Задача №5

Спроектировать средство измерения (СИ), содержащее термодатчик и автоматический регистрирующий прибор. Выбрать термочувствительные материалы для термодатчика и соответствующий автоматический регистрирующий прибор. Диапазон работы проектируемого СИ должен составлять 100-750 °С. Нарисовать электрическую схему СИ. Привести расчетное уравнение, которое связывает выходной параметр термодатчика (Е_АВ или R_Т) и параметры электрической схемы регистрирующего прибора.

Указать характеристики погрешности проектируемого СИ. Описать метод измерения температуры. Термодатчиком является терморезистор.

Термометры сопротивления широко применяют для измерения температуры в интервале от -260 до 750 °С. В отдельных случаях они могут быть использованы для измерения температур до 1000 ° С. Действие термометров сопротивления основано на свойстве вещества изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. При измерении температуры термометр сопротивления погружают в среду, температуру которой необходимо определить. Зная зависимость сопротивления термометра от температуры, можно по изменению сопротивления термометра судить о температуре среды, в которой он находится.

Металлы, предназначенные для изготовления чувствительных элементов (ЧЭ) термометров сопротивления, должны отвечать ряду требований. Они должны не окисляться и обладать высокой воспроизводимостью значений электрического сопротивления в интервале рабочих температур. Выбранный металл в диапазоне применяемых температур должен иметь монотонную зависимость сопротивления от температуры R=f(t) и достаточно высокое значение температурного коэффициента сопротивления α. Приведенным основным требованиям к металлам для изготовления ЧЭ термометров сопротивления в широком интервале температур удовлетворяет платина.

Исходя из поставленного диапазона работы терморезистора, выберем материалом термочувствительного элемента платину. Учитывая диапазон применения терморезистора, выберем технический платиновый термометр типа ТСП стандартной градуировки 50П класса 2 (ГОСТ 6651-94) с диапазоном -260..+750.

Подберем подходящий автоматический регистрирующий прибор. Можно использовать автоматический гальванометр, проградуированный в единицах температуры. Опишем структурную схему измерений.

Нарисуем принципиальную электрическую схему СИ.

Терморезистор R4 включается в плечо моста, собранного из рези­сторов. В одну из диагоналей моста включается источник питания, в другую — измерительный прибор. Резисторы R1... R4 в плечах моста подбираются таким образом, что при номинальной температуре мост находится в равновесии и ток в цепи прибора отсутствует. При отклонении температуры в любую сторону от номинальной изменяется сопротивление терморезистора R4, на­рушается баланс моста и стрелка прибора отклоняется, показы­вая температуру измеряемой точки.

Из уравнения баланса электрического моста:

И эквивалентное сопротивление цепи

Зависимость сопротивления терморезисторов от температуры в диапазоне нескольких десятков градусов удовлетворительно описывается экспоненциальной функцией

где А - сопротивление при бесконечно большой температуре, В - коэффициент температурной чувствительности (его значения обычно лежат в диапазоне 1200-16000).

Также можно получить связь между ТКС терморезистора ( ) и коэффициентом температурной чувствительности в виде

Величину ТКС обычно приводят в справочниках для температуры 20 С (293 К).

Укажем погрешности данного измерительного устройства.

Обозначение типа терморезистора	Обозначение градуировки	Интервал температур, 0С	Пределы допустимых основных погрешностей, мВ
ТСП	50П	-260 – 750	ΔRT = 0,15 ΔRT = 0,15 + 3,0*10-5*(t-260)

Исходя из данных характеристик термопары и верхнего предела измерения, рассчитаем погрешность термопары на верхнем пределе:

ΔR_T = 0,15 + 3,0 * 10^-5 * (t-260) = 0,15 + 3*10^-5*(750-260) = 0,165 мВ.

Исходя из погрешности данной термопары, нам необходим автоматический гальванометр, показывающий сотые доли.

Опишем метод измерения температуры:

1. Соберем электрическую цепь.

2. Приведем термодатчик в состояние теплового равновесия с веществом

3. Снимем показания с гальванометра.

4. Вычисляют температуру вещества по расчетному уравнению T(R).

Задание №2.

Раздел: «Методы измерения вакуума. Средства создания и измерения вакуума».

Задача №1.

Вакуумная система (Рис. 1.1) состоит из вакуумной камеры 1, насоса 2 и трубопровода, размеры участков которого указаны в Табл. 1.1. Оценить пропускную способность трубопровода U, приняв режим течения газа в системе молекулярным. Выбрать насос и оценить его коэффициент использования. Определить время откачки камеры 1 при условии: V₁=10 дм³,

Начальное давление в камере 10^-2 мм рт. ст. Предельный вакуум р_ПР определить по паспортным данным вакуумного насоса (ступень сверхвысокого разрежения, криоконденсационный). При выборе насоса использовать таблицы, приведенные в [1,2]

Таблица 1.1. Размеры участков.

Индекс i	1	2	3	4	5	6
Li, мм	100	1000	40	7	60	-
di, мм	30	30	6	3	6	10

Проводимость является коэффициентом пропорциональности между потоком и разностью давлений. Она численно равна количеству газа, протекающему по участку вакуумной системы в единицу времени при разности давлений на его концах, равной единице.

В Табл. 1.2 приведены формулы для расчёта U в зависимости от формы элемента.

Таблица 1.2

1	Трубопровод	L1=100мм=0.1м d1=30мм=0.03м
2	Отверстие	d6=10мм=0.01м
3	Отверстие	d6=10мм=0.01м
4	Трубопровод	L2=1000мм=1м d2=30мм=0.03м
5	Трубопровод	L3=40мм=0.04м d3=6мм=0.006м
6	Трубопровод	L4=7мм=0.007 м d4=3мм=0.003м
7	Сужение	d4=3мм=0.003м d5=6мм=0.006м
8	Трубопровод	L5=60мм=0.06м d5=6мм=0.006м
9	Сужение	D=¥ d5=6мм=0.006м

Вычисляем суммарную пропускную способность через элементарные сопротивления

Необходимо обеспечить сверхвысокий вакуум, насос – криоконденсационный

V1=0.01 м3 ­ – объём камеры 1

p1beg=1.316 Па – начальное давление в камере 10-2 мм рт. ст.

p1end=1.316*10-4 Па – конечное давление в камере 10-6 мм рт. ст.

p0=6.6*10-7 Па – предельное остаточное давление магниторазрядного насоса типа НМДО-0,025-1 (стр. 192 Приложение 8, Кузнецов, 1978)

Проверим вариант насоса, обеспечивающий предельный вакуум в камере 1 на уровне Рк=1,32*10-4 Па, в виде магниторазрядного насоса типа НМДО-0,025-1

Характеристики насоса НМДО-0,025-1:

Диапазон рабочих давлений (6,6*10-7 – 6,6) Па

Быстрота откачки Sн в рабочем диапазоне 0,025 м3/с

Предельное остаточное давление 6,6*10-7 Па

Расход охлаждающей воды (50-100) л/ч

Тип блока питания БП-25

Оценим коэффициент использования насоса:

Это отношение эффективной быстроты откачки к быстроте действия насоса: Кн=S0/Sн

Sн = 0,025 м3/с – быстрота действия насоса

S0 найдем из основного уравнения вакуумной техники: (1/ S0) – (1/ Sн) = (1/U)

S0=SнU/(Sн+U) – эффективная быстрота откачки объекта

_м3/с

Объем трубопровода много меньше V1, поэтому этим объемом можно пренебречь. Газовыделение с поверхности не учитываем. При молекулярном режиме течения процесс откачки считаем изотермическим, тогда:

pdV = -Vdp

- эффективная быстрота откачки.

Если , то

Ответ: t=7171 c