Диссертация (Теплофизические свойства органических жидкостей), страница 7

Выходной транзистор Т4 работает в режимеэмитерного повторителя. Мощность можно регулировать изменяя сопротивлениенагрузки транзистора Т4. Одним из свойств данной схемы является относительнаянезависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки. Выходноесопротивление эмитерного повторителя:Rвых 1,S(2.21)где S – крутизна характеристики транзистора.В нашем случае с выходного каскада генератора импульсы напряженияподаются на мостовую схему, рисунок 9, где R1, R2, R3, R4 – переменныесопротивления, состоящие из декад сопротивлений с номиналами 0,01Ом; 0,1 Ом;1,0 Ом; 10,0 Ом, а также сопротивлений измерительного и компенсационногодатчиков.Рисунок 9. Мостовая схема41С точек, А и Б диагоналей моста импульсы подаются на входыоперационного усилителя, включённого по схеме дифференциального усилителя.Операционный усилитель относится к малошумящим прецизионным приборам, снапряжением смещения в пределах 100 мВ.

Сигнал Uo на нагрузке Rnоперационного усилителя равен:U o  U 2  U1 Манипуляциис сопротивлениямиRF.R1(2.22)R1, R2, R3, R4 позволяют добитьсябаланса моста.Сигнал на выходе операционного усилителя равен нулю, при этомизмерения показывают, что величина разбалансировки имеет значение равноепримерно ~ 2 мВ. Учитывая, что коэффициент усиленияусилителяоперационногоравен в нашем случае 20, следовательно, имеем величинуразбалансировки равную приблизительно ~ 0,2 мВ. Эту величину можно отнестик систематической погрешности экспериментальных измерений [18,42].Необходимо отметить, что при проведении экспериментов представляетсяцелесообразнымпериодическоетестированиесхемыизмерения.Притестировании на оба входа операционного усилителя, подаются одинаковыесигналы [45].Внекоторыхзадачахнеобходимоиспользоватьбольшиемощностиимпульсов – до 200 Вт, что предъявляет дополнительные требования к элементаммоста, такие как:- малая величина минимального шага переменного сопротивления;- большой диапазон варьирования (5 ÷ 1000 Ом);- малая величина температурных изменений их резистивных элементов и,соответственно, их малый температурный коэффициент сопротивления;- стабильность сопротивлений контактов.Данные требования трудно достижимы при использовании стандартныхпотенциометров, поэтому нами были разработаны магазины сопротивлений,работающиесовместносвышеописаннымгенераторомизмерительных42импульсов.

При этом каждое индивидуальное сопротивление набиралось из пятидекад (100, 10, 1, 10–1, 10–2Ом), где первые три декады выполнялись изсопротивлений МТ, а декады с малым шагом были изготовлены из проволокиспециального сплава.Одной из важнейших составных частей генератора является источникпитания,обеспечивающийстабильностьнапряженияиявляющийсямалошумящим.Отметим, что для регистрации сигналов с термодатчиков использовалсяэлектронно – цифровой осциллограф DPO 3014 американской фирмы «Tektronix».Необходимо сказать, что запуск осциллографа, который работает в режимеждущей развертки, синхронизировался с моментом подачи импульса, и опережалегона0,15мкс.Регистрациясигналовосуществляласьвизуально,припериодической подаче импульсов, на цветном жидкокристаллическом дисплееосциллографа.2.5.

Порядок проведения исследованийЭкспериментальная методика измерений реализовывалась в варианте «нульметода». Суть методики заключается в использовании мостовой схемы, в плечикоторой включали два датчика с близкими характеристиками. Один датчик(компенсационный) находился в толуоле, второй – в исследуемой жидкости. Припериодической подаче на мост одиночных прямоугольных импульсов напряжениярезестивный элемент (РЭ) кратковременно нагревался.

При этом, с помощьюбалансных сопротивлений подбирался такой режим токов в ветвях моста, прикотором, несмотря на нагрев РЭ, напряжение (сигнал) на диагонали мостаравнялся нулю [39,46].Преимущество такой методики заключается в том, что используемый длярегистрации сигнала осциллограф, используются в качестве индикатора сигнала,аизмеряемымисопротивления.параметрамиприотносительныхизмеренияхявляются43Перед началом исследований измерительный и компенсационный зондывводятся в контакт с эталонной жидкостью, на них подается периодическаяпоследовательность измерительных прямоугольных импульсов, частота которыхвыбирается из условий наибольшего удобства визуального наблюдения сигналана экране осциллографаDPO 3014.

В паузе между импульсами, когдапроисходит практически полное исчезновение возникшего температурного поля,осуществляется компенсация переменного сигнала и баланс мостовой схемы. Вэтот момент регистрируется значение сопротивления, которое мы обозначим, какR1 (эт).После этого измерительный зонд приводится в соприкосновение сисследуемым жидким раствором, подаётся сигнал определённой частоты, приэтом регистрируется сопротивление R1. Далее изменяются условия в сосуде, гденаходится измерительный зонд. Для изучения влияния температуры натеплофизические характеристики, изменяется температура. При исследованиимногокомпонентных систем зонд помещается в соответствующую жидкость,температура которой была постоянна и равна 20 ºС.Отметим, что условия в плече компенсационного зонда и сосуде, в которыйон был помещён, оставались неизменными, в течение всего времени проведенияэксперимента. Так, сосуд был термостатирован при 0 ºC, а зонд при этомнаходился в трансформаторном масле или толуоле.Необходимосказать,чтодлительностьизмерительныхимпульсов,составляла порядка 40 мс, а частота их следования 1 Гц.

Подобный выбор былобусловлен тем, чтобы в паузе между импульсами происходила полнаядиссипация выделившегося на измерительном элементе тепла.Необходимоотметить,чтодляполучениятребуемогодиапазонатемператур, в эксперименте были использованы два разных подхода, а именно:при получении низких температур применялся лёд с солью, из расчёта тридцатькилограмм соли на сто килограмм льда, а так же смесь снега с солью, из расчётадвадцать три процента соли по отношению к общей массе смеси.

Впредставленной работе для получения высоких температур был использован44термостат мощностью 1,3 кВт производства Германии, фирмы Medingen/Dresden, с абсолютной погрешностью 0,1 ºC.2.6. Погрешности теплофизических измеренийПогрешность проводимых нами экспериментальных исследований можноусловно разделить на погрешности, связанные с методикой проведенияисследований–методическаяпогрешность,погрешностьюприборов,используемых для регистрации измеряемых величин – приборная погрешность, атак же измерительных зондов – инструментальная погрешность.Отметим, что основным элементом, нашего исследования, являетсяэлектрическая компенсационная схема, которая используется в комбинации сразличными датчиками.2.6.1.

Погрешности, вносимые измерительными датчикамиВ погрешность измерений теплофизических характеристик веществ, влияютпогрешности связанные с характеристиками датчика. Условно мы выделимнекоторые на наш взгляд погрешности:- влияние собственной теплоёмкости;- учёт мерности применяемой теории;- влияние нелинейности измерительной схемы;-непостоянство теплового потока;-нелинейнаязависимостьомическогосопротивлениядатчикаоттемпературы.Рассмотрение начнём с влияния тепловых характеристик измерительногоэлемента.1) Влияние собственной теплоёмкости:– влияние собственной теплоёмкости проявляется в наличии двухсоставляющих температуры: переменной и постоянной. Так влияние переменнойсоставляющей на регистрируемый электрический сигнал может быть оценено спомощью следующего соотношения:45 2 2  2μ - lδu   i 3  iu ai t 2 2 2  μ R -  lk 3 ,-ak t(2.23)где индексами «i» и «k» обозначены, соответственно, измерительный икомпенсационный датчики.Тогда, как влияние постоянной составляющей – на практике она составляетдесятые доли градуса, при использовании компенсационной составляющейфактически несущественно.2) Учёт мерности применяемой теории:– относительную погрешность в компенсации можно оценить при помощиследующего соотношения:   ,1δuu1F0 2 - F0 2ikπ(2.24)где F0 – это специальная функция, определяющая вклад излучения втеплофизические параметры [47].3) Влияние нелинейности измерительной схемы:– из (2.8) видно, что условие компенсации линейных членов разложения(2.9) с условием компенсации всех последующих совпадает.

Отсюда следует, чтонелинейность мостовой измерительной схемы погрешности в компенсации недаёт.4) Непостоянство теплового потока: R0i  R1    q0 необходимо отметить, что при  R  0  ,  q   0 – это, для случая 3  0 iкомпенсационного датчика, а в общем случае,Действительно: q0≠ 0.q0  q0 R2  R4  R0 k  R0 k  q0  R R2  R4  R0 k R0 kПоскольку имеем R0k + R2 = R4 , тогда соответственно:46  q0 2 R2 Rk.  q0 k R0 k  R4  R2 R0 k(2.25)Следовательно, на резистивную дорожку измерительного датчика впроцессе измерения воздействует постоянный тепловой поток, в то же время длякомпенсационного датчика переменный тепловой поток, имеет следующий вид:q  q0  k1Rk (t ).(2.26)Поэтому в нашем случае q можно представить в виде:q  q0  kt1/2 ,(2.27)где температура компенсационного датчика изменяется по закону:  kt 12 1 T  1   2   4 q0  .2q0t12(2.28)Относительная величина «раскомпенсации» обусловленная непостоянствомтеплового потока на компенсационном датчике, соответственно, равна:1 u  kt 2   q0.u 4 q04 q0(2.29)Используя (2.25) запишем (2.29)в виде: Rk 2 R2R2u  k T k .u 4 R0 k  R2  R4 R0 k 2 R0 k  R2  R4(2.30)Отсюда видно, что величина погрешности зависит от степени перегревадатчика (Т)к.5) Влияние нелинейности зависимости омического сопротивления датчикаот температуры:если предположить, что зависимость приращения датчика от температуры имеетвид (2.30), то в этом случае условие компенсации приобретает следующий вид: i R0i T0 i   i R0i T02 iR1 k R0 k T0 k   k R0 k T02 kR2А для случая (T0)i = k (T0)k (2.31) можно будет записать:.(2.31)472k i R0i k i R0i T0 i k k R0 k  k R0 k T0 k.R1R2R1R2(2.32)Тогда для осуществления компенсации к записанным выше условиям (2.8),(2.10) необходимо добавить также:k i R0i  k R0 k.R1R2(2.33)Отсюда можно легко заметить, что условия (2.10) и (2.33) не могутудовлетворяться одновременно, а последнее возможно лишь для тривиальногослучая: k =1.

αi = αk, βi = βk, то есть, в случае, когда имеется полная идентичностьдатчиков – измерительного и компенсационного. Поэтому в общем случаеотклонение от линейности зависимости R(T0) сильно затрудняет осуществлениекомпенсации.Погрешности, которые были рассмотрены нами выше, относятся к нагревуизмерительного датчика – зонда,Для уменьшения погрешности в своих экспериментах мы применялиусовершенствованную компенсационную схему, которая позволяла осуществлятьрегистрацию разностного сигнала с двух датчиков – компенсационного Rk иизмерительногоRi.Данныйметод,существеннымобразом,уменьшалрезультирующую погрешность проводимых измерений.2.6.2.