805

иих характеристики приведены в таблице 1.1.

Сцелью повышения точности измерения температуры, термопары выполняют двухспайными, например рис.1.7.

Термоэлектроды А и Б имеют спаянные концы. Спай, который закреплен на объекте с температурой t1 , называют измерительным, а спай с температурой t2 – спаем сравнения. При измерении температуры термопарами, для удобства отсчета, спай сравнения помещают в теплоизолированный сосуд, например с тающим льдом (см. рис.1.7), тогда t2 = 00C. Если в эксперименте требуется замерять температуру t,

11

которая незначительно отличается от t0 , то для увеличения сигнала используют многоспайную дифференциальную термопару, схема которой представлена на рис. 1.8.

Термоэлектрические термометры широко применяются в энергетических установках для измерения температуры перегретого пара, дымовых газов, металла труб котлоагрегатов и т. п. Положительными свойствами их являются: большой диапазон измерения, высокая чувствительность, незначительная инерционность, отсутствие постороннего источника тока и легкость осуществления дистанционной передачи показаний.

Приборы для бесконтактного контроля температуры называются пирометрами. В настоящее время реализуется большое количество пирометров различающихся по принципу действия, по диапазону измеряемой температуры, по области применения, по исполнению.

По принципу действия пирометры можно разделить на оптиче-

ские, радиационные и цветовые.

Оптические позволяют визуально определять температуру нагретого тела, путем сравнения его цвета с цветом эталонной нити.

12

Радиационные оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой полосе спектрального излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.

Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) – позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.

В температурном диапазоне: низкотемпературные обладают способностью показывать отрицательные температуры объектов по шкале Цельсия; высокотемпературные оценивают температуру сильно нагретых тел, когда определение «на глаз» не представляется возможным.

Исполнение пирометров имеется переносное и стационарное. Переносные удобны в эксплуатации в условиях, когда необхо-

дима высокая точность измерений, в совокупности с хорошими подвижными свойствами, например, для оценки температуры труднодоступных объектов. Обычно они снабжены небольшим дисплеем, отображающим графическую или текстово-цифровую информацию.

Стационарные. Предназначены для более точной оценки температуры объектов. Используются в основном в крупной промышленности, для непрерывного контроля технологического процесса производства расплавов металлов и пластиков и др.

Пирометры применяют для дистанционного определения температуры объектов в научных исследованиях, в быту, в технологических этапах производства (сталелитейная промышленность, нефтеперерабатывающая отрасль и др.). Пирометры могут выступать в роли средства безопасного дистанционного измерения температур раскаленных объектов, что делает их незаменимыми для обеспечения должного контроля в случаях, когда физическое взаимодействие с контролируемым объектом невозможно из-за высоких температур. Их можно применять в качестве теплолокаторов (усовершенствованные модели), для определения областей критических температур в различных производственных сферах.

1.2.3. Измерение расходов

Из множества приборов, используемых для определения секундных массовых расходов жидкостей и газов в дисциплине «Тепло техника» используются ротаметры.

13

Ротаметр состоит из вертикальной конусной стеклянной трубки 1 (рис. 1.9), внутри которой находится чувствительный элемент 2, выполненный в виде поплавка. Для обеспечения устойчивого положения поплавка в канале верхний его обод снабжен канавками с крутым наклоном. Принцип действия ротаметра основан на восприятии перемещающимся в конусной трубке поплавком динамического напора потока газа или жидкости, движущихся снизу вверх. При подъеме поплавка проходной зазор

между наибольшим диаметром Рис. 1.9 поплавка и внутренним диаметром трубки увели-

чивается, перепад давления на поплавке уменьшается. Когда перепад давления становится равным весу поплавка, приходящемуся на единицу площади его поперечного сечения, наступает равновесие.

При этом каждому положению поплавка соответствует определенное значение расхода. Шкала прибора выполняется с равномерными делениями и нанесена непосредственно на стеклянной трубе. Прибор устанавливается только в вертикальном положении. Градуировку газовых ротаметров произво-

гается паспорт с градуировочной таблицей.

Внешний вид ротаметра и его разрез представлен на рис. 1.10. Здесь: 1 – нижний упор; 2 – поплавок; 3 – трубка конусная; 4 – промежуточный упор; 5 – стягивающая шпилька; 6 – верхний упор.

Рис. 1.10

14

ряде случаев энергия в форме теплоты подводится от электрических нагревателей. Если ее потери отсутствуют, т.е. вся выделившаяся теплота при прохождении электрического тока по сопротивлению участвует в изучаемом процессе, то величина определяется по силе тока и падению напряжения на нагревателе:

= I . U.

При наличии потерь теплоты и в случае, когда тепловой поток создается неэлектрическими нагревателями (например, протекающим горячим газом по каналу), для определения значения исполь-

зуют калориметрический метод или метод теплопроводности.

Суть калориметрического метода определения теплового потока состоит в том, что количество теплоты в единицу времени вычисляется по массовому расходу газообразной или жидкой среды и изменению ее температуры:

В основу метода теплопроводности положено уравнение, выражающее закон Фурье:

= F Tn ,

где - коэффициент теплопроводности, Вт/(м ∙ К);

F - поверхность, через которую передается теплота, м2;

Tn - температурный градиент, К/м.

При определении величины теплового потока в этом случае необходимо лишь экспериментально найти значение температурного градиента, т.к. и F заранее известны.

В зависимости от геометрической формы тела, через которое передается теплота, можно определить величину теплового потока. по упрощенным выражениям. Так, для плоской неограниченной пластины

15

где - толщина пластины, м;

∆ t - перепад температуры на толщине , К.

Для цилиндрической стенки используется формула:

где F и d0 - площадь и диаметр со стороны внутренней или наружной поверхности цилиндрической стенки; - коэффициент теплопроводности материала стенки;

t1 и t2 - значения температур стенки на диаметрах d1 и d2. Выражения (1.2), (1.3) часто используются для определения ко-

эффициента теплопроводности по известному тепловому потоку. Методы определения при использовании выражения (1.2)

называются методами пластин, а с использованием выражения

(1.3) - методами толстостенной трубы.

1.3.Обработка результатов измерений

1.3.1.Табличный способ обработки

Втеплотехническом эксперименте приходится иметь дело с большим количеством опытных данных, которые впоследствии используются либо для вычисления некоторой величины, либо для построения графиков. В целях удобства расчетов или графических построений опытные данные должны быть определенным образом систематизированы. Это достигается занесением экспериментальных данных в таблицы, то есть, табулированием.

Табличное представление данных опыта имеет ряд преимуществ:

-таблицы просты, так как их построение не требует специальной бумаги, чертежных инструментов и т. п.;

-они позволяют обозреть все опытные данные;

-облегчают сравнение различных значений;

-сокращают время на вычисления.

Формы таблиц могут быть весьма разнообразны. В описываемых лабораторных работах в основном используются статические таблицы и таблицы функций.

Общим требованием к таблицам является наличие нумерацонного и тематического (названия) заголовков. Если отчет содержит только одну таблицу, то нумерационный заголовок не ставится.

16

Общая форма статической таблицы:

Название таблицы должно передавать ее краткое содержание. В первом столбце слева перечисляют отдельные наименования или обозначения переменного, принятые за независимые. Столбец аргумента должен иметь заголовок, указывающий на природу независимого переменного и обозначение единицы величины. Если же аргумент состоит из разнородных величин, которые не могут быть объединены одним общим названием, то заголовок опускается. Расположение значений аргумента по строкам определяется назначением таблицы. Иногда удобно располагать значения аргумента в последовательности, соответствующей порядку вычисления искомой величины.

Каждый последующий столбец, начиная со второго, должен иметь заголовок, указывающий обозначение протабулированных в нем величин и, если нужно,- единицы физических величин. Сокращениями или символами можно пользоваться лишь тогда, когда смысл этих сокращений или символов совершенно ясен. Заголовки некоторых столбцов иногда могут быть объединены в группы.

Форма таблицы функций такая же, как и для статической таблицы, с той лишь разницей, что значения зависимого переменного перечисляются в столбце аргумента, а в последующих столбцах, начиная со второго и далее, табулируются значения независимых переменных.

Рассмотрим пример составления таблицы для вычисления плотности газового потока в сечениях канала произвольной формы с

где - секундный массовый расход газа, кг/с; F - площадь поперечного сечения канала, м2; c - скорость газового потока, м/с;

- плотность газа, кг/м3.

17

При известном секундном расходе, например, = 20 кг/с плотность газа в конкретном сечении будет определяться площадью поперечного сечения и скоростью движения газа, известной из эксперимента.

За независимое переменное выберем площадь сечения канала (табл. 1.2). Плотность будет являться функцией площади и скорости. Внесем их в первый столбец в порядке, удобном для вычисления.

При заполнении таблицы числовые значения должны быть расположены так, чтобы запятые, отделяющие десятичные знаки, были размещены в каждом столбце по одной вертикали. При снятии показаний и вычислении следует ограничиваться третьей значащей цифрой, применяя при этом, если необходимо, правила округления. Значащей цифрой называется любой знак числа, который влияет на величину числа, а не только характеризует его положение в десятичной системе. Например: 123 и 0,123 - два числа, содержащих три значащие цифры. Для удобства записи в таблицу или для пользования табличными данными часто используют сокращения записи числовых значений. Так, числа 37300 и 0,00128 записываются следующим образом: 3,73 .104 и 1,28 .10-3.

Т а б л и ц а 1.2

Изменение параметров потока по длине канала

Если в таблице или строчке порядок цифр один и тот же, то удобно вынести степень 10 (10+ или 10--) за строчку или столбец.

Здесь ГОСТом установлено следующее правило: в заголовок строчки или столбца выносится число десять с обратным показателем степени. Например, таблица 4 Приложения: в заголовке столбца записано: λ 102, Вт/(м.К). При t = 0 0C табличное значение коэффициента теплопроводности воздуха равно 2,44 Вт/(м К), разделив его на 102, получим истинное значение λ=2,44 10-2 Вт/(м К).

Для получения величин в промежутке табулируемых значений используется интерполяция. Существуют многочисленные методы интерполяции для нахождения промежуточных значений y, соответ-

18

ствующих конкретным значениям x в пределах данной таблицы. Выбор надлежащего метода зависит от точности таблицы, характера представленной ею зависимости и желаемой точности вычисления. В инженерной практике в основном используются графический метод и метод пропорциональных частей.

Для нахождения с помощью графической интерполяции значения yi, соответствующего данному значению xi, нужно проделать следующие операции:

- выбрать из таблицы вблизи от xi несколько значений x и соответствующих ему y ;

-нанести эти значения на поле графика в координатах xy и соединить их плавной кривой;

-по величине xi найти из графика искомое значение yi.

Взависимости от числа нанесенных точек, выбранного масштаба и тщательности, с которой были нанесены точки и вычерчена кривая, можно получить требуемую точность интерполяции.

Когда необходимость в интерполяции по данной таблице единичная или графический метод не может быть осуществлен, можно использовать численный метод пропорциональных частей. В его основу положено допущение, что между протабулированными значениями x величина y меняется линейно. Значение y, соответствующее данному значению x, лежащему между двумя протабулированными точками ( x1;y1 ) и ( x2 ; y2 ), вычисляется по формуле:

1.3.2.Графический способ обработки

Полученные экспериментальные данные удобно анализировать, если они представлены графическими зависимостями. К достоинствам графиков можно отнести следующее:

-наглядность характера изменения величин;

-возможность анализа функциональной связи, представленной графиком;

-возможность математического описания экспериментальных данных.

Кроме того, они позволяют легко обнаружить наличие максимумов, точек перегиба, периодичности и других свойств данных. Для вычерчивания графиков, выражающих зависимость между двумя переменными, используется бумага со специальными координат-

19

ными сетками. На рис. 1.11 представлены сетки: а - миллиметровая; б - логарифмическая; в - полулогарифмическая.

Рис. 1.11

При построении графика важными решениями являются:

-выбор типа бумаги;

-выбор масштаба по осям координат;

-нанесение данных на график;

-проведение линии через нанесенные точки;

-составление заголовка для графика.

При выборе бумаги исходят из того, с какой сеткой (логарифмической, обыкновенной миллиметровой и др.) она наиболее подходит для строящегося графика.

Выбор масштаба по осям координат - наиболее ответственный момент при построении графика. При выборе масштаба следует руководствоваться следующими рекомендациями:

-масштаб для независимого переменного откладывается вдоль оси абсцисс;

-масштаб должен быть удобным, чтобы координаты любой точки графика можно было определить легко и быстро (на рис. 1.12 даны