Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.abitu.ru/en2002/closed/viewwork.html?work=234 Дата изменения: Fri May 5 15:25:40 2006 Дата индексирования: Tue Oct 2 02:37:02 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п

Исследование характеристик цифрового термометра
и возможностей его применения
Автор: Никонов Андрей Владимирович, 10 класс, гимназия ? 1
Научный руководитель: Бакулин Владимир Николаевич
Российская Федерация, Кировская область, г. Кирово-Чепецк
(gimns@gimns.kchepetsk.ru)
В работе рассматриваются вопросы, связанные с исследованием
возможностей цифрового термометра для использования его в целях контроля за
температурным и влажностным режимом в помещениях гимназии ? 1.
В холодное время года в некоторых классах гимназии температура воздуха
бывает ниже нормы, хотя все окна в кабинетах заклеены. Значит, проблема
заключается в школьной теплосети - некоторые радиаторы работают
неэффективно. Их необходимо найти и продуть или заменить. Но, как найти
дефектные участки центрального отопления гимназии ? 1? Контролируя
температуру батарей в каждом классе.
Для измерения температуры поверхности батарей был приобретен бытовой
цифровой термометр 02168, позволяющий измерять температуру с точностью до
0,1 С.
Термометр цифровой с жидкокристаллическим дисплеем предназначен для
измерения температуры воздуха внутри и вне помещения, прибор должен
находиться в помещении. Также возможно измерение температуры жидкости с
помощью выносного датчика.
Диапазон измеряемых температур:
внутренний датчик (IN) -10њC...+40њC
внешний датчик (OUT) -50њC...+50њC
Смена показаний происходит через каждые 10 C. Температура внутри помещения
измеряется датчиком, расположенным в корпусе прибора. Температура вне
помещения измеряется при помощи внешнего датчика, находящегося на конце
провода, длина которого 3 м.
Разрешение: 0,1њC, погрешность измерения температуры: не более 1њС.
Прибор имеет систему экономии потребляемой энергии. Модель приспособлена
для крепления на стене. Питание: 1 батарея 1,5 В. LR 03. Внешний датчик
водонепроницаем. Размеры датчика: длина 10мм, диаметр 4мм. Страна
изготовитель - Швеция. Фирма - TERMOMETERFABRIKEN VIKING AB ESKILSTUNA.
Оперативное измерение температуры цифровым термометром требует
исследования теплофизических характеристик этого прибора: инерционность
датчика в зависимости от способа крепления его к батарее и площади контакта
с измеряемым объектом.
Температура (от лат. temperatura - надлежащее смешение, нормальное
состояние), физическая величина, характеризующая состояние
термодинамического равновесия системы. Температура всех частей
изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не
находится в равновесии, то между ее частями, имеющими различную
температуру, происходит теплообмен. Более высокой температурой обладают те
тела, у которых средняя кинетическая энергия молекул (атомов) выше.
Измеряют температуру термометрами на основе зависимости какого-либо
свойства тела (объема, электрического сопротивления и т. п.) от
температуры.
Термометр - устройство, используемое для измерения температуры данного
тела путем сравнения с опорными значениями, условно выбранными за точки
отсчета и позволяющими установить шкалу измерений. При этом в разных
термометрах используются разные связи между температурой и каким-то
наблюдаемым свойством прибора, которое можно считать линейно зависящим от
температуры.
В общеизвестном ртутном термометре (Рис. 1) значение температуры
определяется по высоте подъема столбика ртути в капилляре. Градуировка
этого термометра использует тот факт, что увеличение объема ртути прямо
пропорционально температуре. Наиболее распространена в быту шкала Цельсия,
в которой за начало отсчета температуры (0њС) принимается температура
тающего льда, а второй опорной точкой (100њС) является температура кипения
воды при нормальном атмосферном давлении. Интервал между этими опорными
точками делится на градусы.
В термопаре (Рис.2) используется зависимость тока, проходящего через
контакт двух металлов, от разности температур контактов. Один из контактов
погружается в тело с опорной температурой (например, в тающий лед,
температура которого условно принята за нуль), другой - в исследуемое тело.
По разности потенциалов между контактами можно судить о температуре
исследуемого тела.
Термометр на сопротивлении использует зависимость сопротивления
проводника от температуры. Такое устройство используется и в нашем цифровом
термометре 02168.
В газовом термометре (Рис. 3) постоянного объема используется
экспериментальный факт, который заключается в том, что при постоянном
объеме давление газа пропорционально температуре. Сначала термометр,
состоящий из герметичной колбы с газом, соединенной с манометром для
измерения давления газа в колбе, приводится в тепловой контакт с системой
1. После установления теплового равновесия система 1 и термометр обладают
общей температурой Т1. В этот момент измеряется давление р1 газа в колбе.
Затем то же самое повторяется с системой 2. Так как температура
пропорциональна давлению, то Т2/Т1 = р2/р1. Остается только выбрать шкалу,
заключив соглашение, чему равна температура какого-то выделенного состояния
конкретной системы, без труда допускающего воспроизведение. По
договоренности за опорную точку принимают тройную точку воды.
Любой термометр измеряет температуру не мгновенно. Для того чтобы
правильно измерить температуру, нужно держать термометр в контакте с телом
для установления теплового равновесия. Скорость установления равновесия
зависит от теплоемкости термометра и площади его контакта с исследуемым
телом. Скорость передачи тепла тела термометру пропорциональна разности их
температур. Время установления разности температур тела и термометра
описывается формулой:
[pic] (1)
Теоретически тепловое равновесие устанавливается через бесконечное
время. На практике можно снимать показания термометра, когда разность
температур становится меньше цены деления прибора. Характеристикой скорости
установления равновесия является время установления релаксации (,
соответствующее времени, за которое [pic] уменьшается в е раз. Если
точность измерения нашего термометра 0,1њC, а начальная разность температур
составляет 50њC, то время необходимое для измерения температуры:
[pic]
Для экспериментальной оценки времени релаксации можно снять зависимость
изменения температур от времени. Прологарифмировав формулу (1), получаем
[pic], [pic] (2)
Итак, [pic], [pic]. (3)
Определим экспериментально время, в течение которого наконечник
цифрового термометра нагревается, при полном соприкосновении, в горячей
воде. Для этого наливаем холодную воду в один стаканчик калориметра, а
горячую - в другой. Опускаем наконечник термометра, полностью погружая его,
в холодную воду и выдерживаем до установления теплового равновесия.
Начальная температура датчика цифрового термометра в холодной воде равна
8,0њС. Переносим датчик цифрового термометра в горячую воду и записываем
показания через каждые 10 с. Наконечник нагрелся от 8,8њC до 48,2њС и начал
остывать, вследствие отдачи теплоты в окружающую среду. Графики изменения
температуры в обычной и логарифмической шкале показаны на диаграммах 1 и
2.

Точки на логарифмической диаграмме легли на прямую линию, значит,
экспоненциальный закон хорошо выполняется. Вычисляем время релаксации (.
t = 50 c, ?t0њ = 37,6њС, ?tњ = 1њС ( = 13,8 с,
tизмерения = 1 мин 22 с
Сейчас определим время, в течение которого датчик цифрового термометра
остывает, при полном соприкосновении, в холодной воде. Сначала опускаем его
в горячую воду, затем в холодную воду и записываем показания. Графики
изменения температуры в обычном и логарифмическом масштабе на диаграммах 3
и 4.
Точки на логарифмической диаграмме легли на прямую, значит,
экспоненциальный закон хорошо выполняется. Вычисляем (: t = 41 с ?t0њ
= 47,0њC -19,6њC = 27,4њC
?tњ = 21,2њC - 19,6њC = 1,6њC ( = 14,4 с tизмерения = 1 мин 26 с
Время измерения цифровым термометром при полном соприкосновении в
холодной воде (1 мин 26 с) практически совпадает со временем измерения в
предыдущем опыте (1 мин 22 с), что и следовало ожидать.
Проведем аналогичные опыты с остыванием в воздушной среде. Вытащив
наконечник из горячей воды (t = 41,8њC), закрепляем его в штативе концом
вниз (Диаграммы 5, 6). В результате вычислений время измерений равняется
4 мин 22 c.
Интересно, что показания термометра сначала опустились ниже
температуры окружающей среды на 2,2њC. Может быть это связано с испарением
воды с поверхности наконечника, так как я его не вытирал? Проведем еще два
аналогичных опыта, где посмотрим изменение показаний термометра, но в
первом - я вытру наконечник (Диаграммы 7, 8), а во втором - нет (Диаграммы
9, 10).
В результате вычислений ( =90 с. Время измерения равняется 9 мин 3 с
(наконечник вытирали). По сравнению с предыдущим опытом время измерений
увеличилось почти в два раза. Показания цифрового термометра не опускались
ниже температуры окружающего воздуха.
Проведя еще один опыт, не вытирая наконечник прибора, снова было
отмечено понижение показаний термометра относительно температуры в классе
(( = 55 с, tизмерения = 5 мин 30 c. Значения ( различаются на 10 с, т. е.
почти на 20%, в этом и аналогичном опыте).
Таким образом, можно сделать вывод, что наш цифровой термометр
измеряет температуру достаточно точно, так как учитывает даже потери
теплоты, связанные с испарениями воды с поверхности внешнего датчика.
В опытах с остыванием наконечника в воздушной среде он закреплялся в
штативе концом вниз. А если закрепить его концом вверх и не вытирать,
опустятся ли показания прибора ниже температуры окружающего воздуха?
(Диаграммы 11, 12).
Время измерения составило 6 мин 8 с. Показания термометра также не
опускались ниже температуры окружающей среды, благодаря тому, что вода
стекла с наконечника.
Существует несколько способов крепления наконечника к радиатору: с
помощью скотча, скотча и поролона, скотча и ваты, пластилина. Проведем
соответствующие опыты, которые позволят вычислить необходимое время
измерения температуры каждым из предложенных способов. Определим наиболее
оперативный метод.
Во всех опытах происходило нагревание внешнего датчика при его
соприкосновении с поверхностью радиатора, температура которой была около
43њC.
Так при использовании в качестве материала крепления - скотча, время
измерения составило около 3 мин 30 c. Графики в обычном и логарифмическом
масштабах представлены на диаграммах 13, 14.






Используя скотч и поролон (Диаграммы 15, 16), время измерения
увеличивается почти в три раза (11 мин), поэтому применение этого метода
крепления - нецелесообразно.
Употребление скотча и ваты в качестве материала крепления (Диаграммы
17, 18) - также невыгодно, так как время измерения температуры составляет
11 мин 41 c.
При использовании пластилина (Диаграммы 19, 20) в качестве материала
крепления время измерения составило 15 мин 37 c. К тому же, после
проведения опыта, пластилин очень трудно удалить с поверхности радиатора.

Итак, проведя опыты, все полученные данные были представлены в
таблице.

|Условия |Время релаксации (()|Время измерения |
|В водной среде - нагревание |13,8 с |1 мин 22 с |
|В водной среде - остывание |14,4 с |1 мин 26 с |
|Остывание в |Вниз (не вытирая) |44,2 с |4 мин 22 с |
|воздушной | | | |
|среде. | | | |
|Наконечник | | | |
|расположен | | | |
| |Вниз (не вытирая) |55 с |5 мин 30 с |
| |Вниз (вытирая) |90,5 с |9 мин 3 с |
| |Вверх (не вытирая)|61,4 с |6 мин 8 с |
|Способы |Скотч |35 с |3 мин 30 с |
|крепления | | | |
| |Скотч и поролон |110 с |11 мин |
| |Скотч и вата |117 с |11 мин 41 с |
| |Пластилин |156 с |15 мин 37 с |


Из данных таблицы видно, что для измерения температуры радиатора лучше
всего использовать крепление с помощью скотча, при этом среднее время
измерения составляет около двух минут. Из-за недостаточного диапазона
измерений цифрового термометра 02168 исследования школьной теплосети
необходимо проводить тогда, когда температура воздуха на улице около 0њC и
температура поверхности радиатора не превышает 50њС.
Обнаруженный эффект понижения температуры датчика ниже температуры
окружающей среды при вынимании его из горячей воды натолкнул на способ
измерения относительной влажности в помещениях с использованием сухого
встроенного и увлажнённого внешнего датчиков. Временные параметры
портативного и мобильного гигрометра при различных режимах обдува влажного
датчика температуры показаны ниже на диаграммах.


Время релаксации в случае неподвижного датчика (Диаграммы I, Ia)
составило около 107 секунд и около 30 секунд - в случае обдуваемого датчика
(Диаграммы II, IIa), что позволяет измерить относительную влажность
достаточно оперативно - за 3 минуты.
Таким образом, обдув датчика весьма эффективен при вращении его на
шнуре длиной 20-30 см со скоростью 1,5- 2 оборота в секунду.

Литература.
1. 1С: РЕПЕТИТОР. ФИЗИКА (версия 1.5)
2. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2001.
3. А. П. Баскаков «Теплотехника», Москва, «ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ» 1991г.
4. Ф. Крейт, У. Блэк «Основы теплопередачи», Мир 1983г.
5. В. П. Преображенский «Теплотехнические измерения и приборы», Москва
«Энергия» 1978г.
6. А. В. Чечеткин, Н. А. Занемонец «Теплотехника», Москва «Высшая школа»
1986г.
7. В. С. Чистяков «Краткий справочник по теплотехническим измерениям»,
Москва «ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ» 1990г.
-----------------------

Рис. 2


Схема термопары.


[pic]



[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]


Рис. 1

Ртутный термометр: 1 - резервуар с ртутью; 2 - шкала; 3 - капилляр, по
положению ртути в котором отсчитывают показания.


Рис. 3

Схема устройства газового термометра: 1 - заполненный газом баллон
неизменного объема; 2 - соединительный капилляр; 3 - устройство для
измерения давления (манометр).

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]