Компенсационный метод измерения коэффициента теплового расширения проводящих и непроводящих жидкостей (1103426), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Модуляционные методыдают возможность проводить измерения к.т.р. с температурной ступенькойпорядка 0.1К и меньше.[2]Первое применение модуляционной дилатометрии было проведено на6проволочных образцах, которые нагревались переменным электрическимтоком. Регистрировалась амплитуда колебаний длины образца. Методымодуляционной дилатометрии применимы не только для проводящихобразцов.

В работе Поликарпова Ю.И., А.И. Слуцкера и др. [3] измерялсяк.т.р. полимеров. Температурные колебания непроводящего образцазадаются генератором температурных колебаний, состоящим из симметричнорасположенных двух элементов Пельтье. Рассмотренные модуляционныеметоды позволяют в основном проводить измерения коэффициент тепловогорасширения твердых тел. Для измерения к.т.р. проводящих жидкостейпримеров в модуляционной дилатометрии нет.Не модуляционный абсолютный метод измерения к.т.р.

при помощипоточной калориметрии, предложен французскими исследователями Пети иТер-Минасяном в 1974 г. [4] Сущность метода заключается в косвенномопределении коэффициента теплового расширения по значению тепловогопотока q, который исходит от ячейки, заполненной исследуемой жидкостью.При создании избыточного давления исследуемая жидкость сжимается. Припомощи дифференциальных термобатарей регистрируется изменениетемпературы. После выравнивания температуры производят сброс давленияи регистрируют протекающие тепловые процессы. Избыточное давлениесоставляет ~50МПа. К недостаткам такого метода необходимо отнестизначительный нагрев образца в процессе измерения, что исключаетобнаружение исследуемых аномалий к.т.р.Метод дифференциального гидростатического взвешиваниядляэкспериментального исследования к.т.р. жидкостей был разработан накафедре теплофизики МИФИ, затем модернизирован в Институтеметаллургии и материаловедения [5].

Метод основан на одновременномвзвешивании на аналитических весах двух одинаковых по объему и массепоплавков, подвешенных к весам на тонких нитях и находящихся вотдельных стаканах с исследуемой жидкостью. Весы выводят из положенияравновесия путем добавления на одну чашу весов груза. Равновесие весоввосстанавливают путем создания разности температур в стаканах сисследуемой жидкостью. При достижении равновесия по разноститемператур вычисляют температурный коэффициент объемного расширения,усредненный в интервале температур от Т0 до (Т1 + Т2)/2, где Т0 –температура опорной точки, в которой измеряется плотность исследуемойжидкости. Т1 и Т2 – температуры исследуемой жидкости в разных стаканах.Метод отличает высокая точность. Однако получение усредненных значенийк.т.р. и довольно большой размер минимальной температурной ступеньки(  Тмин=3К) ограничивают возможность использования метода при изучениианомального поведения жидкостей, проявляемого в узком интервалетемператур.Глава 2 посвящена описанию нового модуляционного метода измерениякоэффициента теплового расширения.

В первом параграфе приведеноописание метода измерения коэффициента теплового расширения7проводящих жидкостей [1]. Из термодинамики известно, что адиабатический1  Т  равенТ  Р  Sтермический коэффициент давленияотношению к.т.р. ктеплоемкости единицы объема. В режиме периодического воздействияпеременным давлением на образец при малых колебаниях температурыможем записать:1  Т Р ,Т  Р~  S СР  (1)где Т - температура образца, Т - амплитуда температурных колебаний,вызванных переменным давлением, P~ - амплитуда колебаний давления,  P коэффициент теплового расширения образца, СР - удельная теплоемкостьобразца,  - плотность.При нагреве образца путем пропускания через него периодическогоэлектрического тока, в условиях, близких к адиабатическим, теплоемкостьможно записать:СР W~,Tm(2)где W~ -амплитуда колебаний мощности переменного тока, Т - амплитудатемпературных колебаний, m –масса нагреваемого образца,  - круговаячастота колебаний мощности.Сущность нового метода заключается в том, что исследуемая проводящаяжидкость подвергается периодическому воздействию давления, при этомчерез образец пропускается электрический ток, мощность которого такжепериодически изменяется с частотой, равной частоте колебаний давления.Амплитуды и фазы действующих давления и мощности электрического токаподбираются так, чтобы амплитуда колебаний температуры исследуемойжидкости была равна нулю; тогда Т в (1) и (2) можно приравнять.

Послеэтого к.т.р.  p определяется по формуле:p W~,TVP~(3)где V- объем ячейки. Показано также, что влияние не идеальноадиабатических условий, в первом приближении, не вносит каких–либопоправок в расчетную формулу.В параграфе 2.2 показана возможность применения метода для измеренияк.т.р. для непроводящих жидкостей. Для измерения к.т.р. диэлектрическойжидкости необходимо применение вспомогательного проводящего образца.На жидкость воздействуют переменным давлением, а через проводящийобразец пропускают электрический ток. Если добиться равенстватемпературных откликов (в нашем случае, при помощи дифференциальнойтермопары) от барического и джоулева воздействий, то коэффициенттеплового расширения диэлектрической жидкости можно рассчитать поформуле: P1 W~C  P1 1 ,T1V2P~ C P 2  28(4)где индекс 1 – относится к жидкому образцу, 2 – к твердому проводящемуобразцу.

Надо отметить, что формула (4) соответствует формуле (3) сдополнительным множителемC P1 1. Таким образом, можно измерятьCP2  2коэффициент теплового расширения и диэлектрических жидкостей, есливоспользоваться справочными данными, и вычислить величинудополнительного множителяC P1  1. В разделе 2.3 обосновано необходимоеCP2  2условие корректного измерения коэффициента теплового расширения  p ,которое заключается в постоянстве отношенияW~при разных амплитудахP~воздействий в условиях компенсации температурных откликов длявыбранной температурной точки.В параграфе 2.4 обсуждаются вопросы, связанные с реализацией нового,компенсационного метода.- Требования к измерительной ячейке.- Регулировка воздействий на образец.- Согласование форм температурных откликов на образце.- Влияние прямой электрической наводки.- Требования к датчику температурных колебаний.В параграфе 2.5 представлена последовательность действий по реализациинового метода.Глава 3 посвящена описанию реализации нового модуляционного методаприменительно к измерению к.т.р.

диэлектрической жидкости. Первыйпараграф посвящен выбору образца. В качестве тестируемого вещества былавыбрана дистиллированная вода. К.т.р. воды в малом температурноминтервале, близком к комнатной температуре, претерпевает значительныеизменения. По теплофизическим свойствам воды существует многосправочных данных. В качестве вспомогательного образца был использованграфитовый стержень. Выбор обусловлен небольшой величиной тока,пропускаемого через образец, и достаточной для компенсации величинойтемпературного отклика.Установка для измерения коэффициента теплового расширениядиэлектрических жидкостей компенсационным методом описана в параграфе3.2 см. рис 1. Установка состоит из следующих блоков: измерительная ячейка,ячейка для регистрации переменной составляющей давления, генераторпериодическойсоставляющейдавления,генераторпеременногоэлектрического воздействия, измерительная цепь.

Ячейки имеют одинаковуюконструкцию. Цилиндрический корпус ячейки изготовлен из нержавеющейстали и разделен на две половины. Половинки стягиваются фланцами cпомощью трех шпилек. Королек термопары расположен в центре ячейки.Измерительная ячейка термостатирована. Генератор периодическойсоставляющей давления выполнен виде помпы, приводимой в движение9электродвигателем. Частота изменения давления в системе равна 2,27 Гц. Спомощью трассы и сильфонов, заполненных касторовым маслом, давлениепередается на ячейки.

Одна из ветвей трассы присоединена к манометру,111213100Рис. 1. Схема установки. 1-поршень, 2 -капилляр, 3-резервуар с маслом, 4шариковый клапан, 5,6- эксцентрик, 7- сильфон, 8-измерительная ячейка, 9ячейка для регистрации переменной составляющей давления, 10-графитовыйстержень, 11- вал редуктора с пластиковым диском, 12,13- светодиод,фотодиод.по которому можно судить о наличии изменения давления в системе.Система управления электрическим током показана на рис. 2, она состоит изнескольких узлов. Устройство формирования тактовых импульсов,представляет собой два диска, вращающихся синхронно с помпой.

Один издисков выполнен из прозрачного пластика, на который нанесенызакрашенные сектора, количество секторов 98. Второй диск выполнен изметалла и имеет щель вдоль окружности с угловым размером 1800. Припомощи пары светодиод - фотодиод формируются две последовательностипрямоугольных импульсов с частотой следования 1 и 98 импульсов на одниоборот диска. Устройство, формирующее модулирующий сигнал, состоит изЭВМ с встроенной измерительной аналого-цифровой платой L-305.

Тактовыепрямоугольные импульсы поступают на вход L-305; одна из10последовательностей является задающей, другая контрольной. Попоследовательностям на выходе устройства формируется периодическийсигнал заданной формы, который изменяется синхронно с колебаниямидавления в системе. При помощи ЭВМ происходит управление разностьюфаз между выходным сигналом и переменной составляющей давления.Программное обеспечение для работы с картой L-305 написано на языке«Turbo Pascal 7.0». Устройство формирования высокочастотногоРис. 2. Блок схема системы управления электрическим током сприменением широтно-импульсной модуляции. 1 - устройство формированиятактовых импульсов; 2,3 –устройство, формирующее модулирующийсигнал; 4 - генератор пилообразного напряжения; 5 – компаратор.управляющего сигнала с применением широтно-импульсной модуляциипредставляет собой генератор высокочастотного пилообразного напряжения,компаратор и усилитель.

Высокочастотный (5 кГц) сигнал от пилообразногогенератора поступает на один вход компаратора. На второй вход поступаетмодулирующий сигнал от ЭВМ. На выходе компаратора формируетсяпоследовательность прямоугольных импульсов, имеющих фиксированнуюамплитуду, при этом длительность импульсов меняется в соответствии сзаконом изменения амплитуды модулирующего сигнала. Такой способмодуляции сигнала называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).Далее сигнал поступает на усилитель мощности.

Характеристики

Список файлов диссертации