СБОРНИК ЭМИ. Методическое пособие по курсу Экспериментальные методы исследования Под редакцией Ю. Б. Смирнова. М. Издво мэи, 2012. 35 с
 Скачать 0.52 Mb.
|
4.3 Описание экспериментальной установкиНа 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 tв . После нажатия фиксатора каретка падает вдоль направляющих, в результате термопара с некоторой скоростью погружается в нагретую до температуры tж 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. Выход термопарного сигнала обозначен на рисунке стрелкой. Момент времени o , когда термопара начинает погружаться в жидкость, фиксируется с помощью датчика 6 и шторки 7. Датчик представляет собой оптическую пару, 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 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. 4.4 Проведение работыВначале 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 o соответствует началу погружения термопары в воду, этот момент совпадает со скачком сигнала по каналу Б . Слева от oграфик идет практически горизонтально, причем сигнал uв соответствует температуре окружающего воздуха. Справа от 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 uв , соответствующее температуре воздуха; б) пять точек на экспоненциальном участке переходного процесса; в) точку на асимптотическом участке процесса, по которой можно оценить значение uж , 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
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 усилителя, имеющего коэффициент усиления  , сигнал Δu поступает на осциллограф  . (4.3)Поскольку отсчет показаний термопары производится относительно температуры холодных спаев, равной температуре окружающего воздуха, то (4.3) можно записать в виде  , (4.4)откуда получаем формулу для преобразования средних значений  (4.5)и формулу расчета среднего квадратического отклонения (СКО) σt, которое относится к индивидуальному значению разности t - tв , в виде  . (4.6)где  – СКО индивидуального значения разности  . Коэффициент подбирается с помощью переключателя на усилителе. В таблице 4.2 указаны значения коэффициентов усиления в зависимости от положения переключателя.Таблица 4.2 Данные по коэффициенту усиления
Коэффициент Зеебека 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
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 pи 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
Построить точечный график по средним значениям t . Точки на гра-  Рис.4.7. Экспериментальный график переходного процесса фике пронумерованы. Возле каждой точки очертить границы доверительного интервала (см. рис.4.7). Через точку 0 провести линию уровня tв , через точку 6 провести линию уровня tж . Штриховой линией в пределах доверительных интервалов точек провести кривую отклика термопары. Дополнительно вокруг линии tж очертить пунктиром коридор случайной составляющей погрешности по ширине доверительного интервала для точки 6. В момент времени o начинается переходный процесс, в момент 1 кривая переходного процесса пересекает границу коридора случайной составляющей погрешности. Тепловая инерционность термопары определяется по графику переходного процесса, как отрезок времени  . (4.8)4.5 Содержание отчетаОписание структурной схемы установки и порядка проведения эксперимента. Первичные данные опытов и результаты расчета в виде таблицы. На основе первичных данных определить температуру жидкости (с поправкой на температуру окружающего воздуха). Контрольное значение 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. Определить погрешность 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
4.6 Контрольные вопросыКак 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 Теоретические основы теплотeхники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. А.В. Клименко и В.М. Зорина // Сер. Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2. – M.: Издaтeльcтво МЭИ, 2001. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.: Энергия, 1978. Махров В.В., Буринский В.В. Методы исследования теплофизических свойств веществ. М.: Московский энергетический институт, 1987. Орлова М.П. Низкотемпературная термометрия. Изд-во стандартов. М.: 1988, 280 с. Буринский В.В. Измерения и обработка результатов. Изд-во МНЭПУ, 2000, 156 с. Буринский В.В. Способы создания и измерения давлений в теплофизическом эксперименте. Изд-во МЭИ, 1992, 92 с. Циклис Д.С. Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях. Изд. 4-е, М.: Химия, 1976 Теплопередача: Учебник для вузов/ В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. – 4-е изд., перераб. и доп. –- М.: Энергоатомиздат, 1981. – 416 с. 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. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||