Описание экспериментальной установки

 

На рис.4.4 показана экспериментальная установка для исследования тепловой инерционности термопары при ступенчатом изменении температуры среды. 

 

 

Рис.4.4 Экспериментальная установка.
1 – подвижная каретка; 2 - термопара; 3 – термостат; 4 – сосуд для холодных спаев; 5 – направляющие каретки; 6 – датчик оптопары;
7 – шторка; 8 – фиксатор.

Для измерения температуры среды используется термопара 2, которая закреплена на подвижной каретке 1. Каретка с термопарой может перемещаться по направляющим 5. Фиксатор 8 служит для удержания каретки в верхнем положении.

При выполнении опытов каретка вначале находится в верхнем положении, при этом термопара находится в воздухе, имея температуру t в .

После нажатия фиксатора каретка падает вдоль направляющих, в результате термопара с некоторой скоростью погружается в нагретую до температуры t ж воду в термостате 3.

Холодные спаи термопары помещены в сосуд 4 и находятся при температуре окружающего воздуха. Благодаря этому сигнал от термопары в начальном ее положении, когда она находится в воздухе, близок к нулю. После погружения термопары в жидкость сигнал плавно возрастает до уровня, соответствующего температуре жидкости.

Момент времени t o , когда термопара начинает погружаться в жидкость, фиксируется с помощью датчика 6 и шторки 7.

Датчик представляет собой оптическую пару (оптопару), состоящую из светодиода, излучающего инфракрасный луч, и приемного фотодиода, причем луч света в оптопаре перекрывается шторкой 7 во время движения каретки. При перекрытии луча происходит скачкообразное изменение напряжения на выходе датчика.

Высота расположения датчика оптопары выбрана такой, чтобы момент перекрытия луча совпадал с началом погружения термопары в рабочую жидкость. Поэтому при выполнении опытов момент времени t o определяется по скачку сигнала от датчика оптопары.

Поскольку тепловая инерционность термопары при измерениях в движущейся среде зависит от скорости обтекания, то при выполнении опытов необходимо контролировать скорость движения термопары в жидкости.

Определение средней скорости движения термопары осуществляется расчетом по известной ширине шторки и по интервалу времени, в течение которого луч датчика оптопары перекрыт шторкой. При выполнении опытов моменты времени закрытия и открытия луча шторкой определяются по скачкам сигнала от датчика оптопары.

Ширина шторки составляет 15 мм.

На рис.4.5 показана схема соединений исследуемой термопары и датчика оптопары с измерительной аппаратурой.

Сигнал от термопары 1 через сосуд с холодным спаем 3 поступает на вход усилителя 4. Регулируемый коэффициент усиления позволяет при проведении опытов получить размах сигнала на выходе усилителя до 5 В.

Напряжение на датчик оптопары 7 поступает от блока питания 6 (постоянное напряжение  9 В). При перекрытии луча оптопары шторкой 2  выходной сигнал датчика меняется скачком от  1 до 8 В.

 

Рис.4.5. Структурная схема измерений.
1 – термопара; 2 – шторка; 3 - сосуд для холодных спаев; 4 – усилитель; 5 – автоматизированная измерительная система; 6 – блок питания.

 

Автоматизированная измерительная система (АИС) 5 выполнена на базе магистрально-модульной архитектуры PXI и содержит контроллер под управлением ОС Windows и двухканальный запоминающий программируемый осциллограф. Осциллограф АИС записывает в память сигналы, поступающие с экспериментальной установки. Сигнал от усилителя поступает на канал А, сигнал от датчика оптопары – на канал Б осциллографа.

Осциллограф преобразует входные сигналы аналого–цифровым способом с некоторым шагом дискретизации по времени, помещает результаты в память, позволяет просматривать их на экране, а также считывать их «вручную» (с помощью специального маркера).

Запуск осциллографа осуществляется от сигнала датчика оптопары в момент перекрытия луча шторкой.

 

Проведение работы

 

Вначале следует подготовить термостат, залив в него воду, нагретую до температуры 50–60 °С. Уровень воды должен быть таким, чтобы при опускании каретки шторка перекрывала луч оптопары одновременно с касанием термопарой поверхности воды.

Убедиться, что установка соединена с электронной аппаратурой согласно структурной схеме, приведенной на рис.5. Включить приборы – усилитель, АИС и блок питания оптопары.

Настроить аппаратуру и рабочий режим на установке согласно Инструкции. Меняя коэффициент усиления, установить размах сигнала на выходе усилителя до  4–5 В.

Задать начало запоминания сигналов с опережением, чтобы сохранить в памяти некоторый отрезок предыстории процесса.

Добиться устойчивого запуска осциллографа по переднему фронту сигнала от датчика оптопары.

Измерить температуру окружающего воздуха с помощью термометра.

После запуска осциллографа на экране появляются два графика, соответствующие каналам А и Б (см. рис.4.6).

 

 

 

Рис.4.6. Форма сигналов на экране осциллографа.

 

Момент времени t o соответствует началу погружения термопары в воду, этот момент совпадает со скачком сигнала по каналу Б.

Слева от t o   график идет практически горизонтально, причем сигнал u в соответствует температуре окружающего воздуха. Справа от t o наблюдается быстрый рост сигнала.

Настройка интервала дискретизации по горизонтальной оси (параметр время/точка) должна быть такой, чтобы по каналу А на экране осциллографа находился график переходного процесса с выходом на асимптотическое значение, соответствующее температуре воды. По каналу Б данные должны содержать весь скачок напряжения от датчика оптопары.

Cчитывание данных с экрана осциллографа выполняется с помощью маркера, который можно перемещать по графикам А и Б. При этом в нижней части экрана слева выдается координата X графика (время), а справа – координата Y графика (величина сигнала).

Для определения времени перекрытия луча шторкой с графика Б необходимо снять две точки по координате X, соответствующие скачкам напряжения с датчика оптопары.

С графика А необходимо последовательно снять координаты следующих точек:

а) точку на участке предыстории процесса, непосредственно перед моментом начала погружения термопары в жидкость, по которой можно оценить значение u в , соответствующее температуре воздуха;

б) пять точек на экспоненциальном участке переходного процесса;

в) точку на асимптотическом участке процесса, по которой можно оценить значение u ж  , соответствующее температуре жидкости.

Провести 3  опыта при одинаковых условиях, воспроизводя скорость входа термопары в жидкость и поддерживая температуру жидкости постоянной. Во всех опытах данные с графиков А снимать в одни и те же моменты времени.

Подходящие моменты времени выбрать при съеме данных в первом опыте и зафиксировать их в протоколе. Во втором и третьем опытах перемещать маркер по графику А к зафиксированным значениям времени.

В результате для каждого зафиксированного момента времени получится статистическая выборка из трех значений, измеренных в разных опытах. По этой выборке необходимо рассчитать средние значения и среднеквадратические отклонения (СКО) для каждого из выбранных моментов времени.

Протокол опытных данных с графиков А и результаты расчетов оформить в виде таблицы 4.1:

 

Таблица 4.1

Данные по инерционности термопары

Время	Данные опытов			Сигнал		Температура
	1	2	3	Средние	СКО	Средние	СКО
t, с	u, В	u, В	u, В	u, В	s u, В	t, °С	s t, °С

В графе «Время» проставить моменты времени, зафиксированные в первом опыте.

В графе «Данные опытов» поместить первичные данные с графиков А, в графе «Сигнал» – оценки средних значений и СКО для данных опытов, в графе «Температура» – результат преобразования средних значений и СКО для сигнала из напряжений в температуры.

Поскольку разность температур горячего и холодного спаев невелика, то характеристику преобразования для термопары в этом диапазоне можно считать линейной:

 

                                 ,                                               (4.2)

 

где – среднее значение коэффициента Зеебека.

После усиления на осциллограф поступает сигнал

 

                         .                              (4.3)

 

Поскольку отсчет показаний термопары производится относительно температуры холодных спаев, равной температуре окружающего воздуха, то (7.3) можно записать в виде

 

                         ,                            (4.4)

откуда получаем формулу для преобразования средних значений

 

                                                                 (4.5)

и формулу для преобразования СКО

 

                               .                                          (4.6)

 

где – СКО для .

Коэффициент усиления  подбирается с помощью переключателя на усилителе. В таблице 4.2 указаны значения коэффициентов усиления в зависимости от положения переключателя.

 

Таблица 4.2

Данные по коэффициентам усиления

Положение переключателя, мкВ/дел	10	20	50	100
Коэффициент усиления Kус	10000	5000	2000	1000

 

Коэффициент Зеебека a зависит от типа термопары. Коэффициенты Зеебека для наиболее распространенных типов термопар указаны в таблице 4.3.

 

Таблица 4.3

Значения коэффициента Зеебека для различных типов термопар

Тип термопары	a, мкВ/K
Хромель-копель (Х-К)	62
Хромель-алюмель (Х-А)	40
Медь-константан (М-К)	37

 

Конкретный тип термопары, применяемой в опытах, указывает преподаватель.

Отклик термопары на ступенчатое изменение температуры среды изобразить в виде графика переходного процесса на основе таблицы данных.

Кривая переходного процесса при выходе на асимптоту должна быть близкой к экспоненте. В общем случае провести гладкий график по точкам расчетных значений средних температур практически невозможно, так как средние значения имеют случайный разброс. Однако график требуемого вида можно провести в пределах доверительных интервалов погрешности для средних величин.

Доверительный интервал погрешности для средних значений при объеме выборки N < 30 рассчитывается по формуле:

 

                                        .                                 (4.7)

 

Коэффициент  для распределения Стьюдента зависит от выбранной доверительной вероятности p и от объема выборки N. В таблице 4.4 приводятся значения коэффициента при двух значениях p для фиксированного N =3

 

 

Таблица 4.4

Данные по коэффициентам Стьюдента

p	0,9	0,95
	2,9	4,3

 

Построить точечный график по средним значениям t, затем возле каждой точки очертить границы доверительного интервала. Точки на графике пронумеровать. Через точку 0 провести линию уровня t в , через точку 6 провести линию уровня t ж  (см. рис.4.7).

 

 

Рис.4.7. Экспериментальный график переходного процесса

 

Штриховой линией в пределах доверительных интервалов точек провести кривую отклика термопары.

Дополнительно вокруг линии t ж очертить пунктиром коридор случайной составляющей погрешности по ширине доверительного интервала для точки 6.

В момент времени t o начинается переходный процесс, в момент t 1 кривая переходного процесса пересекает границу коридора случайной составляющей погрешности.

Тепловую инерционность термопары определить по графику переходного процесса, как отрезок времени 

 

.                                                      (4.8)

 

Содержание отчета

· Краткое описание структурной схемы установки и порядка проведения эксперимента.

· Протокол опытных данных и результаты расчета в виде таблицы.

· На основе первичных данных необходимо определить температуру жидкости (с поправкой на температуру окружающего воздуха).

· Расчет контрольного значения скорости движения термопары в жидкости.

· Расчет ширины доверительных интервалов случайной погрешности для двух значений вероятности p = 0,9 и p = 0,95.

· Графики переходного процесса с коридорами погрешности измерения температуры и оценками времени инерционности термопары.

· Результаты расчета погрешности измерения температуры жидкости. Для расчета воспользоваться данными из таблицы 4.5, в которой указаны значения систематических аппаратурных погрешностей.

 

Таблица 4.5

Данные по систематическим погрешностям аппаратуры

Относительные аппаратурные погрешности	%
Коэффициент термо-ЭДС	2
Коэффициент усиления Kус	0.5
Осциллограф	3

 

4.6 Контрольные вопросы

 

· Как изменится график переходного процесса, если холодные спаи термопары поместить в сосуд с тающим льдом?

· Как изменится график переходного процесса, если тепловая инерционность термопары уменьшится?

· Зависит ли тепловая инерционность термопары от скорости обтекания ее жидкостью?

· Как рассчитывается доверительный интервал погрешности для средних значений?

· Как определить время инерционности термопары?

· Какие аппаратурные погрешности следует учитывать при расчете общей погрешности измерения температуры среды термопарой?

_______________________________

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Теоретические основы теплотeхники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. А.В. Клименко и В.М. Зорина // Сер. Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2. – M.: Издaтeльский дом МЭИ, 2007, 564 с.

2. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.: Энергия, 1978, 704 с.

3. Махров В.В., Буринский В.В. Методы исследования теплофизических свойств веществ. М.: Московский энергетический институт, 1987. 84 с.

4. Орлова М.П. Низкотемпературная термометрия. Изд-во стандартов. М.: 1988, 280 с.

5. Буринский В.В. Измерения и обработка результатов. Изд-во МНЭПУ, 2000, 156 с.

6. Буринский В.В. Способы создания и измерения давлений в теплофизическом эксперименте. Изд-во МЭИ, 1992, 92 с.

7. Циклис Д.С. Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях. Изд. 4-е, М.: Химия, 1976, 432 с.

8. Теплопередача: Учебник для вузов/ В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел. – 4-е изд., перераб. и доп. –- М.: Энергоатомиздат, 1981. – 416 с.

9. Г.М.Иванова, Н.Д.Кузнецов, В.С.Чистяков. Теплотехнические измерения и приборы: учебник для ВУЗов.- 2-е изд., перераб. и доп. – М. Издательство МЭИ, 2005. – 460 с.