Курсовой для второго потока(ТФ-09 - ТФ-14)

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСИКЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра инженерной теплофизики

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ МЕТОДАМ ИССЛЕДОВАНИЯ

Студент: Стаханова А. А.

Группа: ТФ-13-06

Вариант: 13

Преподаватель: Устюжанин Е.Е.

Москва. 2008г.

Задание №1.

Раздел: «Методы измерения температуры»

Задача№1. (вариант 2)

Определите верхний предел температуры, при которой может быть использован ртутный стеклянный термометр со следующими характеристиками: объем капилляра над мениском ртути заполнен азотом при давлении 0,6 МПа.

Из жидкостных термометров наибольшее распространение получили ртутные, благодаря ряду преимуществ по сравнению с другими жидкостями. Ртуть не смачивает стекло, легко поддается химической очистке, остается жидкой при атмосферном давлении в интервале температур от -38,87 °С до 356,58 °С. Собственное давление насыщенных паров ртути при температуре выше 356,58 °С невелико, что дает возможность при относительно небольшом увеличении давления над ртутью в стеклянном баллоне термометра повысить температуру кипения ртути и тем самым расширить температурный интервал применения термометра.

Температура кипения зависит от внешнего давления, в свою очередь температура кипения – это такая температура, при которой упругость ее насыщенных паров равна внешнему давлению. И если есть зависимость упругости насыщенных паров ртути от температуры, то приравняв упругость к внешнему давлению, мы найдем температуру кипения ртути, при данном давлении.

logP = 5,6640459 — bα^t + cβ^t

где log(bα^t) = 0,890208 — 0,0012438t

log(cβ^t) = 0,5820395 — 1 — 0,0119062t

где P – в мм. рт. ст.

Задано, что давление азота над ртутью равно 0.6 МПа, 0,6МПа = 4500,45 мм. рт. ст.

Тогда log(P)=log(4500,45)=3,6533

Таким образом, определяем, что искомый верхний предел температуры составит 472 °С.

Ответ: 472 °С.

Задача №2 (вариант 2).

Определить коэффициент ослабления А поглощающего стекла оптического пирометра, если известно, что температура Т₁ абсолютно черного тела, измеренная по шкале пирометра без применения поглощающего стекла, уменьшилась до Т₂ при введении поглощающего стекла. От каких физических свойств зависит коэффициент А?

Т₁=1900 °С, Т₂=720 °С.

Пирометр – средство измерения температуры тел по их тепловому излучению.

В иды пирометров: оптический, цветовой, радиационный.

Принцип работы пирометра основан на сравнении яркостей нагретого тела 1 и нити накаливания пирометрической лампы 5 в монохроматиче­ском свете. Измерения выполняются следующим образом. Пирометр ви­зируют на объект в точку измерения температуры. Объект воспринимает­ся через красный светофильтр 7 в виде красного фона определенной ярко­сти. Подбирая соответствующую величину электрического тока в цепи лампы 5, добиваются такого же свечения нити накаливания, как и у объ­екта. В этом случае нить становится неразличима на фоне объекта, «исчезает». Измерительный прибор в этом случае дает значение яркостной температуры тела.

Следует подчеркнуть, что измерения проводятся в монохроматиче­ском свете. Этого добиваются с помощью красного светофильтра 7 и свойств человеческого глаза. Диафрагмы 3 и 8 позволяют регулировать углы α и β, добиваясь от­сутствия дифракции лучей на нити лампы и четкого ее изображения.

При высоких температурах объекта яркость фона велика, что мешает работе с пирометром. Кроме того, нить пирометрической лампы может устойчиво работать и иметь стабильную градуировку в ограниченном диапазоне температур (до 1400 °С). Поэтому с целью расширения рабоче­го диапазона температур пирометра на более высокие температуры устанавливают поглощающее стекло 4, которое ослабляет фактическую яр­кость объекта.

Для определения коэффициента пирометрического ослабления А поглощающего стекла оптического пирометра воспользуемся формулой:

_{А= 8.625731*10}^-4 _К^-1

Коэффициент А, характеризующий ослабляющее действие данного стекла, зависит от оптической плотности поглощающего стекла.

В качестве поглощающего стекла применяют обычно стекло марки ПС-2,а иногда марки НС-13. Оптическая плотность этих стёкол зависит от температуры самих стёкол. При повышении температуры поглощающих стекол ПС-2 его оптическая плотность увеличивается, а НС-13 – уменьшается. Следует также иметь ввиду, что влияние температуры у стекла НС-13 оказывается несколько сильнее, чем у стекла ПС-2.

Значение этого коэффициента показывает, какая доля лучистой энергии спектрального участка, используемого в оптическом пирометре, упавшая на стекло, пропускается им. Таким образом, измерение яркостных температур с включенным поглощающим стеклом производится путем сравнения неослабленной яркости нити пирометрической лампы с ослабленной яркостью источника излучения.

Задача №3 (вариант 2)

Определить температуру Т рабочего вещества при условиях, когда с помощью термопары были получены следующие данные: показание потенциометра, включенного в цеп хромель-алюмелевой (ХА) термопары, составило Е_ХА(Т, 37°С) = 22,8 мВ. Температура холодных спаев равнялась

37 °С.

Основное уравнение термоэлектрического термометра, выражающее в общем виде зависимость суммарной термо-э.д.с., возникающей в цепи из двух разнородных термоэлектродов А и В, от температуры мест их соединения:

Е_АВ(t,t₀)=е_АВ(t)-е_АВ(t₀)

E_АB(T, 37) = e_AB(T) - e_AB(37)

На основании закона Вольта в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников А и В,когда температуры мест их соединения одинаковы t=t₀ и отсутствуют посторонние э. д. с., термотока не возникает. Т. е. e_AB(0) - e_AB(0) = 0

Объединяя эти два уравнения, получаем: E_АB(T, 37) = E_АB(T, 0) - E_АB(37, 0)

Отсюда: E_АB(T, 0) = E_АB(T, 37) + E_АB(37, 0)

E_АB(37, 0)=1,49 мВ (см. В.П. Преображенский «Теплотехничесике измерения и приборы» стр.652 табл. П4-7-3)

E_АB(T, 37)=22,8 мВ – по условию

E_АB(T, 0)=22,8+1,49=24,29 мВ

Из той же таблицы :

Температура рабочего конца, С0	Термо-э.д.с. термоэлектрических термопар типа ТХА стандартной градуировки ХА, мВ
580	24,06
Х	24,29
590	24,49

Найдем Х – искомый верхний предел температуры, аппроксимируя данные таблицы:

°С

Ответ: Т=585,3 °С

Задание №4 (вариант 2)

Цепь термодатчика составлена из рабочих термоэлектродов (A,B), удлинительных термоэлектродов (C, D) и медных проводов F (Рис. 1). Температура горячего спая равна Т₁, температура в месте подключения удлинительных электродов (контакты 2,2’) равна Т₂, температура Т₃ холодных спаев (контакты 3,3’) равна 20°С. Нарисовать эквивалентную электрическую схему термодатчика. Оценить показание потенциометра U в заданных условиях и двух комбинациях (а,б) удлинительных электродов. При определении термо-ЭДС Е_ХУ (Т,0°С) использовать стандартные функции преобразования Е_ХN (Т,0°С) и Е_YN (Т,0°С), где N – нормальный электрод из платины. Для расчета принять, что для материалов (манганин и константан) Е_ХN (Т,0°С) меняется линейно в интервале 0…100 ⁰С. Оценить показание потенциометра U при условии, что рабочие электроды A и B протянуты от точки 1 до точек 3 и 3’ без использования C и D.

А 2 Т₂ С 3 Т₃ E

U

Т₁ 1

В

2’ Т₂ D 3’ Т₃ E

A – платинородий, B – платина; Т₁ = 1000°С, Т₂ = 100 °С, комбинации дополнительных проводов: а) C – манганин; D – константан

б) C – константан; D – манганин

E = e_AB(T₁) + e_BD(T₂) + e_DE(T₃) + e_EC(T₃) + e_CA(T₂) = e_AB(T₁) + e_BD(T₂) + e_DC(T₃) + e_CA(T₂)

Закон Вольта: e_AB(0) + e_BD(0) + e_DC(0) + e_CA(0) = 0

Вычитая из первого равенства второе, получаем:

U = E_АB(T₁, 0) + E_BD(T₂, 0) + E_DC(T₃, 0) + E_CA(T₂, 0)

Определим входящие в это выражение термо - э. д. с.

Если известна контактная термо-э. д. с. двух проводников по отношению к третьему, то этим самым определяется и контактная термо-э.д.с. между первыми двумя. Обычно таким «третьим» проводником является платина.

E_XY(T,0)=E_XN(T,0) – E_YN(T,0)

а) (В.В. Буринский «Измерения и обработка результатов» стр. 76 табл. 6.3)

В. П. Преображенский «Теплотехничесике измерения и приборы»

стр. 650 табл. П4-7-1)

E_BD(T₂,0)= E_BN(T₂,0) - E_DN(T₂,0)=0+3,4=3,4 мВ

E_DС(T₃,0)= E_DN(T₃,0) - E_CN(T₃,0)=(-3,4-0,76)/5= -0,832 мВ

E_СА(T₂,0)= E_СN(T₂,0) - E_АN(T₂,0)=0,76-0,643=0,117 мВ

E_АВ(T₁,0)=9,564 мВ

U=9,564+3,4-0,832+0,117=12,25 мВ

б) Поменяем термоэлектроды С и D местами:

E_ВD(T₂,0)= E_ВN(T₂,0)- E_DN(T₂,0)=0-0,76=-0,76 мВ

E_DС(T₃,0)= E_DN(T₃,0)- E_CN(T₃,0)=(0,76+3,4)/5=0,832 мВ

E_СА(T₂,0)= E_СN(T₂,0)- E_АN(T₂,0)=-3,4-0,643=-4,043 мВ

U=9,564-0,76+0,832-4,043=5,593 мВ

с) Показание потенциометра U при условии, что рабочие электроды А и В протянуты от точки 1 до точек 3 и 3' без использования материалов С и D.

E_АВ(T₁ ,T₃)= e_AB(T₁) – e_АВ (T₃)

По закону Вольта: e_AB(0) – e_АВ (0)=0

E_АВ(T₁ ,T₃)= E_АВ(T₁ ,0)- E_АВ(T₃ ,0)=9,564-0,112=9,452 мВ

Задание №5 (вариант 2)

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.

Автоматические уравновешенные мосты широко применяются в различных отраслях промышленности для измерения и записи температуры в комплекте с термометрами сопротивления. Измерительная схема автоматических уравновешенных мостов в принципе не отличается от схемы лабораторного четырехплечего моста за исключением того, что уравновешивание его, осуществляемое обычно перемещением движка по калиброванному реохорду, производится не вручную, а автоматически с помощью специальных следящих систем. Автоматические уравновешенные мосты являются техничесикми приборами высокого класса точности. Автоматические уравновешенные мосты, предназначенные для работы в комплекте с термометрами сопротивления, выпускаются с градуировкой шкалы в градусах Цельсия. При этом необходимо иметь в виду, что их температурная шкала действительна только для термометра сопротивления определенной градуировки и заданного значения сопротивления внешней соединительной линии.

В автоматических уравновешенных мостах используется измерительная схема четырехплечего моста с реохордом. На принципиальной схеме приняты следующие обозначения:

R_р -реохорд

R_ш – шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления R_р до заданного нормированного значения R_н.р= R_р R_ш (R_р+ R_ш)^-1=90 или 100+0,1 Ом

ТО – токоотвод

R_п – резистор для установления диапазона измерения

R_д – резистор добавочный для подгонки начального значения шкалы (обычно R_д = 5,5 Ом)

R₁,R₂,R₃ = резисторы мостовой схемы

R_б – балластный резистор в цепи питания для ограничения тока

R_т – термометр сопротивления

R_л – резисторы для подгонки сопротивления линии

РД – асинхронный конденсаторный реверсивный двигатель

СД – синхронный двигатель (для продвижения диаграммной ленты)

С₁ и С₂ – конденсаторы для создания необходимого фазового сдвига (90°) между магнитными потоками обмотки возбуждения и управляющей обмотки и необходимого напряжения (127 В) на обмотке возбуждения

С₃ – конденсатор, шунтирующий управляющую обмотку реверсивного двигателя для компенсации индуктивной составляющей тока в этой обмотке.

При нарушении равновесия мостовой схемы прибора вследствие изменения сопротивления R_т термометра на вход усилителя подается напряжение небаланса с вершин а и b. Это напряжение усиливается усилителем до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя. Выходной вал двигателя, кинематически связанный с движком реохорда и кареткой, передвигает их до тех пор, пока напряжение небаланса, уменьшаясь, не станет равным нулю (точнее, меньше той величины его, которую чувствует усилитель). При достижении равновесия мостовой схемы ротор реверсивного двигателя останавливается, а движок реохорда и каретка с указателем и пером занимают положение, соответствующее измеряемому сопротивлению термометра. Положению равновесия мостовой схемы соответствует уравнение:

[R_т+R_д+R_л+(1-m)R_п.р]R₂=(R₁+R_л)(R₃+mR_п.р)

Где R_п.р - приведенное сопротивление реохорда (R_п.р=R_н.рR_п(R_н.р+R_п )^-1)

m=R'_п.р/R_п.р (здесь R_п.р – сопротивление участка реохорда правее движка а)

Решая уравнение относительно R_т ,получаем:

R_п.р(mR₁+mR₂-R₂) + R₁R₃ – R_дR₂ (R₃ – R₂ + mR_п.р)R_л

R₂ R₂

Где R_л = 2,5 Ом при t=20 °C

Для эксплуатационных условий:

R_п.р(mR₁+mR₂-R₂) + R₁R₃ – R_дR₂ (R₃ – R₂ + mR_п.р)R_л[(1+αt)/(1+αt₂₀)]

R₂ R₂

t - cредняя температура воздуха вдоль проводов в условиях эксплуатации, °С (t > t₂₀)

α – температурный коэффициент элеткрического сопротивления меди, °С ^-1

Пределы допускаемой основной погрешности показаний автоматических уравновешенных мостов, выраженные в процентах нормирующего значения измеряемой величины на всех отметках шкалы не должны превышать: 0,25; 0,5; 1,0; 1,5% - для классов точности 0,25; 0,5; 1,0; 1,5 (соответственно). За нормирующее значение принимают разность конечных значений диапазона измерения. Нормирующее значение и диапазон измерения выражаются в единицах сопротивления.

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

Необходимо обеспечить сверхвысокий вакуум, насос – криоконденсационный

Подходящий насос ГСВ-250 (данные взяты из справочника «Вакуумная техника» Фролов Е.С., В.Е. Минайчев, Т. А. Александрова)

Р_пр=10^-8 Па

Оценим коэффициент использования насоса:

Это отношение эффективной быстроты откачки к быстроте действия насоса: К_и=S₀/S_н

S_н = 0,25 м³/с

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

S₀=S_нU/(S_н+U)

_м³_/с

Определим время откачки камеры 1:

Будем считать, что течение газа происходит изотермически, т.е pV=const. Продифференцировав это равенство, поделив обе его части на dt и учитывая, что

dV/dt = S, получим dt= -Vdp/Sp

Проинтегрируем в пределах от t₁ и p₁ до t₂ и p₂ получим:

_м³

_Па

_Па

_с

Задача №2. (вариант 13)

Сконструировать вакуумную систему для создания условий в рабочей камере с давлением Р=10^-7 Па. Описать работу основных блоков системы. Предложить возможный тип ловушки. Описать работу насосов для получения заданного вакуума (низкий, высокий и сверхвысокий). Привести характеристики трех насосов, которые следует использовать в вакуумной системе в соответствии с вариантом. Обосновать выбор манометров (позиции 3, 5, 9, 10, 11, 14 и 15) и привести их характеристики. Оценить показания этих манометров во время стационарной работы вакуумной системы.

1 – насос для получения низкого вакуума;

2, 6, 13, 16, 19, 20 – клапаны;

3, 9 ‑ манометры низкого вакуума;

4 – насос для получения сверхвысокого вакуума;

5, 11, 15 ‑ манометры высокого вакуума;

7 – вакуумный блок прогреваемый до 400 °С;

8 – откачиваемый объект;

10, 14 – манометры среднего вакуума;

12 – газоанализатор;

17 – ловушка;

18 – насос для получения высокого вакуума.

Вакуумная система для получения сверхвысокого вакуума содержит подогреваемый вакуумный блок 7. Прогрев до 400 °С уменьшает газовыделение всех элементов вакуумной системы, непосредственно подключаемых к сорбционному насосу 4. Камера снабжена несколькими манометрами 9, 10, 11, обеспечивающими измерение давления от атмосферного до сверхвысокого вакуума. Манометр 5 контролирует работоспособность насоса 4. Высоковакуумная часть системы собрана на двух насосах: 1 и 18. Клапан 16 служит для подключения течеистекателей к вакуумной системе, а манометры 14 и 15 – для измерения давления в области среднего и высокого вакуума. В качестве низковакуумного насоса 1 чаще всего применяют механический насос.