Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 12 pageВ табл. 11-2 и 11-3 приведены основные параметры соответственно сухого воздуха при Р = 105 Па и воды, необходимые для расчета коэффициентов теплоотдачи. Температура, при которой определены параметры в табл. 11-2 и 11-3, считается как среднеарифметическая температура тела и среды. Тепловое излучение свойственно всем телам, и каждое из них непрерывно излучает и поглощает энергию. Разность между излучае В технических расчетах этот закон применяется в более удобной форме: Е0 = С0 (0/100)4, где С0 — коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела: С0 = 5,7 Вт/(м2-К4). Закон Стефана — Больцмана применим и к реальным серым телам, но их коэффициент лучеиспускания С рассчитывается с учетом относительной излучательной способности или степени черноты тела 8, т. е. С = С0г. Таблица tl-3 Значение в изменяется в пределах от нуля до единицы и приводится в таблицах [5]. Количество поглощаемой.телом лучистой энергии также зависит от степени черноты тела и определяется формулой Е = гЕэф, где Еэф —
извне падающее эффективное излучение окружающих тел. При выводе формул лучистого теплообмена между телами необходимо учитывать, кроме лучеиспускательной, поглощательной и отражательной способности тел, их размеры и направление излучений. Относительно простые формулы могут быть приведены только для теплообмена между плоскими параллельными поверхностями и между двумя поверхностями в замкнутом пространстве, когда одна из поверхностей охватывает другую, обязательно выпуклую поверхность (рис. 11-1, в). В первом случае количество теплоты на 1 кунду равно „ £о_ Qi2 i/ei+i/e2
Во втором случае количество теплоты, получаемой или отдаваемой в одну секунду меньшим телом с поверхностью Su составляет Со К—о >2 \ е2 / Для уменьшения лучеиспускания тела при заданных температурах уменьшают его степень черноты и применяют экран. Уравнение теплового баланса преобразователей при неизменном агрегатном состоянии среды и постоянной температуре тел определяется как
<?э + <7гп + <7тп + <7конв + Ям = 0, где qB = i2R — теплота Джоуля—Ленца, выделяющаяся в преобра* - зователе; q'Tп, qJUi qKОНв и <7л.и — тепловые потоки соответственно в ре-, зультате теплопроводности через преобразователь, через окружающую среду, вследствие конвекции и теплового излучения. Эти тепловые потоки показаны на рис. 11-2. Выражая соответствующими формулами все виды тепловых потерь, уравнение теплового баланса можно представить как I*R - Ое (© - ©а) - Св(© - ©ер) - IS (© - ©ср) - - CUS [(в/100)4 ~ (©ст/100)4] = 0, (11-4) где ©а, ©ср, ©ст — соответственно температуры внешней среды, среды, окружающей преобразователь, и стенок. Как видно из этого уравнения, температура преобразователя зависит от температуры окружающей среды, от коэффициента теплоотдачи зависящего от скорости движения окружающей среды, от тепловой проводимости, среды, определяемой ее свойствами, от геометрической формы окружающих тел и расстояния их до преобразователя. Подчеркнув соответствующий эффект и сделав пренебрежимо малыми все остальные, тепловые преобразователи можно использовать для измерения температуры среды, скорости ее движения, концентрации вещества, изменяющего теплопроводность среды, и перемещения. Принцип действия соответствующих преобразователей проиллюстрирован рис. 11-3. .Устройство датчика термоанемометра, служащего для измерения скорости газового потока, показано на рис. 11-3, а. Нить 1 нагревается до 200—800 °С протекающим по ней током и одновременно охлаждается обдувающим ее газовым потоком. Если эффект сноса теплоты превосходит другие охлаждающие факторы, то уравнение теплового баланса (11-4) может быть представлено в виде PR = IS (© — ©ср). Поскольку коэффициент теплоотдачи является функцией скорости i = f (v), то из приведенного уравнения следует, что в режиме заданного тока / = const температура нити © = / (v) является функцией скорости, а в режиме заданной температуры © = const требуемое изменение тока А/ будет функцией скорости А1 = <р (у). В датчике, показанном на рис. 11-3, а, нить выполнена из платиновой проволоки (диаметр 5—20 мкм, длина 2—10 мм), сопротивление которой меняется с температурой, и припаяна к двум манганиновым стерженькам 2. Сквозь ручку 3 пропущены выводы 4 для включения датчика в измерительную цепь. На рис. 11-3, б дано принципиальное устройство преобразователя газоанализатора. Платиновая проволока /, подогреваемая протекающим по ней током до температуры © = 100 ч- 200 °С, натянута по оси камеры. В камеру через канал поступает с очень малой скоростью исследуемая газовая смесь. Размеры камеры и проволоки и скорость протекания газа выбраны таким образом, чтобы можно было пренебречь всеми тепловыми потерями, кроме тепловых потерь в результате теплопроводности окружающей среды. Тогда уравнение (11-4) может быть представлено в виде IZR = G© (© — вср). Коэффициент теплопроводности газа зависит от состава газа, и, следовательно, при токе,/ = const температура проволоки и ее сопротивление зависят от состава газа. В частности, для смеси воздуха с углекислым газом, теплопроводность которого меньше теплопроводности воздуха, температура нити будет тем выше, чем больше концентрация углекислого газа. а) 1 xl
На рис. 11-3, е показан принцип действия вакуумметра. В герметичной колбе помещены нагреватель 2 и термопара 1У измеряющая температуру нагревателя. Колба присоединяется к полости, вакуум в которой измеряется. Через нагреватель пропускается ток. В диапазоне давлений 1—10"4 Па теплопроводность газа уменьшается с уменьшением давления, поэтому при заданном токе температура нагревателя будет тем выше, чем выше вакуум. На рис. 11-3, г представлено принципиальное устройство сигнализатора уровня. Датчик представляет собой платиновую нить 2 диаметром 25 мкм и длиной 2 мм, закрепленную между двумя держателями 1 и спущенную на заданную глубину. В воздухе нить нагревается пропускаемым по ней током до 250 °С. При соприкосновении с жидкостью теплоотдача с нити увеличивается и температура и сопротивление нити резко уменьшаются. Переходный процесс нагревания или охлаждения тела описывается уравнением теплового баланса. В стадии регулярного теплового режима в уравнении (11-4) появляется член, учитывающий дополнительную теплоту, идущую на повышение теплосодержания тела: l*R ^ а© (В - в J — G©(© — ©ср) - is (в- ©ср) - - Cns [(в/100)4 - (вст/100)4] ~ тс dB/dt = 0. (11-5) Если пренебречь потерями на излучение, то из уравнения (11-5) видно, что тепловой преобразователь является апериодическим преобразователем с постоянной времени Т = mc/gs, где Is == G© + + G© + IS — суммарный коэффициент теплопередачи, определяемый теплопроводностью и конвекцией. Необходимо обратить внимание на то, что постоянная времени теплового преобразователя зависит от условий охлаждения и будет различной для одного и того же преобразователя, находящегося в воздухе и в жидкости, в спокойной жидкости и в движущейся жидкости и т. д. Чем больше тем быстрее протекает переходный процесс. При больших и малых постоянных времени Т необходимо учитывать стадию дорегулярного режима, которой при описании переходного процесса обычно можно пренебречь, В этом случае для оценки переходного процесса нельзя пользоваться уравнением (11-5) и нужно прибегать к специальной литературе» В стадии регулярного теплового режима температура преобразователя в операторной*форме определяется уравнением '(ge+Oe+6S)(»+0&+ff+6sp)' Переходный процесс в преобразователе при внезапном скачкообразном изменении температуры на величину А©ср описывается уравнением 6 = °0 + 1 +Gy(Ge+lS) A®cpg"'/ir, где ©о — начальная температура преобразователя. В большинстве случаев при описании переходного процесса пренебрегают статической погрешностью из-за наличия теплопроводности через преобразователь С'в и выражают переходный процесс уравнением © = й0 + Д©ср£г-</Г; А© = Д©сре-'/*\ (11-6) Переходный процесс при внезапном изменении одного из коэффициентов теплоотдачи, например при изменении I вследствие изменения скорости движения окружающей среды, описывается уравнением ■ A £secp _ где Г'-7* 11-2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ИХ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ (Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 11-4, а), причем температуру ©L одного места соединения сделать отличной от температуры 60 другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС) и представляющей собой разность функций температур мест соединения проводников: Елв&1, во)=/(©1) —f(©o)- Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, — термоэлектродами, а места их соединения — спаями. Термо-ЭДС при небольшом перепаде температур между спаями можно считать пропорциональной разности температур: Еав = SAB Д©. Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников, значение термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников.. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то не возникает никаких паразитных термо-ЭДС. ^ Можно разомкнуть контур в месте контактирования термоэлектродов А и В и вставить дополнительный проводник С между ними (рис. 11-4,6). Значение термо-ЭДС в этом случае определится как Е = Еав (©J + Евс (в0) + Еса (©о) = Еав (6J 4- Ева (в0) - = Еав (©г) — Еав (©о), так как если два любых проводника А и В имеют по отношению к третьему С термо-ЭДС ЕАС и ЕВс, то термо- ЭДС термопары А В — ЕАВ — ЕАс + Есв. Можно разорвать также один из термоэлектродов и вставить дополнительный проводник в место разрыва (рис. 11-4, в). Значение термо-ЭДС в этом случае будет тем же, что и в предыдущем. Действительно, Е - ЕАВ (©а) + Евс (©2) + ЕСв (®2) + ЕВА (60) = «= ЕАВ (@I) — ЕАВ (©О). Таким образом, прибор для измерения термо-ЭДС может быть включен как между свободными концами термопары, так и в разрыв одного из термоэлектродов. Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то теплота выделяется в одном спае и поглощается в другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и нагревание или охлаждение спая зависит от направления тока через спай. Во второй половине XIX в. Томсоном был открыт эффект, заключающийся в установлении на концах однородного проводника, имеющего температурный градиент, некоторой разности потенциале лов и в выделении дополнительной тепловой мощности при прохождении тока по этому проводни- ку. Однако ЭДС Томсона и дополнительная теп- lr~(mv)—1 ловая мощность настолько малы, что в практи- к ' ческих расчетах ими обычно пренебрегают. — Г^ На рис. 11-5 показана принципиальная схема {термоэлектрического преобразователя, который в Рис. 11-5 зависимости от положения переключателя К мо- ♦ жет работать в режиме генератора электрической энергии (положение 1) и в* режиме переноса теплоты между спаями (положение 2). КПД термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойств материалов и для существующих материалов олень мал (при А© = 300 °С не превышает л = 13%, а при А© = 100 °С ц = 5%). КПД термоэлектрического подогревателя или холодильника также очень мал: для холодильника КПД при Температурном перепаде 5 °С составляет 9%, а при перепаде 40 °С — только 0,6%. - Тепловой баланс охлаждаемого в результате эффекта Пельтье спая определяется уравнением П12/ - kI*R - Ое (©нагр - ©охл) ~ Ое (©окр - ©охл) - 0, где П12/ — теплота, поглощаемая в спае за счет эффекта Пельтье; / — ток через спай; П1а — коэффициент Пельтье, зависящий от материалов спая; I2R —- выделяющаяся в термоэлементе теплота Джоуля, часть которой поступает на холодный спай; G© (©,1агр —>• ©охл) — тепловой поток, обусловленный разностью температур нагреваемого и охлаждаемого спаев; G© •— тепловая проводимость термоэлемента; Ge (©окр — ©охл) — тепловой поток, возникающий в результате теплообмена между окружающей средой и охлаждаемым спа^м. Как видно из приведенного уравнения, температура тподного спая будет уменьшаться при увеличении тока за счет эффекта мелыъе,' в то же время с увеличением тока увеличивается теплота Джоуля, и эффект нагревания при больших токах снижает эффект охлаждения. Поэтому минимальная температура холодного с^ая достигается \]ри некотором оптимальном toke»j /л В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температур. Кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующие электрический ток в тепловой поток. Таблица tt-4
Кремний Сурьма Хромель Нихром Железо Сплав (90% Pt+10% 1г) Молибден Вольфрам Манганин Медь Золото Серебро Иридий Родий
Сплав (90% Pt+10 %Rh) Свинец Олово Алюминий Графит Уголь Ртуть Палладий Никель Алюмель Сплав (60%Аи + + 30% Pd-J- 10 %Pt) Константен Копель Пирит Молибденит +0,44 +0,42 +0,40 +0,32 +0,30 0,00 —0,57 -1,5 —1,7 —2,31 —3,4 —4,5 —12,1 От —69 до —104
Гма Материалы, применяемые для термопар. В табл. 11-4 приведены тфмо-ЭДС, которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая Эх = 100 °С и температуре свободных концов в0 — 0 °С. Зависимость термо-ЭДС от температуры в широком диапазоне температур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзя распространить на более высокие температуры. В качестве примера на рис. 11-6 приведена зависимость £■ = /(©) для одной из наиболее распространенных термопар пла- тинородий — платина. При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой — отрицательную термо-ЭДС. При этом необходимо учитывать также пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, температуры и т. д.).
Материалы, применяемые в промышленных термопарах (см. § 11-7), обусловлены ГОСТ 6616—74. Однако используется и ряд специальных термопар, например при измерениях тепловой радиации, для измере
Для повышения выходной ЭДС используется несколько термопар, образующих термобатарею. На рис. 11-7 показан чувствительный элемент радиационного пирометра. Рабочие спаи термопар расположены на черненом лепестке, поглощающем излучение; свободные концы — на массивном медном кольце, служащем токоотводом и прикрытом экраном. Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концов можно считать постоянной и равной комнатной/j 11-3. УДЛИНИТЕЛЬНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОДЫ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ, ПОГРЕШНОСТИ ТЕРМОПАР Удлинительные термоэлектроды. Свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре (рис. 11-8). Однако не всегда возможно сделать термоэлектроды термопары настолько длинными и гибкими, чтобы ее свободные концы размещались в достаточном удалении от рабочего спая. Кроме того, при использовании благородных металлов делать длинные термоэлектроды экономически невыгодно, поэтому приходится применять провода из другого материала. Соединительные провода Л± и Вх (рис. 11-8), идущие от зажимов в головке термопары до сосуда объемом V, тем пературу в котором желательно поддерживать постоянной, называют удлинительными термоэлектродами. Далее для соединения с измерительным прибором можно использовать обычные провода.
Чтобы при включении удлинительных термоэлектродов из материалов, отличных от материалов основных термоэлектродов, не изменилась термо-ЭДС термопары, необходимо выполнить два условия. Первое — места присоединения удлинительных термоэлектродов к ос т°_______ и ста соединения термоэлектродов ----------------------- ° в головке термопары (примерно в диапазоне от 0 до 200 °С). Для термопары платиноро- fr К 1. дий — платина применяются уд- м линительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующие ■ термопару, термоидентичную термопаре платинородий — платина в пределах до 150 °С. Для термопары хромель — алюмель удлинительные термоэлектроды изготовляются из меди и константана.'Для термопары хромель — копель удлинительными являются основные термоэлектроды, но выполненные в виде гибких проводов. При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает весьма существенная погрешность. В качестве примера рассмотрим погрешность измерения температуры термопарой хромель—алюмель, включенной: а) с удлинительными термоэлектродами из меди и константана (рис. 11-9); б) при неправильном подключении термоэлектродов; в) медными проводами без удлинительных термоэлектродов. Измеряемая температура 0j = 1000 °С, температура головки термопары ©2 = 100 °С и температура термостатированного сосуда О0 = 0 °С. ЭДС термопары хромель—алюмель Ех_й — 41,269 мВ. ЭДС термопар, образованных рабочими термоэлектродами и подключаемыми проводами без удлинительных термоэлектродов и с ними, определим из табл. 11-4: а) Е - £х_а (1000 °С) + £ _к (100 °С) + Як_м (0 °С) + £м_м (0 °С)+£ (100 °С)= = 41,269 + 1,7+ 0+ 0 — 1,64 — 41,269 + 0,06 = 41,329 мВ; ©я = 1002 °С; б) Е - Е^ (1000 °С) + £а_м (100 °С) + Еп (0 °С) + £ ^ (0 °С) + Е^ (100 °С) = = 41,269 — 2,46 + 0 + 0 — 5,8 = 41,269 — 8,26 = 33,0009 мВ; ©б = 793 °С; в) Е - £х,а (1000 °С) + £а.м (100 °Q + Е^ (100 °С) = £х.а (1000 °С) — — £х_а (100 °С)== 41,269 — 4,1 = 37,169 мВ; ©fl ^ 896 °С. Температуру, соответствующую полученным термо-ЭДС, можно определить по таблицам ГОСТ 6616—74. Как видно из полученных решений, при правильном подключении удлинительных термоэлектродов погрешность не превышает2 сС, а при неправильном — погрешность почти вдвое больше, чем при подключении двух медных проводов. Поэтому при подключении удлинительных термоэлектродов необходимо быть особенно внимательными к их соответствию рабочим термоэлектродам. Погрешность, обусловленная изменением температуры свободных концов термопары. Градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов, равной нулю. Если при практическом использовании термоэлектрического термометра температура свободных концов будет отличаться от 0 °С на величину + ©0, то измеренная ЭДС будет меньше и необходимо ввести соответствующую поправку в показания термометра. Однако следует иметь в виду, ]рто из-за нелинейной зависимости между ЭДС термопары и температурой рабочего спая поправка Дв к показаниям указателя в', градуированного непосредственно в градусах, не будет равна температуре ©0 свободных концов, что очевидно * из рис. 11-10. Для определения температуры необходимо воспользоваться гра- дуировочной таблицей для данной термопары, определить ЭДС Е как Е = Е1}зм + АЕ (в0) и затем по скорректированному таким образом значению Е найти 0. Приближенно значение погрешности может быть определено как ДО = &©с, где k — поправочный коэффициент на тем- Е(@,о)----------- 1----- 7 пературу свободных концов. Значение k 1(®<&0)---------- —-7fi различно для каждого участка кривой, поэтому градуировочную кривую разделяют на участки по 100 °С и для каждого участка определяют значение k. ®г® В качестве примера устройства ав томатического введения поправки на температуру свободных концов на рис. 11-11 схематично показано устройство типа КТ-0,8. В цепь термопары и милливольтметра включен мост, одним из плеч которого является терморезистор Rri помещенный возле свободных концов термопары (остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов). При температуре ©с мост находится в равновесии и напряжение на его выходной диагонали равно нулю. При повышении температуры свободных концов сопротивление Rr изменяется, мост выходит из равновесия и возникающее напряжение на выходной диагонали моста компенсирует уменьшение термо-ЭДС термопары. Уравновешивание моста при температуре терморезистора, равной нулю, производится изменением сопротивления одного из манганиновых резисторов. Изменение выходного напряжения UBbK моста при температуре терморезистора © до значения, равного уменьшению термо-ЭДС АЕ, так, чтобы £/вых (©) — — АЕ (©) = 0, производится изменением напряжения питания моста, т. е. сопротивления R. Вследствие нелинейности характеристики термопар полной коррекции погрешности при помощи описываемого устройства получить не удается, однако погрешность значительно уменьшается. Погрешность, обусловленная изменением сопротивления измерительной цепи. В термоэлектрических термометрах для измерения термо-ЭДС применяют как обычные милливольтметры, так и потенциометры с ручным или автоматическим уравновешиванием на предел измерения до 100 мВ.
В тех случаях, когда термо-ЭДС измеряется милливольтметром, может возникнуть погрешность из-за изменения сопротивлений всех элементов, составляющих цепь термо-ЭДС» Измерительная цепь термопары включает в себя рабочие термоэлектроды, удлинительные .термоэлектроды и соединительные провода или линию. Сопротивление рабочих термоэлектродов из неблагородных металлов не превышает 1 Ом, сопротивление рабочих термоэлектродов из благородных металлов больше. Кроме того, термоэлектроды, за редким исключением, выполняются из материалов, имеющих относительно высокий ТКС, и при изменении температуры на несколько сотен градусов внутреннее сопротивление термопары существенно возрастает. В частности, термопара платина — платинородий, составленная из двух термо- блектродов диаметром d = 0,35 мм и длиной /= 1 м, имеет сопротивление RT = = 1,11 + 2,09 = 3,2 Ом при 20 °С и #т = 4,06 + 2,39 = 6,45 Ом при 1000 °С. Даже если пренебречь сопротивлением удлинительных термоэлектродов и соединительных проводов, то при измерении термо-ЭДС милливольтметром с внутренним сопротивлением Rmi — 100 Ом падение напряжения на сопротивлении самой термопары Rr составит
|