Номер 3, страница 101 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Вопросы и задания. §15. Нагревание. Глава 2. Экспериментальная работа с веществами - номер 3, страница 101.

3. Как можно осуществлять контроль температуры?

Контроль температуры — это комплексный процесс, включающий измерение текущей температуры и её последующее регулирование для достижения и поддержания заданного значения (уставки). Осуществлять контроль можно различными способами, которые условно делятся на методы измерения и методы регулирования.

Измерение температуры с помощью контактных методов

Контактные методы предполагают физический контакт чувствительного элемента (датчика) с объектом, температуру которого необходимо измерить. Эти методы основаны на различных физических принципах:
- Жидкостные и механические термометры: используют принцип теплового расширения веществ (жидкостей, таких как спирт или ртуть, или твердых тел, как в биметаллических термометрах).
- Термопары: основаны на эффекте Зеебека, при котором в замкнутой цепи из двух разнородных проводников возникает термо-ЭДС, если их спаи находятся при разных температурах. Величина ЭДС зависит от разности температур.
- Термометры сопротивления (RTD): используют свойство материалов (обычно платины) изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Эта зависимость почти линейна и очень стабильна, что позволяет достигать высокой точности. Например, для платины: $R_T \approx R_0(1 + \alpha T)$.
- Термисторы: полупроводниковые приборы, чье сопротивление сильно и нелинейно изменяется с температурой, что обеспечивает высокую чувствительность.

Ответ: Контроль температуры можно осуществлять путем прямого измерения с помощью контактных датчиков, таких как жидкостные термометры, термопары, термометры сопротивления и термисторы, которые регистрируют температуру при непосредственном физическом контакте с объектом.

Измерение температуры с помощью бесконтактных методов

Бесконтактные методы позволяют определять температуру объекта на расстоянии путем анализа его теплового излучения. Основным прибором для этого является пирометр (инфракрасный термометр). Его работа основана на законе Стефана-Больцмана, согласно которому мощность теплового излучения, испускаемого телом, пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры ($P = \epsilon \sigma A T^4$). Этот метод незаменим для измерения очень высоких температур (расплавы металлов), а также для объектов, контакт с которыми невозможен или нежелателен (движущиеся части, стерильные поверхности).

Ответ: Контроль температуры можно осуществлять дистанционно, без прямого контакта, с помощью пирометров, которые определяют температуру по интенсивности теплового излучения объекта.

Двухпозиционное (релейное) регулирование температуры

Это самый простой способ автоматического поддержания температуры. Регулирующее устройство (например, нагреватель) имеет только два рабочих состояния: «полностью включено» или «полностью выключено». Система включает нагрев, когда температура падает ниже заданной отметки, и выключает его, когда температура превышает эту отметку. Для предотвращения слишком частых переключений вводится зона нечувствительности (гистерезис). Метод прост и дешев, но обеспечивает невысокую точность поддержания температуры, так как она постоянно колеблется вокруг заданного значения.

Ответ: Контроль температуры можно осуществлять с помощью двухпозиционного регулятора, который попеременно включает и выключает нагревательный или охлаждающий элемент для удержания температуры в заданном диапазоне.

Пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) регулирование

Это наиболее совершенный и широко используемый метод автоматического регулирования температуры. ПИД-регулятор постоянно вычисляет ошибку $e(t)$ — разницу между заданной и реальной температурой — и формирует управляющий сигнал на основе трех составляющих:
- Пропорциональная (П): воздействие пропорционально текущей ошибке ($K_p \cdot e(t)$). Обеспечивает основную реакцию системы.
- Интегральная (И): воздействие пропорционально накопленной ошибке ($K_i \int e(t)dt$). Позволяет со временем устранить статическую ошибку, то есть точно достичь заданного значения.
- Дифференциальная (Д): воздействие пропорционально скорости изменения ошибки ($K_d \frac{de(t)}{dt}$). Предотвращает "перелет" через заданное значение и гасит колебания, делая систему более устойчивой.
Полный управляющий сигнал имеет вид: $u(t) = K_p e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(\tau)d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}$. Подбор коэффициентов $K_p$, $K_i$, $K_d$ (настройка регулятора) позволяет добиться быстрого и точного поддержания температуры.

Ответ: Контроль температуры можно осуществлять с высокой точностью при помощи ПИД-регулятора, который комплексно анализирует текущую ошибку, её накопление и скорость изменения для плавной и стабильной коррекции температуры.