promieniowaniu widzialnemu oraz podczerwieni. Jeśli na drodze promieniowania znajduje się materiał to zachodzą w nim zjawiska : Absorpcji, polegającej na pochłanianiu energii i zamianie jej na ciepło powodujące podwyższenie temperatury ciała.

7 PIROMETR Refleksji - polegającej na odbiciu promieniowania od powierzchni oraz od struktur wewnętrznych ciała, w taki sposób że promieniowanie zmienia swój kierunek i rozprasza się w otoczeniu. Pirometr dzięki swej budowie może mierzyć temperaturę bez względu na stan skupienia badanego ciała, zaletą jest mały błąd pomiaru oraz pomiary wysokich temperatur. Przenikania - kiedy promieniowanie przechodzi przez ciało nie zmieniając kierunku.

8 SCHEMAT PROSTEGO PIROMETRU OPTYCZNEGO Za pomocą pirometru można oszacować temperaturę przez porównanie jasności świecenia w pewnym zakresie widmowym (obserwowanego przez filtr lub przydymione szkło) mierzonego ciała i wyskalowanej żarówki.

9 PIROMETR:

10 CIECZE KRIOGENICZNE I ZASADY BEZPIECZNEGO ICH UŻYTKOWANIA

11 CIECZE KRIOGENICZNE ciekły azot ciekły tlen ciekły wodór ciekły hel Ciecze kriogeniczne są najprostszym środkiem do uzyskania niskich temperatur Wszystkie metody chłodzenia poniżej 10 K wykorzystują ciekły hel

12 CIEKŁY AZOT Podstawowa ciecz w kriogenice Główny składnik atmosfery 78,09% obj. i 75,5% wagowo Otrzymuje się przez skraplanie i destylowanie powietrza: sprężanie - oczyszczanie -chłodzenie (wymiennik ciepła) - rozdzielenie na poszczególne składniki (kolumna rektyfikacyjna) - destylacja (kolumna niskociśnieniowa) Zastosowanie - zamrażanie żywności, obróbka metali, przechowywanie materiału biologicznego, rozdrabnianie tworzyw sztucznych

13 CIEKŁY AZOT - WŁAŚCIWOŚCI bezbarwny bez zapachu bez smaku niepalny obojętny chemicznie

14 CIEKŁY AZOT - WŁAŚCIWOŚCI temperatura wrzenia 77,2 K (-195,8 C ) temperatura topnienia 63,2 K (-210,0 C ) temperatura krytyczna 126,2 K (-118,56 C ) ciśnienie krytyczne 34,0 bar gęstość gazu 1,2506 g/l gęstość cieczy 0,808 kg/l współczynnik ekspansji 696

15 CIEKŁY TLEN Otrzymuje się przez skraplanie i destylowanie powietrza Skroplony w 1883 r. Olszewski i Wróblewski Zastosowanie m.in. paliwo rakietowe, obecnie nie stosuje się do chłodzenia bardzo reaktywny Temperatura wrzenia wyższa niż temp. Wrzenia azotu wzbogacanie ciekłego powietrza w tlen

16 CIEKŁY TLEN - WŁAŚCIWOŚCI bez zapachu bez smaku Paramagnetyczny bezbarwny gaz niebieski kolor cieczy związany z budową cząsteczki zawiera dwa niesparowane elektrony

17 CIEKŁY TLEN - WŁAŚCIWOŚCI temperatura wrzenia - 90,1 K (-182,97 C ) temperatura topnienia - 54,75 K (-218,40 C ) temperatura krytyczna - 154,6 K (-118,56 C ) ciśnienie krytyczne - 50,4 bar gęstość gazu - 1,429 g/l gęstość cieczy - 1,14 kg/l współczynnik ekspansji - 853

18 CIEKŁY WODÓR Najpowszechniej występujący pierwiastek we Wszechświecie Na Ziemi - w stanie wolnym w górnych warstwach atmosfery (0,9%),w stanie związanym w wodzie Izotopy: stabilne: wodór H, deuter D (ok. 6400:1) niestabilny: tryt T Najlżejszy gęstość w każdym stanie skupienia mniejsza niż innych substancji

19 CIEKŁY WODÓR Wytwarzanie: z gazu ziemnego i gazów towarzyszących ropie naftowej - konwersja katalityczna w obecności pary wodnej CH 4 + 2H 2 O CO + 3H 2 + Q1 CO + H 2 O CO 2 + H 2 + Q2 Q1, Q2 ciepło wydzielone w reakcjach elektroliza wody 2H 2 O 2H 2 +O 2

20 CIEKŁY WODÓR - SKRAPLANIE temperatura krytyczna ok. 200 K przy chłodzeniu metodą Joule a-thomsona należy schłodzić do ok. 120 K oczyszczenie z innych gazów, szczególnie tlenu po skropleniu uniemożliwić kontakt z powietrzem lub tlenem możliwy wybuch.

21 CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI Bezbarwny bez zapachu bez smaku Palny nietoksyczny

22 CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI temperatura wrzenia 20,3 K (-252,8 C ) temperatura topnienia 14 K (-259,2 C ) temperatura krytyczna 33,2 K (-240,0 C ) ciśnienie krytyczne 13,2 bar gęstość gazu 0,084 g/l gęstość cieczy 0,071 kg/l współczynnik ekspansji 845

23 CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI Wodór gazowy 75% ortowodoru (spiny protonów zgodne), 25% parawodoru (spiny protonów przeciwne) w temp. 300 K Koncentracja równowagowa tych dwóch składników zależy od temperatury ze spadkiem temperatury wzrasta koncentracja parawodoru W cieczy (20,4 K) jest 99,8% parawodoru

24 CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI Bezpośrednio po skropleniu 25% parawodoru Zmiana stężenia parawodoru w czasie: Xp = (0,25 + 0,00855*t)/(1 + 0,00855*t) po 100 godzinach ok. 0,595 parawodoru po 1000 godzinach ok. 0,92

25 CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI Przemianie orto-para towarzyszy wydzielanie ciepła w ciekłym wodorze występuje parowanie wywołane konwersją. Straty cieczy: ok. 18% po 24 h i ponad 40% po 100h Konwersja wodoru w trakcie skraplania katalizatory, np. węgiel aktywowany, tlenki metali Parawodór ulega rekonwersji w temp. ok C w obecności katalizatora Konwersja orto-para wodoru zawartego w metalach w ultraniskich temperaturach

26 CIEKŁY WODÓR - ZASTOSOWANIA Paliwo rakietowe Ogniwa paliwowe w reakcji z tlenem powstaje woda Produkcja metanolu, amoniaku, nawozów sztucznych, polimerów Przemysł spożywczy utwardzanie tłuszczów (produkcja margaryny) Metalurgia redukcja rud metali, atmosfera ochronna przy spawaniu

27 CIEKŁY HEL Najlepiej przebadana ciecz oprócz wody 1868 odkrycie helu w widmie Słońca przez Pierra Jansena 20 października 1868 r. Norman Lockyer zaobserwował tę samą żółtą linię w widmie Słońca 1895 odkrycie helu na ziemi (William Ramsey) 10 lipca 1908 skroplenie helu (H. Kamerlingh Onnes) 1947 pierwsza komercyjna skraplarka helowa (Collins) rozwój badań niskotemperaturowych

28 CIEKŁY HEL Obecnie uzyskiwany wyłącznie z gazu ziemnego Dwa stałe izotopy: 4 He i 3 He 3 He: He z gazu ziemnego i ok. 1, He w atmosferze Zawartość He w powietrzu: 0, % wag., 5, % obj. 3 He uzyskuje się w reakcjach jądrowych jako produkt uboczny wytwarzania trytu

29 CIEKŁY HEL WYKRES FAZOWY

30 CIEKŁY HEL WYKRES FAZOWY

31 WYBRANE WŁASNOŚCI GAZÓW KRIOGENICZNYCH M masa cząsteczkowa, T N normalna temperatura wrzenia przy p=1bar, ΔHv ciepło parowania, ρ - gęstość, V-objętość, T C temperatura krytyczna, P C ciśnienie krytyczne Indeksy: 1-ciecz w T N, 2-gaz w T N, 3-gaz przy 1 bar i 273 K, c w punkcie krytycznym,

32 ZASADY BEZPIECZEŃSTWA PRZY PRACY Z CIECZAMI KRIOGENICZNYMI

33 CIECZE KRIOGENICZNE BHP Zagrożenia związane z cieczami kriogenicznymi Bardzo niska temperatura cieczy i par Bardzo duży współczynnik ekspansji Zmniejszenie zawartości tlenu w powietrzu Zagrożenie pożarowe

34 BHP. BARDZO NISKA TEMPERATURA CIECZY I PAR Szybkie i głębokie odmrożenia podobne do oparzeń Szczególnie narażone delikatne tkanki Niebezpieczne zimne pary Odzież: osłonięte całe ciało niezbyt obcisła możliwość szybkiego zdjęcia spodnie bez mankietów i otwartych kieszeni buty z cholewami nie są zalecane nogawki na zewnątrz w razie potrzeby osłona na twarz

35 BHP. BARDZO NISKA TEMPERATURA CIECZY I PAR Niebezpieczny kontakt z zimnymi przedmiotami (szczególnie metale) przymarznięcie do ciała nie nosić biżuterii Rękawice odpowiednio luźne specjalne kriogeniczne lub skórzane ruchość materiałów

36 BHP. BARDZO NISKA TEMPERATURA CIECZY I PAR. PIERWSZA POMOC Odmrożonego miejsca nie ogrzewać gwałtownie Nie trzeć Nie ogrzewać na sucho, zamrożony obszar umieścić w wodzie o temperaturze ok. 40 C Wezwać lekarza Dłuższe przebywanie w zimnych parach może doprowadzić do wychłodzenia całego organizmu również ogrzewać powoli

37 BHP. WSPÓŁCZYNNIK EKSPANSJI Z jednego litra cieczy kriogenicznej powstaje kilkaset litrów gazu Ciecze kriogeniczne nie mogą być przechowywane w szczelnie zamkniętych naczyniach niebezpieczeństwo rozerwania Zbiorniki ciśnieniowe zwykle dwa zawory bezpieczeństwa Zbiorniki otwarte luźno dopasowany korek

38 BHP. ZMNIEJSZENIE ZAWARTOŚCI TLENU W POWIETRZU Gazy z cieczy kriogenicznych: Bezbarwne bez zapachu bez smaku brak oznak, że dany gaz jest w powietrzu Nie są toksyczne ale ich obecność zmniejsza zawartość tlenu należy zapewnić odpowiednią wentylację Minimalna zawartość tlenu w powietrzu 19,5% Przy zawartości tlenu poniżej 15% może nastąpić uduszenie