Измерение температуры в нестационарных условиях

 

Цель работы

 

Целью настоящей работы является изучение метода измерения температуры вещества с помощью термопары при условии, когда температура среды быстро меняется.

 

Введение

 

Во многих научно-технических задачах возникает необходимость измерения температуры среды в условиях, когда отсутствует тепловое равновесие между термодатчиком и веществом. Например, требуется контролировать температуру в потоке теплоносителя, температура которого меняется во времени в форме пульсаций (турбулентный режим течения).

Для измерений температуры в таких случаях часто используются датчики, чувствительным элементом которых является термопара [2]. На рис.4.1 показана схема термопары.

 

Рис.4.1. Схема термопары

 

Разнородные термопарные провода A и B соединяют на одном конце, при этом образуется рабочий спай термопары, который находится при температуре t. Рабочий спай называют также «горячим» спаем. Чтобы подключить термопару к измерительному средству необходимо другие концы термоэлектродов A и B соединить с медными проводами М. При этом образуются спаи, которые должны находится при одинаковой температуре t 0, например 0^оС. Эти спаи называют «холодными».

При такой схеме на медных проводниках появляется разность потенциалов E, величина которой однозначно связана с разностью температур горячего и холодного спаев (эффект Зеебека):

 

                  ,                                                             (4.1)

 

где: – термо-ЭДС, – коэффициент Зеебека, – разность температур горячего и холодного спаев.

Для измерения температуры в потоке жидкости используются термопарные зонды. В данной работе горячий спай термопары размещается на носике зонда в виде шарика, приваренного к дну металлической защитной оболочки. Такая схема показана на рис.4.2.

 

 

 

Рис.4.2. Схема зонда

 

Температура спая, которая измеряется термопарой, отличается от температуры жидкости t ж в точке, где выполняется измерение. Основными источниками погрешности термопарных измерений являются:

а) отток тепла от спая по проводам и по материалу оболочки;

б) тепловая инерция спая из–за его конечной теплоемкости.

В данной работе исследуется погрешность измерений, обусловленная тепловой инерцией, поскольку она оказывается существенной при измерениях в нестационарных условиях.

Рассмотрим следующий пример. Пусть требуется измерить пульсирующую температуру в некоторой точке среды. Среда может представлять собой, например, поток жидкости или газа с температурными неоднородностями. Если в этом случае применяется термопара с большой тепловой инерционностью, то будет получена сглаженная картина теплового процесса во времени, на которой не будет видно пиков и высокочастотных составляющих процесса.

На рис.4.3 показано, как в этом случае отличается показание термопары t от истинной температуры среды t ист в окрестности спая. Если инерционность применяемой термопары окажется слишком большой, то удастся измерить только среднее значение температуры t ср .

В общем случае тепловая инерционность термопары зависит не только от размеров спая и теплоемкости материала (спая, оболочки и т.д.), но и от коэффициента теплоотдачи и скорости обтекания термопары жидкостью.

 

 

 

Рис.4.3. Случайные температурные пульсации в среде (а) и сглаженный отклик термопары (б)

 

Эффекты инерционности термопары изучаются в данной работе при ступенчатом изменении температуры окружающей среды. До некоторого момента времени t o термопара находится в воздухе и имеет начальную температуру t в , затем в момент времени t o термопара погружается в нагретую жидкость с температурой t ж . В итоге регистрируемая температура горячего спая t асимптотически стремится к значению t ж .

Задачи настоящей лабораторной работы:

· получение зависимости регистрируемой температуры спая t от времени при ступенчатом изменении температуры среды;

· оценка времени D t, после которого регистрируемую температуру спая можно с заданной точностью считать совпадающей с температурой среды t ж .