Опис систем термостатування і вимірювання температури

2.2. Опис систем термостатування і вимірювання температури

Загальна схема всієї експериментальної установки представлена ​​на мал.3. Перед заправкою досліджуваної речовини з обсягу заправної камери відкачується повітря за допомогою вакуумної системи. З балона 5 досліджувана рідина заправляється в досліджувану осередок 19 через заправний вентиль 27. Об'єм комірки обмежений притискним фланцем 26 зверху і запірної пробкою 18 знизу. Струмові і потенціометричні дроти, йдуть до вимірювальної комірки через електровводи 29. Також передбачений перетворювач тиску 28 з'єднана з порожниною вимірювальної камери по паровій фазі. Мідний блок 19 служить для вирівнювання поля температур в осередку. Установка призначена для вимірювання теплопровідності при температурах від -60 ° С до 80 ° С. Для забезпечення роботи на низьких температурах (від -60 ° С до -20 ° С) через біфілярного спіральний канал мідного теплообмінника 25 прокачиваются пари азоту, що надходять з системи подачі рідкого азоту. Для температур -20 - +20 - прокачуємо хладоноситель з допоміжного термостата, який охолоджується холодильною машиною. Для температур +20 - 80 - прокачуємо воду з допоміжного термостата. Допоміжні термостати на мал. 3 не вказані.

Для зниження теплопритоков з навколишнього середовища мідний блок поміщений в вакуумну камеру 14, яка відкачується вакуумною системою. Висновок термостата на необхідний температурний рівень здійснюється за допомогою фонового 23 і регулює 22 нагрівачів, які живляться від стабілізованих джерел живлення СП. Датчиком системи регулювання є платиновий термометр опору (R₀ = 100 Ом) 20.

Мал. 3. Принципова схема низькотемпературного стенду по дослідженню теплопровідності рідин

1 - сільфонний регулятор тиску; 2 - манометр; 3 - посудина Дьюара; 4 - нагрівач; 5 - заправний балончик; 6, 13 - термопарниє вакуумметри; 7 - іонізаційний вакуумметр; 8, 10 - вакуумні пастки; 9 - дифузний вакуумний насос; 11 - натекатель; 12 - форвакуумний насос; 14 - вакуумна камера; 15 - диференціальна термопара; 16 - платиновий термометр опору 100П; 17 - вимірювальна осередок; 18 - запірна пробка; 19 - мідний блок; 20 - датчик системи регулювання температури; 21, 24 - торцеві нагрівачі; 22 - регулюючий нагрівач; 23 - фоновий нагрівач; 25 - теплообмінник; 26 - фланець; 27 – заправний

вентиль; 28 - перетворювач тиску; 29 - електровводи; 30 - двопозиційний двоканальний перемикач; 31 - трьохпозиційний двоканальний перемикач; 32 - перемикач напряму струму; ІП - джерела живлення; У - підсилювач потужності; ДРТ - блок регулювання температури; МО-62 - міст опору; МСР - магазин опорів; ОКС - зразкова котушка опору; Picotest 1, Picotest 2 - мультиметри.

В термостаті може виникати небажаний градієнт температури по висоті, що призведе до конвективних струмів всередині вимірювальної камери. Для запобігання цьому явищу на торцях термостата встановлена диференційна термопара 15, по сигналу якої включається один з додаткових торцевих нагрівачів 21 або 24. Ці нагрівачі підключені паралельно до джерела живлення фонового нагрівача за допомогою магазину опорів МСР і перемикача 30.

Вимірювання параметрів виробляються в наступному порядку. Після досягнення необхідного температурного рівня за допомогою джерела живлення ІП протягом 10 секунд подається напруга на платинову нитка вимірювального пристрою. Мультиметром Picotest 1 реєструється падіння напруги на зразковою котушці опору ОКС послідовно включеної в ланцюг нитки. Мультиметром Picotest 2 реєструється падіння напруги на самій нитки. У режимі визначення теплопровідності прилади синхронізовані між собою і знімають показання з частотою 50 Гц. У проміжку між вимірами для переходу на інший температурний рівень по приладу Picotest 2 можна стежити за показаннями термометра 16 і термопари 15 використовуючи перемикач 31. Для усунення шумових ефектом пов'язаних з електромагнітними наведеннями в ланцюзі вимірювального пристрою передбачений перемикач напрямку струму 32. До розгляду беруться середні значення параметрів виміряних при прямому і зворотному напрямках струму.

3. Методика проведення досліджень

Досліди проводилися на цьому вимірювальному пристрої в нестаціонарному режимі з урахуванням ряду обмежень, пов'язаних з невиконанням граничних умов при вирішенні рівняння Фур'є для лінійного джерела теплоти (діаметр нитки-нагрівача склав 0,1 мм, товщина шару середовища - 0,55 мм).

Методика вимірювання теплопровідності нестаціонарним методом нагрітої нитки заснована на рішенні рівняння Фур'є для лінійного джерела тепла, що представляє собою нескінченно довгу і тонку нитку, що розсіює тепло в нескінченну середу:

(2.2)

де, ΔT=T–T₀, T - кінцева температура, T₀ - початкова температура, r - відстань в радіальному напрямку, τ - час, q - тепловий потік, D - коефіцієнт термодифузії.
Граничні умови можуть бути записані у вигляді:

при τ = 0 и r = 0 (2.3)

при τ ≥ 0 и r = ∞ (2.4)

З урахуванням цих умов, зміна температури в радіальному напрямку від джерела тепла може бути представлена у вигляді рівняння

(2.5)

Інтегрування рівняння (7) приводить до формули

(2.6)

а для будь-якого фіксованого в радіальному напрямку відстані зміна температури може бути представлено у вигляді

(2.7)

звідки випливає, що графік зміни температури як функція логарифма часу являє собою пряму лінію, а нахил цього графіка пропорційний коефіцієнту теплопровідності. З рівняння (2.7) випливає, що теплопровідність може бути розрахована за формулою

(2.8)

Таким чином, для розрахунку теплопровідності з даних експерименту необхідно вимірювати потужність теплоти, яка виділяється ниткою, і зміна температури у вре¬мені. На рис. 2.6 і 2.7 показані приклади отриманих в тарувальних експериментах даних (ці вимірювання проводилися з кроком 0,02 сек).

Мал. 2.6. Залежність температури нитки від логарифма часу в перші