Метод измерения температуры с помощью термопары в нестационарных условиях

 

Во многих научно-технических задачах возникает необходимость измерения температуры среды в условиях, когда отсутствует тепловое равновесие между термодатчиком и веществом. Например, задача контроля температуры теплоносителя, который представляет собой поток (турбулентный режим течения). В этом случае температура рабочего тела меняется во времени в форме пульсаций

Для измерения температуры в потоке жидкости используются термопарные зонды. Например, лабораторной работе № 1 горячий спай термопары имеет форму шарика, приваренного к дну металлической защитной оболочки. Такая конструкция показана на рис. 2.

 

 

 

 

Рис. 2. Конструкция горячего спая термопары

 

Температура спая t сп, которая измеряется термопарой, отличается от температуры жидкости t ж в точке, где выполняется измерение. Основными источниками погрешности измерения t ж при использовании термопары являются:

а) потоки тепла от спая по проводам и по материалу оболочки;

б) тепловая инерция спая, которая обусловлена теплоемкостью спая.

Рассмотрим следующий пример. Пусть требуется измерить пульсирующую температуру в некоторой точке среды. Среда может представлять собой, например, поток жидкости или газа с температурными неоднородностями. Если в этом случае применяется термопара с большой теплоемкостью, то тепловая инерционность приведет к тому, что картина теплового процесса во времени будет содержать погрешность: на ней не будет пиков и высокочастотных составляющих процесса.

На рис. 3 показано, как в этом случае отличается показание термопары t сп от истинной температуры среды t ист в окрестности спая. Если инерционность применяемой термопары окажется слишком большой, то удастся измерить только среднее значение температуры   t ср .

 

 

Рис. 3. Случайные температурные пульсации в среде (а) и сглаженный отклик термопары (б)

 

В общем случае тепловая инерционность термопары зависит не только от теплоемкости материала (спая, оболочки и т.д.), но и от коэффициента теплоотдачи и скорости обтекания термопары жидкостью.

Эффекты инерционности термопары изучаются в данной работе при ступенчатом изменении температуры окружающей среды. До некоторого момента времени t o термопара находится в воздухе и имеет начальную температуру t в , затем в момент времени t o термопара погружается в нагретую жидкость с температурой t ж . В итоге регистрируемая температура горячего спая t сп асимптотически стремится к значению t ж .

В общем случае тепловая инерционность термопары зависит не только от теплоемкости материала (спая, оболочки и т.д.), но и от коэффициента теплоотдачи и скорости обтекания термопары жидкостью.

Второй пример измерения температуры в нестационарных условиях изучается в лабораторной работе №1. Термопара, которая установлена в измерительной системе и предназначена для измерения температуры воды, в первом режиме находится в воздухе и имеет начальную температуру t в . Во втором режиме в момент времени t o термопара погружается в нагретую жидкость с температурой t ж . Измерительная система измеряет сигнал термопары с заданным шагом по времени. В итоге регистрируется температура горячего спая t сп во времени. Эти результаты позволяют определить асимптотическое значение t сп , которое должно совпадать с t ж .

Задачей настоящей лабораторной работы является:

· получение зависимости регистрируемой температуры спая t сп от времени при ступенчатом изменении температуры среды;

· оценка времени D t, после которого регистрируемая температура спая совпадает с температурой среды t ж .

 

 

 

Рис.4. Экспериментальная установка

 

Для измерения температуры среды используется термопара 2, которая закреплена на подвижной каретке 1. Каретка с термопарой может перемещаться по направляющим 5. Фиксатор 8 служит для удержания каретки в верхнем положении.

При выполнении опытов каретка вначале находится в верхнем положении, при этом термопара находится в воздухе и имеет температуру t в.

После нажатия фиксатора каретка падает вдоль направляющих, в результате термопара с некоторой скоростью погружается в нагретую до температуры t ж воду в термостате 3.

Холодные спаи термопары помещены в сосуд 4 и находятся при температуре окружающего воздуха. Благодаря этому сигнал от термопары в начальном ее положении, когда она находится в воздухе, близок к нулю. После погружения термопары в жидкость сигнал плавно возрастает до уровня, соответствующего температуре жидкости. Выход термопарного сигнала обозначен на рисунке стрелкой.

Момент времени t o, когда термопара начинает погружаться в жидкость, фиксируется с помощью датчика 6 и шторки 7.

Датчик представляет собой оптическую пару, состоящую из светодиода, излучающего инфракрасный луч, и приемного фотодиода, причем луч света в оптопаре перекрывается шторкой 7 во время движения каретки. При перекрытии луча происходит скачкообразное изменение напряжения на выходе датчика.

Высота расположения датчика оптопары выбрана такой, чтобы момент перекрытия луча совпадал с началом погружения термопары в рабочую жидкость. Поэтому при выполнении опытов момент времени t o определяется по скачку сигнала от датчика оптопары.

Поскольку тепловая инерционность термопары при измерениях в движущейся среде зависит от скорости обтекания, то при выполнении опытов необходимо контролировать скорость движения термопары в жидкости.

Определение средней скорости движения термопары осуществляется расчетом по известной ширине шторки и по интервалу времени, в течение которого луч датчика оптопары перекрыт шторкой. При выполнении опытов моменты времени закрытия и открытия луча шторкой определяются по скачкам сигнала от датчика оптопары.

Ширина шторки составляет 15 мм.

 

 

На рис. 5 показана схема соединений исследуемой термопары и датчика - оптопары с электронной измерительной аппаратурой.

 

 

 

Рис. 5. Структурная схема измерительной системы

 

Сигнал от термопары 1 через сосуд с холодным спаем 3 поступает на вход усилителя 4. Регулируемый коэффициент усиления позволяет при проведении опытов получить размах сигнала на выходе усилителя до 5 В.

Напряжение на датчик оптопары 7 поступает от блока питания 6 (постоянное напряжение  9 В). При перекрытии луча оптопары шторкой 2  выходной сигнал датчика меняется скачком от  1 до 8 В.

Двухканальный запоминающий программируемый осциллограф 5 типа С9-8  записывает в память сигналы, поступающие с экспериментальной установки. Сигнал от усилителя поступает на канал А, сигнал от датчика оптопары – на канал Б осциллографа.

Осциллограф преобразует входные сигналы аналого–цифровым способом с некоторым шагом дискретизации по времени, помещает результаты в собственную память, позволяет просматривать их на экране, а также считывать их «вручную» (с помощью специального маркера) или по команде ПЭВМ, подключенной к прибору.

Запуск осциллографа осуществляется от сигнала датчика оптопары в момент перекрытия луча шторкой.

Действия оператора во время эксперимента включают: 1) выведение блоков системы на рабочий режим, 2) измерение температуры окружающего воздуха с помощью термометра, 3) приведение в движение термопары.

В результате работы измерительной системы на экране осциллографа появляются два графика, соответствующие каналам А и Б (см. рис.6).

 

 

 

 

Рис. 6. Форма сигналов на экране осциллографа

 

Момент времени t o соответствует началу погружения термопары в воду, этот момент совпадает со скачком сигнала по каналу Б.

Слева от t o   график идет практически горизонтально, причем сигнал u в соответствует температуре окружающего воздуха. Справа от t o наблюдается быстрый рост сигнала.

Считывание данных с экрана осциллографа выполняется с помощью маркера, который можно перемещать по графикам А и Б. При этом в нижней части экрана слева выдается координата X графика (время), а справа – координата Y графика (величина сигнала).