Лабораторна робота №4. Виготовлення та визначення постійної часу трьохелектродної термопари

ВИГОТОВЛЕННЯ ТА ВИЗНАЧЕННЯ ПОСТІЙНОЇ ЧАСУ ТРЬОХЕЛЕКТРОДНОЇ ТЕРМОПАРИ

Мета роботи: вивчити особливості виготовлення термопар, набути навичок зварювання спаю термопари та приварювання термоелектронного дроту до металевої поверхні, експериментально визначити постійну часу термопари.

Теоретична підготовка

Вивчити по літературі методи отримання та вимірювання високих температур, методи нагрівання в дослідних установках та інформацію про термопари, які використовуються при вимірюванні високих температур.

Теоретичні поняття

Експериментальне дослідження тепловіддачі пов’язано з визначенням температури тепловіддаючої поверхні. Ступінь досконалості вимірювання температури стінки за допомогою термопари визначається як точністю приладу, так і правильним та точним встановленням термопари. При великих теплових потоках градієнти температур в теплопередаючих стінках (особливо при незначних коефіцієнтах теплопровідності) великі. Різниця температур на товщині, рівній діаметру спаю термопари може бути порівняна із різницею температур стінка-рідина. Тому потрібна велика точність вимірювання товщини стінки, де встановлена термопара. Наприклад, при щільності теплового потоку 10⁶ Вт/м² в стінці із нержавіючої сталі на одному міліметрі товщини різниця температур складає приблизно 50 ºС. Встановлена в твердому тілі термопара, а також термопарний паз, виявляються сторонніми предметами, які викривлюють температурне поле. Тому потрібно прагнути, щоб термопара не викликала помітних викривлень температурного поля в місці встановлення. Термоелектроди на деякій довжині потрібно укладати по ізотермічній поверхні для зменшення передачі тепла через них, а також забезпечити надійний контакт гарячого спаю термопари зі стінкою, температура якої вимірюється, особливо в умовах нестаціонарного теплообміну. При вимірюванні температури поверхні стінки, що обігрівається електричним струмом, потрібно враховувати, що при безпосередньому закріпленні спаю на поверхні нагріву, постійний струм викликає шагову напругу, яка може значно змінити вимірювану термо-ЕРС. Наприклад, при довжині експериментальної трубки l=100 мм і напрузі на клемах 5 В (див. рис. 4.1) при розмірах контакту гарячого спаю термопари з поверхнею нагріву 0,2 мм шагова напруга дорівнює 10 мВ. Для хромель-алюмелевих термопар така величина ЕРс дорівнює 250 ºС. в залежності від полярності контактів шагова напруга може додаватися або відніматися від ЕРС термопари, що збільшить або зменшить показання приладу.

Рисунок 4.1 – Електроконтактний обігрів робочої ділянки

Щоб позбутися шагової напруги, застосовують трьохелектродну термопару (див. рис. 4.2). В трьохелектродній термопарі гарячий спай утворюють три термоелектроди: середній – із одного матеріалу, а два крайні – з іншого. Крайні термоелектроди включені по схемі вимірювального моста, який складається з електричних опорів частин трубки, які знаходяться між електродами, та змінного опору потенціометра. Останній потрібен для вирівнювання потенціалу цієї мережі до рівня напруги в місці середнього термоелектроду.

Рисунок 4.2 – Трьохелектродна термопара

Трьохелектродну термопару застосовують при дослідженні нестаціонарних процесів. Вимірювання температури поверхні в умовах нестаціонарного теплообміну складне завдання. Методика розрахунку змінної температури по показанням термопари відсутня. В першому наближенні зміну температури поверхні теплообміну внаслідок погіршення теплообміну вважають стрибкоподібною. В цьому випадку реакція термопари характеризується зміною температури по експоненті, а інертність системи – сталою часу. Зміна температури з часом в регулярній фазі процесу пов’язана зі сталою часу рівнянням:

де Тс – температура середовища після стрибкоподібної зміни;

Т – температура перетворювача;

τ - час;

τ_п – початок регулярної фази.

ε – стала часу.

Стала часу залежить від геометричних, теплофізичних параметрів перетворювача ат умов теплообміну на поверхні:

де С – теплоємність перетворювача;

α – коефіцієнт тепловіддачі;

- безрозмірна функція числа Біо, яка характеризує нерівномірність температурного поля перетворювача;

F – площа поверхні перетворювача.

Сталу часу перетворювача визначають експериментально. Для імітування стрибкоподібної зміни температури перетворювач переносять із середовища з однією температурою в середовище з іншою температурою. В цьому випадку