Определение показателя тепловой инерции термоприёмников: Методические указания к лабораторной работе № 6 по курсу “Теплотехнические измерения и автоматизация”

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ УНИВЕРСИТУТ

Кафедра тепловых электрических станций

МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЕ

к лабораторной работе №6

по курсу “Теплотехнические измерения и автоматизация”

для студентов специальности 100500

“Тепловые электрические станции”

Чита 2005

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ТЕПЛОВОЙ ИНЕРЦИИ ТЕРМОПРИЁМНИКОВ

6.1. Цель работы

В процессе выполнения лабораторной работы студент должен:

- познакомиться с конструкцией используемых теплотехнических приборов;

Экспериментально оценить тепловую инерцию равных термоприёмников (термопар);

Изучить влияние различных факторов на величину тепловой инерции термоприёмника.

6.2. Общие сведения о тепловой инерции

Измерения температуры, как и измерения любых других физических величин, не являются абсолютно точными и всегда выполняются с некоторыми погрешностями. При измерении изменяющейся во времени температуры возникают динамические погрешности, обусловленные нестационарностью процесса. Они вызываются тем, что термочувствительный элемент прибора не успевает мгновенно принять окружающую его температуру. Поэтому сигнал, возникающий в датчике, передаётся вторичному регистрирующему прибору с некоторым запаздыванием. Безинерционный регистр температуры принципиально не может быть создан.

Под тепловой или термической инерцией термоприёмника понимается свойство менять собственную температуру при изменении температуры окружающей среды не мгновенно, а по истечении некоторого промежутка времени. Тепловая инерция теплоприёмника создаёт систематические погрешности прибора, искажая его показания. Искажения показаний, которые вызываются механическими или электромеханическими особенностями прибора, называются электромеханической инерцией. Действие сил трения и сопротивления, определяющих механическую инерцию прибора, может быть в отдельных случаях достаточно велико. Однако, анализ источников погрешностей регистрирующих приборов показывает, что основные погрешности имеют всё-таки тепловую природу.

Для оценки динамических погрешностей измерения температур широкое распространение получила так называемая элементарная теория тепловой инерции. Её теоретические предпосылки изменения теплового состояния теплоприёмника под воздействием внешних условий основаны на решении с соответствующими граничными и начальными условиями основного уравнения теплопроводности. Для упрощения решения вводятся следующие допущения:

1.  Распределение температуры внутри теплоприёмника равномерное.

2.  В течение процесса измерения теплообмен теплоприёмника с окружающей средой остаётся неизменным.

3.  Температура окружающей среды практически не меняется от изменения температуры термоприёмника.

4.  Теплофизические свойства материала теплоприёмника постоянны и не зависят  от его температуры.

В общем виде могут рассматриваться четыре случая проявления тепловой инерции, соответствующие простым законам изменения температуры окружающей среды: линейному, скачкообразному, экспоненциальному и гармоническому. В настоящей лабораторной работе тепловая инерция термоприёмников определяется при скачкообразном (ступенчатом) изменении температуры окружающей среды. Этот случай даёт простейшее решение уравнения теплопроводности.

Пусть в начальный период времени теплоприёмник имел температуру t₀, например, равную температуре воздуха в лаборатории. Затем теплоприёмник был быстро помещён в высокотемпературную среду с постоянной температурой t_с. При этом температура термоприёмника только через бесконечно большой промежуток времени станет равной температуре измеряемой среды. В течение всего этого времени будет иметь место динамическая погрешность , которая определяется разностью температур теплоприёмника  и измеряемой среды t_с и описывается простой экспоненциальной зависимостью

= t_с - =( t_с - t₀)е                                                                                 (6.1.)

Величина  называется постоянной (показателем) тепловой инерции. Постоянная тепловой инерции – это время, необходимое для того, чтобы при внесении термоприёмника в среду разность температур среды и теплоприёмника стала равной 0,368 от первоначальной разности. Величина  характеризует скорость (темп) теплообмена термоприёмника с окружающей средой. Чем меньше постоянная тепловой инерции , тем быстрее реагирует термоприёмник на изменение температуры окружающей среды, сростом  реакция термоприёмника замедляется. Из уравнения (6.1.) постоянная тепловой инерции получается равной:

=                                                                              (6.2.)

   Упрощённая графическая зависимость изменения температуры термоприёмника при скачкообразном  изменении температуры, измеряемой среды приведена на рис. 6.1.

Рис.6.1

  В полулогарифмических координатах разности температур измеряемой среды и термоприёмника должны расположиться по прямой (рис. 6.2.).

Рис.6.2

Котангенс угла наклона полулогарифмической кривой к оси абсцисс  есть постоянная тепловой инерции теплоприёмника .