Головна

Лекція 1. Теплові перетворювачі

  1.  Pound ;. Вхідні перетворювачі аналогових сигналів
  2.  Аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі
  3.  Аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі
  4.  Аналого-цифрові перетворювачі
  5.  аналогові перетворювачі
  6.  Вступна лекція
  7.  Вентильніперетворювачі напруги постійного струму

11-1.Теоретичні основи РОЗРАХУНКУ ТЕПЛОВИХ перетворювачів

Основним рівнянням теплового перетворення є рівняння теплового балансу, фізичний зміст якого полягає в тому, що вся теплота, яка надходить до перетворювача, йде на підвищення його теплосодержания  і, отже, якщо теплосодержание перетворювача залишається незмінним (не змінюється температура і агрегатний стан), то кількість що надходить в одиницю часу теплоти дорівнює кількості віддається теплоти. Теплота, що надходить до перетворювача, є сумою кількості теплоти  , Створюваної в результаті виділення в ньому електричної потужності й кількості теплоти  , Що надходить в перетворювач чи віддається їм у результаті теплообміну з навколишнім середовищем.

тепломісткість при незмінному агрегатному стані речовини залежить від маси m і питомої теплоємності с матеріалу перетворювача і пов'язане з температурою  перетворювача формулою

.

Теплообмін здійснюється трьома різними способами.

При теплообміні за допомогою теплопровідності перенесення теплової енергії відбувається тільки шляхом взаємодії часток, що знаходяться в безпосередньому зіткненні один з одним і мають різну температуру. Теплообмін шляхом теплопровідності в чистому вигляді має місце тільки в твердих тілах.

теплообмін за допомогою конвекції відбувається шляхом переміщення матеріальних частинок і може мати місце лише в рідинах або газах. Якщо причиною руху потоків рідини або газу є неоднакова щільність середовища, викликана різницею температур, то говорять про природної конвекції. Рух потоків під дією зовнішніх причин викликає вимушену конвекцію.

Третім способом теплообміну є теплообмін за допомогою випромінювання. Теплове випромінювання являє собою потік електромагнітних хвиль, випромінюваних тілом за рахунок його теплової енергії і повністю або частково поглинаються іншими тілами.

На практиці зазвичай має місце комбінація різних способів теплообміну, які можуть бути враховані приводяться нижче формулами.

теплопровідність. поширення теплоти шляхом теплопровідності визначається законом Фур'є

,

де q - Теплової ноток, що представляє собою кількість теплоти, переданої в одиницю часу через одиницю поверхні, ;  - Градієнт температури;  - Теплопровідність, .

Теплопровідність залежить від природи і фізичного стану речовини. В анізотропних тілах вона залежить, крім того, від напрямку поширення теплоти. Кращими провідниками теплоти є метали. Найменшою теплопровідністю мають гази. Для газів теплопровідність залежить не тільки від складу газу, але і від температури і при великому розрідженні - від тиску.

Повний тепловий потік, створюваний різницею температур, визначається формулою

,  (11-1)

де  - Теплова провідність середовища;  - Теплове (або термічне) опір середовища.

Теплова провідність середовища залежить від теплопровідності, яка визначається за довідковими даними з геометричних співвідношень, і для її розрахунку можна використовувати аналогічні формули електричної провідності, замінивши питому провідність теплопровідністю.

Теплова провідність плоскої стінки

,

де S - Площа стінки;  - товщина стінки.

Теплова провідність циліндричної стінки

,

де l - Довжина циліндра; d1 , d2- Діаметри відповідно зовнішньої і внутрішньої стінок циліндра.

Конвекція. повний тепловий потік в результаті тепловіддачі визначається формулою Ньютона,

,  (11-2)

де ? - Коефіцієнт тепловіддачі, ; S - Поверхню тіла; ?? - різниця температур навколишнього середовища і тіла. Коефіцієнт тепловіддачі при природній та вимушеної конвекції розраховується на підставі теорій теплового і геометричного подоб.

 a)  б)  в)
 Мал. 11-1

При штучної конвекції при поперечному омивання циліндра (рис. 11-1, а) коефіцієнт тепловіддачі для газів виражається формулою

,  (11-3)

де d - Діаметр циліндра;  - Швидкість руху газу;  - Кінематична в'язкість, рівна абсолютній в'язкості, віднесеної до щільності речовини;  - Теплопровідність газу; с и п є функціями швидкості газу і розмірів циліндра і визначаються по попередньо розрахованій сумі, званої критерієм Рейнольдса , з табл. 11-1.

 Таблиця 11-1
 Re c n
 5-8080-5 5  0,930,7150,226  0,400,460,60
 Таблиця 11-2
, м2/ c ,
 13,7015,7023,7880,40  2,332,563,025,46

При розрахунку коефіцієнта тепловіддачі для рідини в формулу (11-3) входить критерій Прандтля Pr:

.

критерій Прандтля  залежить від кінематичної в'язкості  і температуропроводности а, фізичний зміст якої полягає в тому, що вона є мірою швидкості вирівнювання температур разлічнихточек рідини. Температуропроводності залежить від теплопровідності %, щільності у і питомої теплоємності речовини с і визначається формулою .

Наведені формули для тепловіддачі циліндра в поперечному потоці справедливі тільки для випадку, коли кут  , Складений віссю ціліндраінаправленіем потоку і званий кутом атаки, дорівнює 90 °. Залежність коефіцієнта тепловіддачі від кута атаки представлена ??на рис. 11-1, б.

У табл. 11-2 і 11-3 наведені основні параметри відповідно сухого повітря при Р =105 Па і води, необхідні для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі. Температура, при якій визначені параметри в табл. 11-2 і 11-3, вважається як середньоарифметична температура тіла і середовища.

Таблиця 11-3

, м2/ c , а, м2/ c
 1,00,4790,366  0,60,660,69  1,421,611,64

теплове випромінюваннявластиво всім тілам, і кожне з них безперервно випромінює і поглинає енергію. Різниця між випромінюваної і поглинається тілом променистою енергією відмінна від нуля, якщо температура тіл, що беруть участь у взаємному обміні променистою енергією, різна. Згідно із законом Стефана - Больцмана повне кількість енергії, випромінюваної в одиницю часу одиницею поверхні, що має температуру ?, так само  , де - 5,7  - Константа випромінювання абсолютно чорного тіла.

У технічних розрахунках цей закон застосовується в більш зручній формі  , де С0 - Коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла: С0 = 5,7  . Закон Стефана - Больцмана застосуємо і до реальних сірим тілам, але їх коефіцієнт випромінювання С розраховується з урахуванням відносної випромінювальної здатності або ступеня чорноти тіла  , Т. Е.  . значення  змінюється в межах від нуля до одиниці і приводиться в таблицях .

Кількість поглинається тілом променевої енергії також залежить від ступеня чорноти тіла і визначається формулою , де - Ззовні падаюче ефективне випромінювання навколишніх тіл. При виведенні формул променистого теплообміну між тілами необхідно враховувати, крім випромінювальної, поглотительной і відбивної здатності тіл, їх розміри і напрям випромінювань. Відносно прості формули можуть бути приведені тільки для теплообміну між плоскими паралельними поверхнями і між двома поверхнями в замкнутому просторі, коли одна з поверхонь охоплює іншу, обов'язково опуклу поверхню (рис. 11-1, в).

У першому випадку кількість теплоти на 1 м2 площі в одну секунду одно

.

У другому випадку кількість теплоти, одержуваної або віддається в одну секунду меншим тілом з поверхнею S1 становить

Для зменшення випромінювання тіла при заданих температурах зменшують його ступінь чорноти і застосовують екран.

Рівняння теплового балансу перетворювачів при незмінному агрегатному стані середовища і постійної температуретел визначається як

,

де  - Теплота Джоуля-Ленца, що виділяється в перетворювачі; . , и  - Теплові потоки відповідно в результаті теплопровідності через перетворювач, через навколишнє середовище, внаслідок конвекції і теплового випромінювання. Ці теплові потоки показані на рис. 11-2.

 Мал. 11-2

Висловлюючи відповідними формулами всі види теплових втрат, рівняння теплового балансу можна представити як

,  (11-4)

де , ,  - Відповідно температури зовнішнього середовища, середовища, що оточує перетворювач, істенок.

Як видно з цього рівняння, температура перетворювача залежить від температури навколишнього середовища, від коефіцієнта тепловіддачі ?, що залежить від швидкості руху навколишнього середовища, від теплової провідності середовища, яка визначається її властивостями, від геометричної форми навколишніх тіл і відстані їх до перетворювача. Підкресливши відповідний ефект і зробивши нехтує малими всі інші, теплові перетворювачі можна використовувати для вимірювання температури середовища, швидкості її руху, концентрації речовини, ізменяющеготеплопроводность середовища, і переміщення.

Принцип дії відповідних перетворювачів проілюстрований на рис. 11-3.

 а)  б)  в)  г)
 
 Мал. 11-3

Пристрій датчика термоанемометра, службовця для вимірювання швидкості газового потоку, показано на рис. 11-3, а. Нитка 1 нагрівається до 200-800 ° С протікає по ній струмом і одночасно охолоджується обдуває її газовим потоком. Якщо ефект знесення теплоти перевершує інші охолоджуючі чинники, то рівняння теплового балансу (11-4)може бути представлено у вигляді  . Оскільки коефіцієнт тепловіддачі є функцією швидкості  , То з наведеного рівняння випливає, що в режимі заданого струму I = const температура нитки  є функцією швидкості, а в режимі заданої температури  = const необхідну зміну струму  буде функцією швидкості  . У датчику, показаному на рис. 11-3, а, нитка виконана з платинового дроту (діаметр 5-20 мкм, довжина 2-10 мм), опір якої змінюється з температурою, і припаяна до двох манганіновим стерженьками 2. Крізь ручку 3 пропущені висновки 4 для включення датчика в вимірювальну ланцюг.

На рис. 11-3,б дано принциповий пристрій перетворювача газоаналізатора. Платинова дріт 1, що підігрівається протікає по ній струмом до температури = 100 ? 200 ° С, натягнута по осі камери. В камеру через канал надходить з дуже малою швидкістю досліджувана газова суміш. Розміри камери і дроту і швидкість протікання газу обрані таким чином, щоб можна було знехтувати всіма тепловими втратами, крім теплових втрат в результаті теплопровідності навколишнього середовища. Тоді рівняння (11-4) може бути представлено у вигляді  . Коефіцієнт теплопровідності газу залежить від складу газу, і, отже, при струмі I = const температура дроту і її опір залежать від складу газу. Зокрема, для суміші повітря з вуглекислим газом, теплопровідність якого менше теплопровідності повітря, температура нитки буде тим вище, чим більше концентрація вуглекислого газу.

На рис. 11-3, б показаний принцип дії вакуумметра. У герметичній колбі поміщені нагрівач 2 ітермопара 1, яка вимірює температуру нагрівача. Колба приєднується до порожнини, вакуум в якій вимірюється. Через нагрівач пропускається струм. В діапазоні тисків 1 -10-4 Па теплопровідність газу зменшується зі зменшенням тиску, тому при заданому струмі температура нагрівача буде тим вище, чим вище вакуум.

На рис. 11-3, г представлено принциповий пристрій сигналізатора рівня. Датчик являє собою платинову нитка 2діаметром 25 мкм і довжиною 2 мм,закріплену між двома власниками 1 і вивільнивши на задану глибину. У повітрі нитка нагрівається пропускається по ній струмом до 250 оС. При зіткненні з рідиною тепловіддача з нитки збільшується і температура і опір нитки різко зменшуються.

перехідний процес нагрівання або охолодження тіла описується рівнянням теплового балансу. У стадії регулярного теплового режиму в рівнянні (11-4)з'являється член, що враховує додаткову теплоту, що йде на підвищення теплосодержания тіла:

,  (11-5)

Якщо знехтувати втратами на випромінювання, то з рівняння (11-5) видно, що теплової перетворювач є апериодическим перетворювачем з постійною часу , де - сумарний коефіцієнт теплопередачі, який визначається теплопровідністю і конвекцією. Необхідно звернути увагу на те, що постійна часу теплового перетворювача залежить від умов охолодження і буде різною для одного і тогож перетворювача, що знаходиться в повітрі і в рідини, в спокійній рідини і в рідині, що рухається і т. Д. Чим більше  , Тим швидше протікає перехідний процес. при великих  і малих постійних часу Т необхідно враховувати стадію дорегулярного режиму, якій при описі перехідного процесу зазвичай можна знехтувати. В цьому випадку для оцінки перехідного процесу не можна користуватися рівнянням (11-5) і потрібно вдаватися до спеціальної літератури. У стадії регулярного теплового режиму температура перетворювача в операторної формі визначається рівнянням

.

Перехідний процес в перетворювачі при раптовому стрибкоподібному зміні температури на величину ??ср описується рівнянням

,

де  - Початкова температура перетворювача.

У більшості випадків при описі перехідного процесу нехтують статичної похибкою через наявність теплопровідності через перетворювач  і висловлюють перехідний процес рівнянням

; .  (11-6)

Перехідний процес при раптовій зміні одного з коефіцієнтів тепловіддачі, наприклад при зміні  внаслідок зміни швидкості руху навколишнього середовища, описується рівнянні:

 , де

.





 Лекція 2. Тензодатчики |  Конструкції інтегральних напівпровідникових тензорезисторів |  Про досвід розробки електронного реєстратора внутрішньочерепного (епідурального) тиску РЕД-1 |  Лекція 3. Вимірювальні ланцюга тензорезисторов |  Лекція 4. П'єзоелектричні перетворювачі |  Лекція 5. П'єзоелектричні перетворювачі сили, тиску і прискорення |  Лекція 6. Пьезорезонансние перетворювачі |  Лекція 7. Вимірювальні перетворювачі, Засновані на використанні Поверхневих акустичних хвиль |  Лекція 8. Електростатичні перетворювачі |  Лекція 9. Ємнісні перетворювачі |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати