Изучение термодинамических свойств жидких щелочных металлов модуляционными методами, страница 3

При использовании более высоких частотнеобходимо вносить значительную поправку, учитывающую затуханиетемпературной волны в оболочке термодатчика.Согласно формуле (6) определение КТР сводится к измерениюамплитуды колебаний давления и амплитуды колебаний мощностиэлектрического тока, протекающего через образец. Одна из проблем,возникших при практическом осуществлении метода, связана с тем, чтоиспользуемый генератор переменной составляющей давления не позволялобеспечить чисто гармоническую форму колебаний давления в системе.16Соответственно температурный отклик среды помимо основного тонасодержит гармоники. Поэтому регистрация температурных колебанийпроизводилась двумя способами. Первый способ, названный суррогатнойкомпенсацией, состоял в том, что сначала строилась зависимостьамплитуды температурных колебаний от амплитуды колебаний давления,затем строилась аналогичная зависимость от амплитуды колебанийэлектрического тока. В формулу (6) подставлялись такие значенияамплитуд колебаний давления и мощности, которым отвечали одинаковыезначения амплитуд температурных колебаний.

Достоинством суррогатнойкомпенсации является то, что при таком способе измерения оперируюттолько гармоническими сигналами. Недостатком является то, чтопроцедура сравнения температурных откликов осуществляется в виде двухпоследовательных во времени, а не одновременных операций. Поэтомуследующий этап в освоении метода был направлен на реализациюнормальной компенсации, при которой два модуляционных воздействия наобразец осуществляются одновременно. Для этого была создана такаяформа модуляции мощности электрического тока, которая обеспечивалатемпературный отклик, совпадающий по форме с тем, который вызванколебаниями давления, но противоположен по знаку.

Для определенияКТРизмерялисьамплитудыколебанийдавленияимощностиэлектрического тока на основном тоне, т.е. на частоте 2.3 Гц. Спектры всехсигналов определялись методом фурье-анализа в программной средеLabVIEW. Анализ температурного отклика показал, что компенсация попервой гармонике составляет в среднем 80%. Также надо отметить, чтогармонический анализ сигналов производился после измерений, т.е. последостижения компенсации температурных откликов сложной формы,которые по спектральному составу были близки, но в точности несовпадали.ИзмерениеКТРпервымспособомосуществлялосьспогрешностью 11%, вторым способом – 7%. Как один из резервовувеличения точности измерений КТР рассматриваетсяпереход на17автоматическуюкомпенсациютемпературныхоткликов,которуюдопускает среда программирования LabVIEW.

Модельные экспериментыпоказаливозможностьавтоматическогоформированиясигнала,совпадающего с заданным.В пятой главе описан новый вариант определения КТР. Основой длянего послужили дополнительные возможности, имеющиеся в программнойсреде LabVIEW. В этой среде была создана программа, позволяющаяосуществлять гармонический анализ сигналов непосредственно в процессеизмерения.

Регистрируемые сигналы (колебания давления, мощности токаи температуры образца) оцифровывались с помощью 4-канальноговысокоскоростного АЦП марки NI USB-9215. С помощью специальногомодуля,использующегоблокRealFFT,производилисьФурье-преобразования сигналов в режиме реального времени, что позволилопроводить компенсацию только по первой гармонике. Кроме того,благодаря возможностям LabVIEW, расчет КТР по первым гармоникамсигналов непосредственно в процессе измерений позволил существенноувеличить точность получаемых в реальном времени данных.

При помощиописанной программы удалось достичь компенсации температурногоотклика 96%. В качестве образца для испытания улучшенного вариантаметодики был выбран цезий. На данном этапе работы не ставилась задачаполучения абсолютных значений КТР и существенного расширениятемпературного диапазона измерений. Результаты измерений КТР цезия вотносительных единицах представлены на рис. 3. Рисунок изображаетнесколько серий измерений в температурном диапазоне от комнатных до200ºС (кружки), а также результаты по КТР, полученные из справочныхданных по плотности [6] (квадраты), [7] (треугольники).

Стандартноеотклонениеэкспериментальныхсоставляющего 0.99, равно 5.3%.точекотсреднегозначения,18Рис. 3. Температурная зависимость КТР цезияОписанная выше установка позволяет определять в относительныхвеличинах АТКД и теплоемкости раздельно. На Рис. 4, 5 представленыполученные температурные зависимости  и c p для того же образцажидкого цезия, для которого получена температурная зависимость КТР.СлабаятемпературнаязависимостьКТРявляетсярезультатомкомпенсации сильно выраженных температурных зависимостей АТКД итеплоемкости, имеющих противоположные знаки угла наклона.Рис.4.

Температурная зависимость АТКД Рис.5.цезияТемпературнаязависимостьтеплоемкости цезияКак было сказано, одной из трудностей на пути достижения высокойточностиизмеренийКТРявляетсяналичиезначительногочисла19гармонических составляющих в форме колебаний давления, создаваемойгенератором периодической составляющей давления. Поэтому с цельюдальнейшего увеличения точности была разработана и опробована новаяоригинальная конструкция генератора периодической составляющейдавления с малым содержанием гармоник. Генератор новой конструкцииобеспечиваетвозможностьсозданияколебанийдавленияпочтисинусоидальной формы.

Амплитуда второй гармоники составляет 5-7% отосновного тона. Это выгодно отличает новую конструкцию от прежней,поскольку колебания давления в прежнем генераторе были богатыгармониками. Амплитуда второй гармоники составляла 60% от основноготона, третья гармоника – 30% от первой. Замена генератора периодическойсоставляющейдавленияпотребоваласозданияпрактическиновойустановки. На первом этапе испытания установки удобно было провестиизмерения АТКД, взяв в качестве образца дистиллированную воду по двумпричинам. Во-первых, в области температур от комнатной и выше КТРводыизменяетсядовольносильно.Во-вторых,измеренияАТКДопределяют КТР, если учесть, что теплоемкость воды при этихтемпературах практически не изменяется. Поэтому результаты можносравнить с надежными литературными данными. Выполнены измеренияАТКД дистиллированной воды в температурном интервале от 290К до350К. Эти результаты были сопоставлены с КТР воды, полученными изтабличных данных по температурной зависимости плотности [8].Сравнение данных, нормированных к значению КТР при температуре320К, показало, что результаты согласуются в пределах 2.5%, то есть впределах экспериментальной погрешности.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ1.С помощью численного моделирования, основные параметрыкоторого согласованы с данными эксперимента, выполненногометодом периодического нагрева, впервые определены значения20температуропроводности и теплоемкости цезия в закритическойобласти.2.На основе найденного точного аналитического (проверенногочисленным)решениятепловойзадачисозданавозможностьполучения более достоверных данных в измерениях АТКД итеплоемкости жидких металлов.3.В плане разработки метода измерения КТР жидких металлов сприменением двойной модуляции создана методика раздельнойрегистрации температурных откликов на колебания давления имощностиэл.токасвыделениемосновнойгармоническойсоставляющей у всех сигналов (суррогатная компенсация).

Спомощью этой методики впервые осуществлены прямые измеренияКТР K-Na смеси эвтектического состава. Это дало подтверждениетого, что разрабатываемый метод может быть использован какабсолютный.4.Разработана методика синтеза формы модуляционного воздействияэлектрического тока, которая обеспечила температурный отклик,максимальноотклику,приближающийсявызываемомупоформемодуляциейктемпературномудавления(нормальнаякомпенсация). Достигнута степень компенсации 90%.

Погрешностьизмерений составила 7%.5.Создана программа, позволяющая автоматически создавать сигнал,совпадающий с заданным сигналом произвольной формы. Этапрограмма является основой для обеспечения такой формыколебаний мощности эл. тока, при которой температурный откликтермодатчика будет полностью повторять температурный отклик наколебания давления, что позволит осуществлять автоматическуюкомпенсациюизмерений.температурныхоткликовиподнятьточность216.В целях повышения точности в среде LabVIEW создана программа,позволяющая в реальном времени выполнять Фурье-анализ всехсигналов. Это позволило осуществлять компенсацию только попервой гармонике температурного отклика непосредственно впроцессе эксперимента (нормальная компенсация).

С помощью этойметодики проведены прямые измерения КТР цезия в температурномдиапазоне 320-480 К с погрешностью 5%. Полученная слабаятемпературная зависимость КТР цезия является подтверждениемдостоверности получаемых результатов. Установлено, что методдемонстрирует высокую чувствительность к примесям.7.Введениевустановкуновогогенераторапериодическойсоставляющей давления с близкой к синусоидальной формойколебаний позволило уменьшить экспериментальную погрешностьизмерения АТКД до 2.5%, что дает возможность рассчитывать вперспективе на увеличение точности измерений КТР.Цитируемая литература1. Благонравов Л.А.

Изобарная теплоемкость легкокипящих металлов вобласти высоких температур и давлений // Теплофизика высокихтемператур. 1993. Т. 31. № 3. С.476-497.2. F. Hensel, S. Jungst, B. Knuth, H. Uchtmann, M. Yao Dielectric and pVTproperties of metals in the critical region //Physica. 1986.