Компенсационный метод измерения коэффициента теплового расширения проводящих и непроводящих жидкостей (1103426), страница 3
Текст из файла (страница 3)
При использовании ШИМмощность электрического тока, протекающего через ячейку, изменяется погармоническому закону с частотой 2,27 Гц. При этом прямая электрическаянаводка на термопаре имеет частоту 5кГц, что позволяет легко отделить её отизмеряемого сигнала. Сигнал с усилителя подается на вспомогательныйобразец.Измерение мощности электрического тока, пропускаемого через стержень,производилось при помощи интегратора. Аналитический расчет мощности впараграфе 3.3 показал, что при использовании ШИМ модуляция квадрататока происходит на частоте модуляционного сигнала и не имеет болеевысоких гармоник.
При расчете использовались свойства функцииХевисайда. Измерительная цепь включает в себя селективный нановольтметр“УНИПАН 233B” с предусилителем и трансформатором, микровольтметрЩ68003, и фильтр постоянной составляющей.В параграфе 3.4 приведены результаты апробации установки иотносительные температурные измерения P дистиллированной воды.Рассмотрен способ изменения амплитуды колебаний давления. Изменениедавления производилось путем замены отводящей масло трубки в генераторе11давления на аналогичные трубки другой длины. Также рассмотренополучение температурного сигнала от графитового стержня при воздействииэлектрическим током. Амплитуда колебаний мощности электрического токапри использовании широтно-импульсной модуляции определяется поформуле:UW~ RR2 T1 ,(5)здесь R - сопротивление стержня, UR - амплитуда падения напряжения настержне, - амплитуда колебаний положения заднего фронтапрямоугольных импульсов, T1 - период.
Согласно формуле (5) мощностьэлектрического тока, а, следовательно, и температурный откликтермодатчика, помещенного на сопротивлении R, пропорциональны квадратупадения напряжения UR. С другой стороны, температурный откликтермодатчика должен быть пропорционален в первой степени.Полученные зависимости температурного отклика от UR и согласуются сожидаемыми. Приведена оценка удельной теплоемкости графитовогостержня СР при применении амплитудной модуляции электрического тока иширотно-импульсной модуляции. В обоих случаях наблюдалась линейнаязависимость откликов от колебаний мощности. Величины теплоёмкостей,рассчитанных для обоих случаев, соответственно равны СР1=21,38 ,СР2=31,69 Дж/моль•град. Более низкое значение теплоёмкости СР1объясняется тем, что измеренный сигнал с термопары при амплитудномвоздействии имеет две составляющих: отклик с термопары иэлектромагнитную наводку.
Таким образом, температурный отклик,используемый при расчёте в формуле CP W~, имеет завышенноеTmзначение. При модуляции мощности вторым способом этого не происходит,так как электромагнитная наводка имеет частоту, гораздо более высокую,чем частота измеряемого сигнала и легко отфильтровывается.Произведена апробация установки с целью проверки на предметвыполнения необходимого условия измерения к.т.р. Необходимым условиемкорректного измерения коэффициента теплового расширения являетсяпостоянство отношения W~ / P~ при различных значениях амплитудыколебаний давления Р~ и при условии равенства температурных откликов(W~ -амплитуда колебаний мощности электрического тока). Графикзависимости нормированного отношения P~ /W~ от давления приведен нарис.
3. Как видно из графика, постоянство отношения P~ /W~ выполняется.Максимальное отклонение от единицы составило 6%. Т.о. необходимоеусловие измерений к.т.р. на установке выполняется.Проведенытемпературныеизмерениякоэффициентатепловогорасширения дистиллированной воды в интервале температур 20-45 0С. Приизучении температурной зависимости P воды измерялись все величины,которые, так или иначе, зависят от температуры исследуемого образца.12дистиллированная вода0,80(P~/ W~)/(P ~/ W ~)1,000,60,40,20,00,120,140,160,18Амплитуда колебаний давления Р (МПа)Рис. 3. График зависимости нормированного отношения P~ /W~ отдавления.На Рис.4 построена в относительных единицах зависимостьтемпературыкоэффициентатепловогорасширенияводыдвадцатиградусном интервале.
Данные отнесены к значению к.т.р.отв2,2насыщенные пары [7]10 атм [7]5 атм [7]7 атм [7][6]Наши эксп. данные.2,00P(t) / P(20 C)1,81,61,41,21,00,818202224262830323436384042440t ( С)Рис. 4. Температурная зависимость коэффициента теплового расширениядистиллированной воды.при температуре 200 C. На том же рисунке нанесены данные, приведенные вмонографии Зацепиной Г.Н. [6], и данные Вагнера В.
[7]. Примерно до 37градусов наблюдается удовлетворительное согласие с рекомендованнымиданными из монографии Зацепиной Г.Н. Начиная с 37 градусовэкспериментальные данные приближаются к значениям к.т.р. определяемыхиз данных по плотности воды, приведенных в работе Вагнера В., где13плотность воды определялась на линии насыщения, и на изобарах при 5, 7 и10 атмосферах. Представленные экспериментальные данные получены путемпрямого определения к.т.р. в отличие от значений к.т.р., полученных изданных по плотности воды в указанных выше работах. Удовлетворительноесогласие полученных данных с рассчитанными значениями указывает навозможность измерения данным методом к.т.р. диэлектрических жидкостей.В параграфе 3.5 приведен анализ погрешности измерения к.т.р.
Показано, чтоодним из ключевых факторов, влияющих на точность измерений, являетсякачество компенсации температурных откликов. В параграфе 3.6 приведенывыводы к главе.В главе 4 описано применение модуляционного метода в измерениикоэффициента теплового расширения проводящих (металлических)жидкостей.
В качестве образцов были выбраны калий-натриевая эвтектика ицезий, параграф 4.1.В параграфе 4.2 описывается оригинальная ячейка, используемая дляизмерения коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей, см.рис. 5. Ячейка была использована сначала в измерениях к.т.р. калий натриевой смеси, а затем в аналогичных измерениях, выполненных на цезии.к сильфонуПружиныФланцыКерамическаятрубкаШпилькиТермопараИзоляторРис. 5. Ячейка для измерения коэффициента теплового расширенияпроводящих жидкостей.Ячейка состоит из корундовой трубки, имеющей внутренний диаметр 6 мм,внешний диаметр 20 мм и длину 150 мм, и двух заглушек из нержавеющейстали. Заглушки имеют сквозные отверстия.
Отверстие в нижней заглушкеиспользуется для ввода внутрь ячейки хромель - копелевой термопары,заключенной в оболочку из нержавеющей стали; при этом термопараизолирована от оболочки с помощью пасты из окиси алюминия с жидким14стеклом. К верхней заглушке присоединен стальной капилляр, ведущий ксильфоной камере. После герметизации системы пространство внутри ячейкиот нижней заглушки до сильфона заполнено исследуемым жидким металлом.В параграфе 4.3 описывается установка для измерения коэффициентатеплового расширения p проводящих жидкостей компенсационнымметодом. На рис.
6 изображена блок-схема установки для измерения к.т.р.проводящих жидкостей. По сравнению с установкой для измерения к.т.р.Рис. 6. Схема установки для измерения к.т.р. проводящих жидкостей. 1.измерительная ячейка с исследуемой жидкостью (К-Na эвтектика, цезий),2.-эталонная ячейка заполнена изооктаном. 3,4- сильфоны, 5- генераторпериодической составляющей давления, 6 - формирователь тактовыхсигналов, 7 - измерительная цепь.диэлектрических жидкостей (см. рис.1), данная установка претерпелаизменения в основном в узлах, связанных с воздействием электрическоготока на образец и способом измерения его мощности.
В качестверегистрирующей аппаратуры применялась следующая схема. Сигнал стермопары усиливался при помощи селективного нановольметра «УНИПАН233» с предусилителем 232.7 и трансформатором 232.7.4. Усиленный сигналпоступал на вход цифрового осциллографа Welleman PCS500 и сохранялся в15памяти ЭВМ. Необходимо отметить, что на данной схеме U1- падениенапряжения на ячейке, U2 – падение напряжения на эталонной медной шине,пропорциональное току, протекающему через образец.В параграфе 4.4 описывается применение амплитудной модуляциивысокочастотного сигнала. Выбор в пользу применения такого способамодуляции был вызван несколькими причинами. Это возможность полученияболее высокой точности измерения амплитуды колебаний мощностиэлектрического тока, возможность осуществления непосредственногоанализа формы колебаний мощности электрического тока, а такжевозможность контроля за изменением амплитуды колебаний мощности.
Всхеме формирования электрического сигнала используется обратная связь сприменением перемножителя. Это позволяет получать на выходе такойэлектрический сигнал, при котором форма сигнала мощности соответствуетформе модулирующего сигнала. Модулирующий сигнал формируется спомощью ЭВМ по тактовым импульсам, см. главу 3.В параграфе 4.5 описывается настройка и калибровка электрическойсхемы.
Калибровка всей схемы амплитудной модуляции заключается впостроении зависимости амплитуды сигнала с выхода перемножителя отамплитуды мощности электрического тока. Измерение мощности2/ Rобр ,осуществлялось в трёх вариантах в соответствии с формулами: U эфф2I эффRобр и U эфф I эфф . Здесь U эфф и I эфф – эффективные значения падениянапряжения и силы тока на измерительной ячейке; Rобр – сопротивление1T1Tобразца.
Эффективные значения U эфф U 1 (t ) dt и I эфф I (t ) dt , где T –T0T0период модулирующего сигнала, I (t ) U 2 / Rэт , Rэт - сопротивлениеэталонной медной шины. Калибровки, в которых используется сила тока,менее точны. Это связано с тем, что U 2 U1 , т.к. Rэт<<Rобр. При этом Rэт~10-5Ом. Значение Rэт уточнялось путём согласования калибровок. Оценкипогрешностей показали, что наиболее точный вариант калибровки2/ Rобр . Требование совпадения значенийсоответствует выражению U эффмощности, определяемых по трем формулам, позволяет более точнорассчитать величину сопротивления Rэт.Для точного расчета сопротивления Rобр ячейка с жидким металлом былазаменена медной проволокой в качестве имитатора образца. При проведениисерии калибровочных измерений была вычислена поправка для Rэт. Затембыли проведены повторные измерения с учетом этой поправки. На рис.7показаны результаты калибровочных измерений без учета и с учетомпоправки Rэт.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
