Реферат: Тепловые преобразователи

.

Для уменьшения лучеиспускания тела при заданных температурах уменьшают его степень черноты и применяют экран.

Уравнение теплового баланса преобразователей при неизменном агрегатном состоянии среды и постоянной температуре тел определяется как

,

где q _э = i ² R — теплота Джоуля—Ленца, выделяющаяся в преобразователе; q ’_тп , q _тп , q _конв и q _л.и — тепловые потоки соответственно в результате теплопроводности через преобра-зователь, через окружающую среду, вследствие конвекции и теплового излучения. Эти тепловые потоки пказаны на рис. 2.

Выражая соответствующими формулами все виды тепловых потерь, уравнение теплового баланса можно представить как

(4)

Q_cr

где Q_а , Q_ср , Q_ст — соответственно температуры внешней среды, окружающей преобразователь, и стенок.

Как видно из этого уравнения, температура преобразователя зависит от температуры окружающей среды, от коэффициента теплоотдачи x, зависящего от скорости движения окружающей среды, от тепловой проводимости среды, определяемой ее свойствами, от геометрической формы окружающих тел и расстояния их до преобразователя.

Подчеркнув соответствующий эффект и сделав пренебрежимо малыми все остальные, тепловые преобразователи можно использовать для измерения температуры среды, скорости ее движения, концентрации вещества, изменяющего теплопроводность среды, и перемещения.

Принцип действия соответствующих преобразователей проиллюстрирован рис. 3.

Устройство датчика термоанемометра, служащего для измерения скорости газового потока, показано на рис. 3, а. Нить 1 нагревается до 200—800 °С протекающим по ней током и одновременно охлаждается обдувающим ее газовым потоком. Если эффект сноса теплоты превосходит другие охлаждающие факторы, то уравнение теплового баланса (4) может быть представлено в виде . Поскольку коэффициент теплоотдачи является функцией скорости x = f(υ), то из приведенного уравнения следует, что в режиме заданного тока I = const температура нити Q = f(υ), является функцией скорости, а в режиме заданной температуры Q = const требуемое изменение тока ΔI будет функцией скорости ΔI= j (υ). В датчике, показанном на рис. 3, а, нить выполнена из платиновой проволоки (диаметр 5—20 мкм, длина 2—10 мм), сопротивление которой меняется с температурой, и припаяна к двум манганиновым стерженькам 2. Сквозь ручку 3 пропущены выводы 4 для включения датчика в измерительную цепь.

На рис. 11-3, б дано принципиальное устройство преобразователя газоанализатора. Платиновая проволока 1, подогреваемая протекающим по ней током до температуры Q = 100 ¸ 200 °С, натянута по оси камеры. В камеру через канал поступает с очень малой скоростью исследуемая газовая смесь. Размеры камеры и проволоки и скорость протекания газа выбраны таким образом, чтобы можно было пренебречь всеми тепловыми потерями, кроме тепловых потерь в результате теплопроводности окружающей среды. Тогда уравнение (4) может быть представлено в виде . Коэффициент теплопроводности газа зависит от состава газа, и, следовательно, при токе I = const температура проволоки и ее сопротивление зависят от состава газа. В частности, для смеси воздуха с углекислым газом, теплопроводность которого меньше теплопроводности воздуха, температура нити будет тем выше, чем больше концентрация углекислого газа.

Рис. 11-3

Переходный процесс нагревания или охлаждения тела описывается уравнением теплового баланса. В стадии регулярного теплового режима в уравнении (4) появляется член, учитывающий дополнительную теплоту, идущую на повышение теплосодержания тела:

(5)

Если пренебречь потерями на излучение, то из уравнения (5) видно, что тепловой преобразователь является апериодическим преобразователем с постоянной времени

Т = mc / x _å ,

где x _å = G '_е + G _Q + x S — суммарный коэффициент теплопередачи, определяемый теплопроводностью и конвекцией. Необходимо обратить внимание на то, что постоянная времени теплового преобразователя зависит от условий охлаждения и будет различной для одного и того же пpeобразователя, находящегося в воздухе и в жидкости, в спокойной жидкости и в движущейся жидкости и т. д. Чем больше x _å , тем быстрее протекает переходный процесс. При больших x _å и малых постоянных времени Т необходимо учитывать стадию дорегулярного режима, которой при описании переходного процесса обычно можно пренебречь.; В этом случае для оценки переходного процесса нельзя пользоваться уравнением (5) и нужно прибегать к специальной литературе.В стадии регулярного теплового режима температура преобразователя' в операторной форме определяется уравнением

.

Переходный процесс в преобразователе при внезапном скачкообразном изменении температуры на величину ΔQ_ср описывается уравнением

где Q₀ — начальная температура преобразователя.

В большинстве случаев при описании переходного процесса пренебрегают статической погрешностью из-за наличия теплопроводности через преобразователь G« и выражают переходный процесс уравнением

(6)

Переходный процесс при внезапном изменении одного из коэффициентов теплоотдачи, например при изменении x вследствие изменения скорости движения окружающей среды, описывается уравнением