Лекция 1.

Курс «Экспериментальные методы исследования»

Введение.

Дисциплина рассчитана на 1 семестр.

Она включает лекции - 2 часа в неделю. Курс содержит следующие разделы:

а) предмет, терминология и методические положения, используемые в ЭМИ;

б) общие характеристики средств измерения;

в) общие характеристики методов измерений;

г) методы измерения теплофизических свойств веществ при заданных давлениях и температурах;

д) средства создания заданных давлений и температур

е) связь метода измерения и погрешности измеряемой величины;

ж) связь метода измерения с дисциплинами «Стандартизация», Сертификация» и «Метрология»

з) связь метода измерения с инженерными и исследовательскими задачами, а также с патентной экспертизой

Лабораторные работы.

Четыре работы на стендах каф. ИТФ.

Встреча со старостами (распределение по подгруппам, получение методических пособий для лаб. работ).

Расписание:

Лабораторные работы проводятся в аудиториях Т 207 и Т-409

по расписанию

ТФ 9 Устюжанин Е.Е Среда (II) 9-20

ТФ 10 Буринский В.В. Четверг (II) 13-45

ТФ 11 Захарова О.Д. Вторник (I) (1/2 гр.) 9-20

ТФ 12 Захарова О.Д. Вторник (II) (1/2 гр.) 9-20

ТФ 13 Буринский В.В. Четверг (II) 13-45

ТФ 14 Мирошниченко В.И. Понедельник (II) 13-45

Лаб. Работа №1 «Методы измерения расхода» (Методическое пособие № 4)

Лаб. Работа №2 «Методы измерения температуры с помощью терморезистора и термопары» (Методическое пособие № 2)

Лаб. Работа №3 «Методы измерения давления» (Методическое пособие № 3)

Лаб. Работа №4 «Методы измерения температуры в нестационарных условиях» (Методическое пособие № 7)

Курсовая работа.

Задание будет предложено на 6 – ой неделе.

Консультации с преподавателями, которые ведут лабораторные работы.

Консультации по курсовой работе.

Консультации по курсовой работе проводят преподаватели каф ИТФ после 6 – ой недели. Консультации проводят преподаватели, которые ведут лабораторные работы в данной группе (см. выше).

К Курсовой работе необходимо самостоятельно освоить материал по лекциям и указанной литературе. Студенты представляют отчет на 13 – 15стр. и защищают курсовую работу.

Имеется электронный раздаточный материал – конспект лекций по основным разделам курса.

Контрольная работа

Текущая проверка знаний в течение семестра.

Литература.

0. Буринский В.В., Измерения и обработка результатов, М., МНЭПУ, 2000, 156 с.

1. Преображнский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. 3-е издание. Москва, Изд. Энергия, 1978 год, 704 стр.

2. Иванова Г.М. Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С. Теплотехнические измерения и приборы. Переработанное издание. Москва, Изд. Энергия, 2008 год, 304 стр.

3. Рабинович С.Г., Погрешность измерений. – Ленинград, Изд. Энергия. 1978г.,- 262 с.

4. Н.Г. Назаров, Метрология, М., Изд. Высшая школа, 2002, 348 с.

5. Виноградова, Гайдученко, Свиридов и др. Основы построения информационно-измерительных систем. М., Изд. МЭИ, 2004

6. Сычев Е.И. Основы метрологии военной техники. М. Воениздат, 1993

7. Комов А.Т., Федорович С.Д. Методы получения и измерения высокого и сверхвысокого вакуума. М. Изд-во МЭИ, 2000, 63 с.

8. Пипко А.Б. и др. Конструирование и расчет вакуумных систем. М. Энергия,1970, 504 с.

9. Розанов Л.Н. Вакуумная техника М.: Высш. Шк. 1990, 320 с.

Лекция № 0

Методическое пособие № 2

Измерение температуры с помощью терморезистора и термопары.

2.1. Цель работы

Работа направлена: 1) на изучение методов измерения температуры с помощью терморезистора, термопары и цифрового термометра, 2) на освоение работы экспериментального стенда, 3) на выполнение градуировки термопары с помощью термометра сопротивления и 4) на поверку цифрового термометра.

2.2. Введение

Из курса физики известно, что электрическое сопротивление проводника R однозначно зависит от температуры T

R=R₀ (1 + (T - T₀) + ...), (2.1)

где R₀ - сопротивление проводника при температуре T₀, выбранной за начало отсчета, температурный коэффициент электрического сопротивления.

На рис. 2.1 показан термометр сопротивления  терморезистор 5, изготовленный из платиновой проволоки и включенный в цепь последовательно с катушкой 2, источником напряжения 3 и магазином сопротивлений 4.

Метод измерения температуры, T, вещества с помощью терморезистора состоит в том, что приводят термодатчик в состояние теплового равновесия с веществом, измеряют сопротивление резистора, R, и вычисляют температуру вещества по расчетному уравнению T(R).

На схеме (рис. 2.1) терморезистор 5 находится в контакте с водой. Блоки установки (катушка 2, источник напряжения 3 и магазин сопротивлений 4) позволяют оператору осуществить режимные и измерительные действия для получения первичных данных (R) для вычисления температуры по расчетному уравнению T(R).

Из курса физики известно, что термоэлектрическая сила E или термоЭДС, которая возникает в замкнутой электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников А и В, зависит от разности температур между спаями, T = T - T₀, где T – температура горячего спая, T₀ – температура холодного спая (известны термопары, содержащие два холодных спая, рис. 2.1).

ТермоЭДС E, вырабатываемая термопарой, используется как измеряемый или первичный параметр для определения температуры вещества Т, при этом горячий спай термопары размещается в исследуемом веществе (рис. 2.1).

На рис. 2.1 показана термопара, у которой горячий спай 8 расположен в термостате и находится в тепловом равновесии с водой, температуру T которой необходимо измерить. Холодные спаи 9

Рис.2.1. Схема установки

размещены в сосуде Дьюара при температуре T₀ = 273,15 K тающего льда. Между термоЭДС, E, и разностью температур, T, имеется зависимость, в которой E называется эффектом Зеебека,

E=S_ABT, (2.2)

где S_AB  коэффициент Зеебека.

При граничном условии T₀ = 273,15 K термоЭДС является функцией температуры E=f(T).

Метод измерения температуры, T, вещества с помощью термопары состоит в том, что приводят горячий спай термопары в состояние теплового равновесия с веществом, помещают холодные спаи в тающий лед, измеряют термоЭДС, Е, и вычисляют температуру T вещества по расчетному уравнению T(E).

Для определения температуры по измеренным значениям E можно применять уравнение (2.2), если известно значение S_AB и выполняется условие T₀ = 273,15 K. Наряду с этой зависимостью используется расчетное уравнение T(E) или градуировочная зависимость в форме полинома

T=b₀ + b₁E + b₂E ²+…. (2.3)

Входящие в него коэффициенты (b₀,b₁,b₂...) находятся с помощью статистической обработки результатов градуировочных опытов или градуировки.

В метрологии применяется зависимость E(T), называемая функцией преобразования. Она выбирается в виде полинома

E=a₀ +a₁T+a₂ T²+..., (2.4)

где a₀, a₁, a₂,...  коэффициенты, определяемые с помощью статистической обработки результатов градуировки.

В лабораторной работе необходимо осуществить два метрологических эксперимента: 1) градуировка термопары и 2) поверка цифрового термометра.

В этих экспериментах в качестве эталона используется образцовый платиновый термометр сопротивления ПТС-10.

Во время градуировки термопары приводят в состояние теплового равновесия термометр сопротивления 5 и термопару 8. В итоге эти термодатчики находятся при одинаковой температуре. В заданном стационарном режиме измеряют термоЭДС E и сопротивление резистора R.

Во время поверки цифрового термометра 6 обеспечивают такое режимное условие, когда терморезистор 5 и цифровой термометр находятся в состоянии теплового равновесия. В заданном стационарном i - режиме измеряют Т_{цифр i} по дисплею цифрового термометра и определяют сопротивление резистора R_i.

Измерение электрического сопротивления термометра осуществляют с помощью измерения: 1) напряжения U_т на резисторе 9 и 2) напряжения U_к на образцовой катушке 2. Величину сопротивления находят по соотношению

R= R_кU_т/U_к . (2.5)

Градуировка термопары предусматривает серию измерений (Е_i,U_тi,U_кi) в нескольких стационарных i - режимах. По указанным первичным данным вычисляют значения (Т_i) и находят расчетное уравнение T(E) или градуировочную зависимость термопары.

Путем аппроксимации опытных Е_i,Т_i – данных находят функцию преобразования E(T) для термопары.

В результате градуировки цифрового термометра вычисляют поправку _цифр для цифрового термометра по формуле

_цифр =T - Т_цифр , (2.6)

где Т - температура, измеренная термометром сопротивления.

Значения _цифр сравнивают с паспортными данными цифрового термометра.

Указанные метрологические эксперименты - поверка и градуировка проводятся на экспериментальной установке.

2.3 Описание экспериментальной установки

В экспериментальную установку (рис. 2.1) входит жидкостной термостат 7, имеющий марку Т2. В него погружены платиновый термометр сопротивления 5, горячий спай термопары 8 и чувствительный элемент цифрового термометра 6. Холодные спаи термопары 9 размещены в сосуде Дьюара. Термометр сопротивления ПТС 10, включен последовательно с образцовым сопротивлением 2 и магазином сопротивлений R_м, марки МСР-63, в цепь источника напряжения 3. В качестве образцового резистора 2 использована катушка Р-321, имеющая сопротивление 10,000 Ом.

С помощью магазина сопротивлений измерительный ток в схеме устанавливается таким, чтобы чувствительный элемент термометра сопротивления не нагревался этим током. Для термометра ПТС-10 этот ток не должен превышать 10 мA.

Измерение падения напряжения на термометре сопротивления и катушке, а также термоЭДС термопары осуществляется цифровым вольтметром (тип Щ31). Подключение датчиков к Щ31 производится с помощью переключателя 11.

На рис.2.2 показана конструкция платинового термометра сопротивления Стрелкова П. Г. На кварцевом каркасе, имеющем форму геликоида 1, навита спираль 2 из платиновой проволоки. Диаметр платиновой проволоки равен 0,05 мм.

Рис. 2.2. Схема платинового термометра сопротивления

Каркас со спиралью образуют чувствительный элемент термометра сопротивления диаметром 3  4 мм и длиной 50 мм. В верхней части каркаса закреплены приваренные к спирали две пары выводящих проводников 3 из платиновой проволоки диаметром 0,3 мм. Чувствительный элемент помещен в герметичный чехол, который изготовлен из плавленого кварца и заполнен газообразным гелием.

2.4. Задание

1. Провести градуировку термопары и поверку цифрового термометра с помощью платинового терморезистора. Количество стационарных режимов, а также число измерений в каждом режиме согласовать с преподавателем.

2. Рассчитать значения сопротивление резистора, R_T, и температуру T(R_T), пользуясь градуировочным уравнением для образцового термометра сопротивления в стационарных состояниях.

3. Построить функцию преобразования E(T) и градуировочную зависимость T(E).

4. Определить поправку Е для стандартной термопары, используя сравнение результатов градуировки термопары с табулированными данными Т_станд для стандартной термопары по соотношению

_станд =T - Т_станд ,

где Т - температура, измеренная термометром сопротивления в стационарном режиме, Т_станд. - соответствующее табулированное значение температуры для стандартной термопары.

2. Провести оценку погрешности, , температуры, которая измерена с помощью термопары 8, используя полученные результаты градуировки термопары. Оценить случайную составляющую _случ погрешности температуры, измеренной с помощью термопары.

2.5. Подготовка к работе и проведение эксперимента

Включить термостат и вывести его на заданный режим. Для этого с помощью контактного термометра термостата установить заданное значение температуры и включить нагреватель термостата. При достижении стационарного температурного режима провести измерения температуры. Результаты измерений занести в протокол.

Протокол наблюдений

№	, ч, мин	UТ, мВ	Uк, мВ	Е, мВ	Тстекл, ОС	Тцифр, ОС