lab_raboty / Виртуалка / 17
.pdfРабота № 17
Определение теплопроводности газов методом нагретой нити.
17.1. Назначение
17.2. Состав
Оборудование и элементы системы изображены на схеме 17:
17.2.1. Труба (2) с коаксиально расположенной тонкостенной медной трубкой (5). Трубка (5) изолирована от цилиндра (2) кольцевыми пробками (3), которые одновременно герметизируют внутреннее пространство между стенками. По трубкам (13) и (14) через внутреннее пространство цилиндра циркулирует вода из термостата (10), задающая температуру трубки (5). Между шайбами (4) внутри медной трубки натянута тонкая вольфрамовая проволока (1).
Параметры: |
|
|
- диаметр проволоки (1) |
0,1 |
мм; |
- внутренний диаметр трубки (5) |
8 мм; |
|
- длина проволоки (1) |
0,5 |
м; |
17.2.2. Проволока (1) подключена к источнику постоянного тока (11) через эталонное сопротивление Rэт (6). Проволока и эталонное сопротивление образуют правое плечо
измерительного моста. Левое плечо моста образуют магазин сопротивлений (8) и нагрузочное сопротивление rн (7). Баланс моста контролируется гальванометром (9).
Параметры:
- величина |
Rэт |
2 ом; |
- величина |
rн |
20 ом. |
17.2.3.Термостат (10) обеспечивает подачу на вход теплоприемника воды с температурой, заданной на блоке управления (12). При изменении установки термостата время релаксации 5 мин.
17.2.4.Блок питания (11) обеспечивает питание схемы регулируемым постоянным напряжением. На табло блока питания отображается величина напряжения и сила тока.
Параметры:
- диапазон напряжений |
0÷50 В; |
- шаг установки напряжения |
0,1 В. |
- максимальный ток |
2 А |
17.3.Работа отдельных узлов
17.3.1.Расчеты при выполнении работы
Измерительный мост. Т.к. rн =10 Rэт , то при балансе моста сопротивление Rизм , установленное на магазине, будет в 10 раз больше сопротивления проволоки R . Ток IR , протекающий через правое плечо моста при балансе (т.е. через проволоку), связан с полным током IБП , потребляемым от источника питания, соотношением:
IR =1011 IБП
Мощность PR , выделяемую на проволоке находим из выражения:
P |
= R I 2 |
|
R |
10 |
I |
|
2 |
10 |
R |
I 2 |
||||
= |
изм |
|
|
|
|
= |
|
|
||||||
10 |
11 |
121 |
||||||||||||
R |
R |
|
|
|
БП |
|
изм |
БП |
Температура нити определяется как:
T =T |
+ |
R −R0 |
, α = 4,6 10−3 |
Ом |
окр |
|
α |
|
град |
|
|
|
Среднеинтегральный коэффициент теплопроводности λср находится по формуле:
|
|
|
|
1 |
|
D |
|
P |
|
|
1 |
|
|
λ |
|
(T |
)= |
|
ln |
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
2 π |
|
|
T −T |
|||||||||
|
ср |
m |
|
|
d |
|
L |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
окр |
|
где Tm - среднеарифметическая температура, |
Tm = |
|
T +Tокр |
||||||||||
|
|
2 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
17.3.2. Расчет величин при отображении.
Фактические номиналы величин следующие:
R0 = R(T = 0oC)=3,5 Ом - сопротивление проволоки при 0°С; R(T )= R0 [1+α T ] - сопротивление при T °С (!);
Rэт =35 ом
Коэффициент |
λср в диапазоне температур 0÷300 °С с погрешностью не более 2% |
||||||||
можно рассчитать как: |
|
|
273 0,86 |
|
|||||
|
|
|
T |
+T |
+2 |
|
|||
|
|
|
R |
окр |
|
|
|
||
|
|
|
λср (Tm )= 0,0244 |
|
|
|
|
|
, Вт/м |
|
|
|
|
2 273 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
где: TR - температура проволоки в °С; |
|
|
|
|
|
||||
Tокр - температура термостата в °С. |
|
|
|
|
|
||||
T = |
TR +Tокр |
|
- среднеарифметическая температура (температура приведения). |
||||||
|
|||||||||
m |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В связи с тем, что при изменении температуры TR |
меняется R и λср , а также PR , что |
приводит в свою очередь к изменению TR , прямой расчет величин невозможен. Расчет проводится методом последовательных приближений по следующей схеме:
1)Задаем температуру проволоки T n : при первом проходе принимаем ее равной Tокр , при следующих проходах T n+1 →T n .
2) |
По T n вычисляем R(T ), IR , PR , λср (T =T n ). |
3)Вычисляем T n+1 :
|
+ |
|
|
P |
|
D |
||||||
|
|
|
T n 1 |
=T |
+ |
R |
|
ln |
|
|
||
|
2 π λср |
(T n ) L |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
окр |
|
d |
||||
4) |
Если |
|
T n+1 −T n |
|
< 0.1 °С, то расчет прекращаем, иначе - переходим на п.1). |
|||||||
|
|
5)На табло БП сила тока: IБП =1011 IR
17.3.4. Отклонение стрелки гальванометра определяем по следующему правилу: Полному отклонению стрелки от положения "0" соответствует разбаланс моста на 8 младших разрядов магазина сопротивлений. Если сопротивление магазина меньше чем R , то стрелка отклоняется влево, если больше чем R , то вправо.
17.4.Ошибки.
17.4.1.Если термостат не включен в режим нагрева и циркуляции, то установившуюся температуру теплоприемника считаем равной 20 °С. Время установления при полностью выключенном термостате для теплоприемника - 5 мин. Если включена циркуляция, то время установления - 15 мин. В данной работе температура теплоприемника отдельно не измеряется и считается равной температуре, установленной на блоке управления термостатом. Поэтому при выключенном термостате студент не знает температуру, которую имеет теплоприемник.
17.4.2.Если установка термостата меньше 20 °С, то температура теплоприемника будет
20 °С.
17.5.Начальные параметры
17.5.1.В данной работе нет параметров, задаваемых Преподавателем.
17.5.2.Начальные параметры по умолчанию:
- температура |
20 |
°С. |
- БП выключен |
|
|
- напряжение (при включении БП) |
0 В |
|
- термостат нагрев ВЫКЛ |
|
|
- термостат циркуляция ВЫКЛ |
|
°С |
- термостат установка |
20 |
- магазин сопротивлений - все разряды в произвольном положении.
17.6.Цветовые и визуальные эффекты
17.6.1.Цвет проволоки меняется по шкале температура-цвет:
17.6.2.Если включена циркуляция, то крыльчатка термостата должна вращаться. Если включен нагрев, то ТЭН термостата должен окрашиваться в красный цвет, иначе - в серый.
17.6.3.Если проводятся попытки балансировки моста до установления температуры, то стрелка гальванометра должна "уходить" от положения равновесия.
17.7."ЖУРНАЛ"
17.7.1.Временной интервал записи:
-немедленно при: изменении напряжения, изменении установки термостата, переключения магазина сопротивлений.
-иначе через 10 сек.
17.7.2.Данные строки "таблицы параметров":
1)время
2)БП ( вкл / выкл )
3)термостат нагрев
4)термостат циркуляция
5)термостат установка
6)БП напряжение
7)магазин сопротивлений - число ХХ.Х
8)показания гальванометра в делениях шкалы
9)температура проволоки
10)средняя температура
Схема 17.