Тема 2. Тиск, температура, та методи їх вимірювання
Вид заняття: лекція
Час: 2 години
Навчальні питання:
1. Тиск та методи вимірювання його параметрів.
2. Температура та методи вимірювання її параметрів.
Література
1. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища. - К.: Світ, 2003.- 288 с.
2. Посудін Ю.І. Фізика і біофізика навколишнього середовища. - К.: Світ, 2000.- 303 с.
3. Ситник К.М., Брайон А.В., Гордецкий A.P., Брайон А.П. Словарь-справочник по экологии. - К.: Наукова думка, 1994. - 665 с.
4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоиздат, 1988. - 399 с.
1. Тиск та методи вимірювання його параметрів
1.1 Визначення та одиниці вимірювання
Тиск (р) - фізична величина, що характеризує інтенсивність нормальних (перпендикулярних до поверхні) сил, з якими одне тіло діє на поверхню іншого.
Середня величина тиску на будь-яку площину дорівнює відношенню середнього значення сили, що діє перпендикулярно цій площині, до її площі:
p = dF/dS (2.1)
Якщо сили розподілені вздовж поверхні рівномірно, то тиск р на будь-яку частину поверхні дорівнює:
p = F/S (2.2)
де F - сума прикладених перпендикулярно до поверхні сил;
S - площа цієї частини.
Одиниця вимірювання тиску в системі СІ - паскаль (Па); Па = 1Н · м -2.
Середній атмосферний тиск на рівні моря становить 1,01325 · 105 Па. У цілому атмосферний тиск залежить від висоти, простору й часу. Горизонтальний розподіл атмосферного тиску визначається рухом поверхневих мас повітря.
1.2. Прилади для вимірювання тиску
Прилад для вимірювання тиску називають манометром. Манометри бувають сифонного (рис. 2.1) або чашечкового (рис. 2.2) типу. Манометр сифонного типу - це «U»- подібна скляна трубка, заповнена водою або ртуттю. Один з кінців манометра запаяний і позбавлений повітря; відкритий кінець сполучений з атмосферним повітрям. Різниця рівнів рідини у двох колінах трубки проградуйована в одиницях тиску. Манометр чашечкового типу містить вертикальну скляну трубку, запаяну зверху і заповнену рідиною. Нижній кінець трубки занурений у резервуар, що частково заповнений рідиною. Тиск, що утворюється стовпчиком рідини у трубці, врівноважується атмосферним тиском.
Висока точність вимірювання манометра чашечкового типу (0,1 мм рт. ст.) дає змогу використовувати його як стандартний прилад для перевірки анероїдних барометрів та висотомірів.
Рис. 2.1. Манометр сифонного типу Рис. 2.2. Манометр чашечкового типу
Ртутний манометр є класичним прикладом манометра чашечкового типу. Зовнішній вигляд ртутного манометра зображено на рис. 2.3. Барометр містить скляну трубку, заповнену ртуттю і занурену у резервуар зі ртуттю. Рівень ртуті у резервуарі контролюється за допомогою конусоподібної кістки. Точність вимірювання тиску ртутного барометра становить 0,1 гПа.
Прилади для вимірювання атмосферного тиску називаються барометрами.
Барометр-анероїд містить анероїдну капсулу, що складається з двох тонких (0,2 мм товщиною) металевих гофрованих мембран (рис. 2.4). З капсули повітря відкачано (тиск 10-2 гПа) або капсулу заповнюють інертним газом при тиску 65 гПа. Кількість капсул у сучасних приладах може досягати 14. Мембрани знаходяться у напруженому стані завдяки гофрованій поверхні та дії пружини.
Перевагою барометра-анероїда є його компактність, механічна міцність, можливість транспортування. Ці прилади можуть застосуватися в системах автоматичного вимірювання тиску, оскільки механічні переміщення анероїдних капсул легко перетворити на електричний сигнал.
Рис. 2.3. Ртутний манометр
Рис. 2.4. Анероїдні коробки барографа:
а - з внутрішньою пружиною; б - з гофрованою поверхнею
Недоліком барометра-анероїда є менша, порівняно з ртутним барометром, точність вимірювань.
Барограф - прилад, що використовується для безперервної реєстрації тиску повітря. Він складається із стовпчика анероїдних коробок, з’єднаного зі стрілкою самописця.
2. Температура та методи вимірювання її параметрів
2.1. Основні визначення
Температура - фізична величина, що характеризує стан термодинамічної рівноваги макроскопічної системи.
Кількісне вимірювання температури можливе завдяки впровадженню температурних шкал. Одна з них, міжнародна стоградусна температурна шкала (Цельсія) використовує як 0оС температуру плавлення льоду і як 100оС температуру кипіння води при нормальному тиску. Інша - термодинамічна температурна шкала (Кельвіна) - використовує потрійні точки речовин - точки на діаграмі стану, що відповідають рівноважному існуванню трьох фаз речовини. Так, потрійна точка води дорівнює 273,15К, а температура кипіння води 373,15К. Між двома шкалами існує зв’язок:
tоС = Т - 273,15. (2.3)
На сьогоднішній день прийнято міжнародну температурну шкалу (МТШ), яка ґрунтується на використанні певної кількості станів рівноваги, що відтворюються, або фіксованих точок (табл. 2.1).
Таблиця 2.1. Фіксовані точки МТШ та вторинні опорні точки
|
Стан рівноваги |
Температура, К |
Температура, °С |
|
Фіксовані точки МТШ |
||
|
Потрійна точка аргону |
83,798 |
-189,352 |
|
Потрійна точка води |
273,16 |
+0,01 |
|
Кипіння води при нормальному тиску |
373,15 |
100 |
|
Плавлення олова при нормальному тиску |
505,078 |
+231,958 |
|
Вторинні опорні точки |
||
|
Температура сублімації двоокису вуглецю при нормальному тиску |
194,674 |
-78,476 |
|
Плавлення ртуті при нормальному тиску |
234,288 |
-38,862 |
|
Плавлення льоду при нормальному тиску |
273,15 |
0,0 |
|
Потрійна точка дефенілового ефіру |
300,02 |
26,87 |
2.2. Прилади для вимірювання температури
Розглянемо прилади для вимірювання температури, в основі яких лежить теплове розширення газів (газовий термометр), рідин (рідинний термометр) або твердих тіл (біметалевий термометр).
Газовий термометр, дія якого ґрунтується на залежності тиску (при сталому об'ємі) від температури згідно з законом ідеального газу. Залежність тиску від температури – лінійна.
Газовий термометр (рис. 2.5) використовується як первинний термометричний прилад для визначення фіксованих точок МТШ. Інтервал температур, що вимірюється газовим термометром, становить 2...300 К.
Газові термометри досить складні в експлуатації через необхідність враховувати не ідеальність газу, зміну об’єму з температурою, наявність у газі домішок, взаємодію газу зі стінками балона, залежність показань приладу від початкового та атмосферного тисків. Прилади такого типу використовуються рідко.
Рис. 2.5. Газовий термометр
Рідинний термометр - прилад для вимірювання температури, заснований на тепловому розширенні рідини.
Рідина в термометрі підіймається завдяки тому, що коефіцієнти об’ємного розширення рідини та скла значно відрізняються.
Рідинний термометр складається з тонкостінного скляного резервуара, сполученого з скляним капіляром; для вимірювання температури термометр обладнаний шкалою. Частина простору в капілярі, не зайнята рідиною, заповнена сухим інертним газом, що запобігає розриву рідини. Зовнішній вигляд рідинного термометра зображено на рис. 2.6.
Рис. 2.6. Рідинний термометр
Процес вимірювання температури полягає в зануренні термометра у рідину. Це занурення може бути частковим, повним або абсолютним (рис. 2.7). Більшість термометрів використовуються у режимі повного занурення, коли одна частина термометра знаходиться в рідині, а інша - в повітрі.
Рис. 2.7. Часткове, повне або абсолютне занурення термометра у рідину
Робочою рідиною в термометрах такого типу є ртуть, спирт або толуен. Ртуть використовують найчастіше, оскільки вона існує у чистій формі, не погіршується з часом і не взаємодіє зі склом. Діапазон температур, в межах якого можливе застосування ртуті, становить від мінус 38,8 до +356,9оС. При вимірюванні низьких температур перевагу мають спирт (мінус 117,3...+78,5оС), або толуен (мінус 95,1...+110,5оС). Проте останні речовини не такі стійкі, як ртуть, і можуть повільно розкладатися на сонці.
Біметалевий термометр ґрунтується на тепловому розширенні твердих тіл, зокрема на деформації біметалевої пластини (наприклад, інвар і сталь) під впливом температури. Оскільки метали мають різні значення коефіцієнтів об’ємного розширення, пластина при зміні температури деформується.
Термометри опору - прилади, принцип дії яких ґрунтується на властивості матеріалів змінювати електричний опір під впливом температури. Провідники в таких вимірюваннях називаються терморезисторами, а напівпровідники - термісторами.
Термоелектричні термометри використовують термоелектричні явища, що виявляються у взаємозв’язку теплових та електричних процесів у твердих тілах. Одним з таких термоелектричних явищ є ефект Зеєбека -виникнення електрорушійної сили (ЕРС) в електричному ланцюзі, що складається з послідовно з’єднаних різнорідних провідників, контакти яких мають різну температуру (рис. 2.8.).
Оптична пірометрія ґрунтується на використанні залежності випромінювальної здатності розжареного тіла від температури. Отже, визначити температуру будь-якого тіла можна шляхом порівняння інтенсивності його випромінювання на певній довжині хвилі з інтенсивністю стандартного випромінювання.
Оптичний пірометр складається з джерела випромінювання та оптичної системи, до якої входить мікроскоп, калібрована лампа та фільтр з вузькою смугою пропускання. Принцип дії оптичного пірометра зображено на рис. 2.9., а конструкцію - на рис. 2.10.
Рис. 2.8. Термоелектричний термометр
Процедура вимірювання температури передбачає порівняння яскравості тіла, що досліджується, та каліброваної лампи. Вимірювання проводять на довжині хвилі 655 нм. За допомогою регулювання струму, що проходить через нитку розжарювання лампи, зрівноважують яскравості тіла та лампи.
Рис. 2.9. Принцип дії оптичного пірометра:
1 - джерело світла, 2 - лінза, 3 - діафрагма, 4 - фільтр, 5 - калібрована лампа, 6 - фільтр,
7 - об'єктив мікроскопа, 8 - діафрагма мікроскопа, 9 - окуляр мікроскопа, 10 - око,
11 - вимірювальний прилад
Оскільки для не абсолютно чорних тіл температура, що реєструється оптичним пірометром, завжди менша, ніж справжня температура, необхідно вводити поправки.
Рис. 2.10. Конструкція оптичного пірометра:
1 - окуляр, 2 - кожух, 3 - фільтр, 4 - перемикач, 5 - екран, 6 - лампа,
7 - механізм зсуву екрану, 8 – об’єктив
Радіотермометри використовуються для вимірювання температури природних поверхонь.
Отже, вимірювання енергетичної яскравості природної поверхні дає змогу оцінити її температуру. На практиці вимірюють енергетичну яскравість у смузі довжин хвиль в інтервалі 8...13 мкм, де спостерігається вікно прозорості атмосфери і випромінювальна здатність тіл максимальна. Через це температура атмосфери не впливає на результати вимірювань температури поверхні, а випромінювання Сонця цілком поглинається атмосферою і також не заважає вимірюванням. Радіометри складаються з оптичної системи (лінзи, дзеркала, фільтри), що фокусує потік випромінювання певної довжини хвилі на детектор - термістор або термобатарею.
Кварцовий п’єзоелектричний термометр - це цифровий прилад, в основі дії якого лежить вимірювання резонансної частоти п’єзокристалу. Кожний кристал має свою власну резонансну частоту, що залежить від температури. Прилади такого типу характеризуються високою чутливістю та роздільною здатністю (10-4 оС). Діапазон температур, що вимірюються, становить від мінус 40 до +230оС. До недоліків можна віднести складність електронної системи та високу вартість приладів.
2.3. Вимірювання температури
Вимірювання температури повітря
Для вимірювання температури повітря необхідно забезпечити стан рівноваги між детектором і повітрям.
Різниця між температурою, що показує термометр, та температурою повітря є похибкою вимірювання.
Зменшити цю різницю можна практично за допомогою екрану, який не заважає циркуляції повітря поблизу сенсора, але запобігає проникненню прямого та розсіяного випромінювання до сенсора. Крім того, можна збільшити величину коефіцієнта С за вимушеної конвекції, тобто вентиляції.
Вимірювання температури ґрунту
Для вимірювання температури ґрунту термометри розміщують на глибині 0,1; 0,2; 0,5 та 1,0 м. На глибині 0,1 м використовують горизонтально розташований термометр, головка якого знаходиться в боксі з кришкою (рис. 2.11.).
Рис. 2.11. Розміщення горизонтально розташованого термометра в ґрунті
На більших глибинах застосовують прямокутні термометри або звичайні термометри, розміщені в футлярі (рис. 2.12).
Рис. 2.12. Застосування прямокутного термометра або термометра в футлярі в ґрунті
Курс «Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища»