I. Pomiar temperatury cieczy kriogenicznych. Przyrządy do pomiaru temperatury

Transkrypt

1 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 Rysunek 1 Termometr gazowy:1- manometr(może być wyskalowany by pokazywał temperaturę),2- kapilara, 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

2 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

3 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 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 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

4 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.

5 Rysunek 4 Schemat termometru działającego na zasadzie pomiaru ciśnienia par: 1-manometr, 2- kapilara, 3- płaszcz 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%

6 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.

7 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

8 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.

9 Literatura: 1. Wesołowski A. Urządzenia chłodnicze i kriogeniczne oraz ich pomiary cieplne, WNT, Warszawa termometry_ich_rodzaje_i_zastosowania