Стартовая >> Архив >> Вопросы прямого преобразования энергии

Метод регистрации малых изменений температуры - Вопросы прямого преобразования энергии

Оглавление
Вопросы прямого преобразования энергии
Методика исследования термоэлектрического преобразователя энергии
Метод  определения максимального кпд термоэлектробатарей плоской конструкции
Метод регистрации малых изменений температуры
Применение разнесенных термоэлементов для уменьшения веса
Преобразование больших постоянных токов в переменные
Радиоизотопные термоэлектрические источники энергии
К созданию полостного высокотемпературного приемника солнечного излучения
Определение кпд светопровода методом нестационарного режима
Перспективы использования солнечных энергетических установок
Исследование возможности создания кремниевых фотопреобразователей с р-n-переходом
Энергетические характеристики фотопреобразователей
Об особенностях механизма проводимости органических полупроводников

А. П. ПЯТНИЦКИМ, Б. Н. ЕГОРОВ.
И. А. ЧУМИЧЕВА
МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ МАЛЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Во многих теплофизических исследованиях возникает необходимость регистрации малых изменений температуры.
В частности, эту задачу необходимо решать при измерении температуропроводности импульсным методом [1, 2]. Сущность метода заключается в том, что кратковременный световой импульс поглощается передней поверхностью теплоизолированного образца, вызывая тем самым рост температуры на обратной поверхности образца. Зная изменение температуры на обратной поверхности во времени, можно определить коэффициент температуропроводности исследуемого материала. Указанный метод базируется на решении задачи о температурном поле в плоско- параллельной пластине [3].
Согласно этому решению в случае, когда известна первоначальная температура Т(х, 0) и образец теплоизолирован, температурное распределение в момент τ выражается уравнением

0)
где L — толщина пластины;
а — коэффициент температуропроводности; п — порядковый номер.
Если импульс световой энергии Q поглощается мгновенно по всей передней поверхности образца на малую (по сравнению с L) глубину I, энергия распределяется равномерно по всей поверхности и время действия импульса значительно меньше времени распространения тепла по толщине образца, то распределение температуры на границах образца в начальный момент времени выражается соотношениями:

где с и р—теплоемкость и плотность материала образца соответственно.
При этих условиях, проведя ряд преобразований уравнения (1), получаем
(2)
где Т(х, L) — мгновенное значение превышения температуры обратной поверхности над установившейся температурой в момент времени т;
Тмакс — максимальное приращение температуры этой поверхности.
Рис. 1. Кривая подъема температуры обратной поверхности образца в относительных координатах


Ход изменения температуры обратной поверхности образца в относительных координатах описывается кривой, представленной на рис. 1.

Уравнение (2) упрощается при А =0,5. В этом случае коэффициент температуропроводности равен
(3)
где τ2—время, за которое температура обратной поверхности достигает половины своего максимального значения. Следовательно, для определения коэффициента температуропроводности достаточно знать толщину образца L и время τ1. Следует отметить, что в окончательную формулу (3) не входит абсолютная величина температуры, при которой исследуется образец, что существенно снижает общую ошибку измерений.
Итак, практическое осуществление импульсного метода требует решения сложной задачи регистрации небольших изменений температуры поверхности тела (порядка 10—20° С) на фоне значительных температур (1000—2000°С), причем изменение температуры происходит за очень короткий промежуток времени (0,1:0,5 сек).
Для регистрации малых перепадов температур может быть использован как контактный, так и бесконтактный методы.
При контактном методе в качестве датчика температуры обычно используются термопары или термометры сопротивления. Малые размеры образцов и большая скорость изменения температуры в условиях рассматриваемой задачи не позволяют успешно использовать контактный метод из-за инерционности и малой чувствительности датчиков.
Поэтому в экспериментальной установке был использован бесконтактный метод регистрации температуры с использованием в качестве датчика температуры фотоэлектронного умножителя. Для отработки схемы измерений была собрана установка, состоящая из нагреваемой пластины, фотоумножителя, импульсной лампы, осциллографа и системы питания фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Исследуемый образец нагревался постоянным током до температуры 800:1000° С. С помощью уплотнений он прижимался к металлическому кожуху с отверстием, через которое проходил импульс света от лампы-вспышки, помещенной внутри кожуха. Разряд лампы длился 0,008 сек. За это время выделялось 500 дж энергии. Напряжение зажигания лампы составляло 400 в, емкость питающего блока конденсаторов 4х103 мкф. Фотокатод ФЭУ располагался на противоположной от лампы-вспышки стороне образца.
Для устранения влияния посторонних источников света фотокатод диафрагмировался трубкой с внутренним диаметром 3 мм, конец которой находился на расстоянии 1—2 мм от нагретой пластины. В опытах применялся ФЭУ-19М с сурьмяно-цезиевым катодом и 13 каскадами умножения. Напряжение питания от стабилизированного выпрямителя типа ВС-22 составляло 1000:1200 в. Область спектральной чувствительности ФЭУ-19М лежит в пределах 0,35:0,60 мк.

От вспышки импульсной лампы температура на поверхности пластины повысилась на 10:20° С. Подъем температуры фиксировался фотоумножителем, выходной сигнал которого подавался на вход осциллографа. Осциллограмма процесса фотографировалась. На выходе фотоумножителя получились две составляющие: постоянное напряжение, пропорциональное постоянному световому потоку, и переменное напряжение, пропорциональное импульсному изменению светового потока. Причем постоянное напряжение было значительно больше переменного, поэтому для наблюдения исследуемого процесса на экране осциллографа необходимо было устранить постоянную составляющую.

Устранение постоянной составляющей при быстропеременных исследуемых процессах возможно или с помощью разделительной емкости или в схеме автоматической компенсации. При отработке методики измерений с ФЭУ были испробованы оба метода. При экспериментальной проверке на реальном сигнале лучшие результаты были получены при использовании разделительной емкости. Величина разделительной емкости была выбрана из условия τ > τ1 с учетом реальных параметров сигнала и элементов усилительного тракта. Длительность процесса τ≈0,1 сек. Тогда: τ≥τ1; τ= RC; RС>0,1 сек; R = 510 ком;

В схеме поставлена емкость 20 мкф. Полная электрическая схема макета прибора представлена на рис. 2. Схема работает следующим образом.

Рис. 2. Электрическая схема установки
1—лампа-вспышка ИФК-500; 2 — образец; 3 — ФЭУ; 4 — универсальный источник питания; 5 — осциллограф С1-19; 6 — кварцевый генератор; конденсаторы: С1=0,5 мкф; С2=7500 пф; С3 = 20 мкф; С4=0,086 мкф; С5—С12= 1300 мкф; сопротивления: R1= 560 ком; R2=6,8 ком; R3=110 ком

При положении 1 переключателя П1 блок конденсаторов C5:C12 заряжается от универсального источника питания постоянным напряжением 500 в. При переключении в положение 2 заряжается конденсатор С1. При переводе трехпозиционного переключателя П2 из нейтрального положения в положение 1 происходит запуск развертки осциллографа дифференцированным фронтом скачка напряжения Uс1. При переводе переключателя П2 в положение 2 происходит зажигание лампы-вспышки и дается отметка начала процесса. Индуктивность L1 применяется для уменьшения длительности импульса отметки. Временные метки поступают на вход осциллографа от кварцевого генератора с частотой 100 гц через делитель напряжения R2—R2. Применение кварцевого генератора меток оказалось необходимым для получения большей точности временного масштаба.

Рис. 3 Осциллограмма процесса роста температуры обратной поверхности образца
С помощью описанной схемы измерения были получены записи подъема температуры пластины. На рис. 3 дан график одной из таких записей, представляющих осциллограмму процесса роста температуры обратной поверхности пластины. На графике показаны отметки запуска развертки осциллографа (а), начала процесса (b) и времени (τ). Вид кривой качественно соответствует теоретическому (полного совпадения не должно быть из-за несоблюдения граничных условий, что не требовалось при решении задачи регистрации скачка температуры). Проведенные опыты показали также высокую чувствительность схемы: были измерены подъемы температуры в 10—20° С на фоне 800:1000° С.



 
« Антикоррозионная защита полимерными порошковыми материалами   Вопросы эффективности производства и качества работы »
электрические сети