3.Лабораторная работа №2. Определение постоянной времени термоэлектрического преобразователя

Цель работы состоит в ознакомлении с динамическими свойствами термоэлектрических преобразователей и методами определения постоянных времени (показателя термической инерции) термопреобразователей в различных условиях измерения температуры среды.

Температурные измерения, как и измерения любых физических величин, не являются абсолютно точными и всегда выполняются с некоторыми погрешностями. Термометры и пирометры всегда показывают свою собственную температуру, которая может существенно отличаться от истинной температуры среды. Искажения показаний, обусловленные нестационарными тепловыми процессами в термопреобразователе и между термопреобразователем и окружающей его средой, принято называть тепловой или термической инерцией.

Для приближенной оценки возникающей систематической погрешности измерения температуры жидкостей или газов широкое распространение получила элементарная теория тепловой инерции, в основе которой лежат закономерности нестационарного режима теплообмена. Относительная (безразмерная) температура термопреобразователя, охлаждаемого в среде с постоянной температурой, определяется следующим образом:

(3)

где: и – разности температур термопреобразователя относительно температуры среды в произвольный и начальный моменты времени охлаждения; – постоянная времени термопреобразователя; – текущее время охлаждения.

Выражение для постоянной времени можно получить из общего уравнения, полагая : .

Следовательно, величина численно равна интервалу времени, по истечении которого разность между температурами термопреобразователя и среды составляет 0,368 от первоначальной разности. Величина характеризует темп или скорость теплообмена термопреобразователя и среды. Чем меньше , тем быстрее реагирует термопреобразователь. С ростом реакция термопреобразователя замедляется.

Постоянная термической инерции термопреобразователя определяется через следующие параметры:

(4)

где: – теплоемкость, плотность, объем и поверхность термопреобразователя; – коэффициент теплоотдачи.

Динамические свойства зависят от коэффициента , т.е., чем интенсивнее теплоотдача к термопреобразователю со стороны среды, тем меньше его инерция, а значит и меньше погрешность измерений.

Для определения постоянной времени термопреобразователя по переходному процессу, используется соотношение (3) или графическое представление переходного процесса в полулогарифмических координатах: от .

Описание установки. Схема установки для определения термической инерции термопреобразователя приведена на рис.5. Нагрев осуществляется в трубчатой электропечи до температуры 150÷200^оС. В качестве термопреобразователей используются хромель-копелевые термопары (ХК) диаметром электродов 0,8 мм. Одна из термопар имеет открытый спай, другая помещена в металлическую тонкостенную гильзу (чехол).

Для измерения разности температур относительно окружающей среды используется дифференциальная схема включения термопар. В процессе остывания термопреобразователя, термо-ЭДС фиксируется электронным потенциометром РП-160 в виде кривой охлаждения на диаграммной ленте.

Рис.5. Схема экспериментальной установки

1- электропечь; 2 – испытуемая термопара с открытым спаем; 3 – переключатель термопар; 4 – электронный потенциометр РП-160; 5 – испытуемая термопара в чехле; 6 – термопара для измерения температуры среды.

Порядок проведения работы и обработка результатов.

1. Проверить правильность подключения всех элементов схемы.

2. Включить электропитание электропечи и электронного потенциометра РП-160.

3. Поместить один из термопреобразователей в печь и наблюдать повышение его температуры по шкале потенциометра.

4. После нагрева термопреобразователя в печи до температуры 150-200^оС включить тумблер протяжки диаграммной ленты потенциометра.

5. Извлечь термопреобразователь из печи, поместить его в гнездо металлической стойки и наблюдать за качеством записи охлаждения.

6. Выключить тумблер протяжки диаграммной ленты при достижении температуры 20-25^оС.

7. Аналогичную операцию проделать с другим термопреобразователем.

8. После окончания опытов извлечь диаграммную ленту и произвести замеры длин отрезков и в мм, пропорциональных соответствующим температурам. Схема замеров приведена на рис.6.

Рис.6. Кривая охлаждения термопреобразователя

Обработка полученных результатов измерений производится в следующей последовательности:

• определяется начальная избыточная температура термопреобразователя ^оС, где ,25 ^оС/мм – чувствительность измерительного регистрирующего канала; - длина отрезка на диаграммной ленте, мм;

• определяется расчетное значение избыточной температуры термопреобразователя, достигаемой по истечении промежутка времени, равного постоянной термической инерции , сначала в виде длины отрезка , а затем в виде ^оС;

• определяется отрезок по шкале времени охлаждения сначала в виде , а затем вычисляется значение постоянной термической инерции:

, мин,

где - скорость диаграммной ленты потенциометра, мм/час.

Значения всех измеренных параметров и все расчетные данные заносятся в таблицу 2, общую для двух исследуемых термопреобразователей:

• термопреобразователя в чехле (в защитной арматуре);

• термопреобразователя без чехла.

Таблица 2.

№	Тип термопреобразователя	Скорость протяжки , мм/ч	Начальная разность температур		Расчетная разность температур		Постоянная термической инерции
			, мм	, ^оС	, мм	,^оС	, мм	, мин
1	Термопара без чехла
2	Термопара в чехле

Значение относительной погрешности результатов косвенного измерения постоянной термической инерции определяется инструментальной составляющей, т.е. погрешностями измерений скорости диаграммной ленты, классом точности потенциометра, погрешностями линейных измерений кривой охлаждения:

(5)