Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Дипломная работа (магистр) Перспективи застосування елементів Пельтьє в метрологічній практиці - файл Rozdil1a.doc


Загрузка...
Дипломная работа (магистр) Перспективи застосування елементів Пельтьє в метрологічній практиці
скачать (628.3 kb.)

Доступные файлы (7):

9_ekon1.doc294kb.05.12.2003 00:21скачать
ohprac.doc80kb.11.11.2003 11:41скачать
Rozdil1a.doc580kb.29.10.2003 05:52скачать
Rozdil2a.doc228kb.24.11.2009 19:06скачать
Rozdil3.doc123kb.29.10.2003 05:38скачать
sit_grafic1.doc65kb.05.12.2003 00:35скачать
ZMIST.doc46kb.29.10.2003 05:41скачать

Rozdil1a.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...






ВСТУП

Необхідність та важливість температурних вимірювань у справі подальшого прогресу наукових досліджень і розвитку провідних сучасних галузей народного господарства України зокрема, таких як кріоенергетика, ядерна та аерокосмічна техніка, металургійна і хімічна промисловість - цілком очевидні і сумніву не підлягають. Однак, не зважаючи на широку номенклатуру засобів вимірювання температури, що серійно випускаються сьогодні як у нас так і за рубежем, за їх допомогою, на жаль, не вдається повністю задовольнити комплекс вимог, які висувають наука та народне господарство України. Це підтверджується проведенням великої кількості як суто наукових, так і прикладних робіт, спрямованих на пошук шляхів удосконалення існуючих та створення нових первинних термоперетворювачів з покращеними метрологічними і експлуатаційними характеристиками.

Пріоритетним напрямком у вирішенні цієї проблеми, на наш погляд, є розвиток електротермометрії на засадах використання нових методів, фізичних ефектів і матеріалів. Таким чином, створення і дослідження нових типів первинних термоперетворювачів на основі нових матеріалів є актуальним завданням, вирішення якого необхідне для прискорення науково-технічного прогресу в усіх напрямках науки, техніки, медицини, екології та ін. В свою чергу, вирішення цього питання неможливе без вирішення проблеми створення нових засобів відтворення температурних точок, в яких проходить процес градуювання чи верифікації.

В цьому аспекті особливо актуальною є проблема створення єдиного економічного та портативного засобу, призначеного як для відтворення температурних точок, так і для підвищення метрологічної достовірності процесу верифікації в широкому діапазоні (від кріогенних і до середніх) температур, чому і присвячено проведений в даній роботі комплекс досліджень.

РОЗДІЛ 1

^ АНАЛІЗ МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ РЕАЛІЗАЦІЇ ТЕМПЕРАТУРНИХ ШКАЛ І ВЕРИФІКАЦІЇ ТА ГРАДУЮВАННЯ ТЕРМОПЕРЕТВОРЮВАЧІВ
Найважливішою вимогою, яку повинна задовольняти будь-яка температурна шкала, є визначення з її допомогою значень температур, які входять в рівняння термодинаміки. Це обмежує кількість співвідношень, які необхідні для встановлення температурної шкали, але ускладнює задачу здійснення практичної термометрії.

Застосування точних співвідношень, які є наслідком другого начала термодинаміки, вимагає створення складної апаратури, незручної для практики як в термометрії, так і в різноманітних експериментах при низьких температурах.

Виходом з такої досить складної ситуації є введення практичних температурних шкал, в яких використовуються прості вторинні термометри і методи передачі термодинамічної температури до цих вторинних термометрів від первинних, які відтворюють термодинамічну температуру.

Під практичною температурною шкалою звичайно розуміють сукупність методів і засобів, які позволяють, по можливості просто, вимірювати температуру достатньо близько до її термодинамічного значення. Таким чином, для практичної температурної шкали необхідним є, перш за все, досить добре співпадання з термодинамічною шкалою, яке відповідає сучасним вимогам до точності вимірювань температури.

Наступною, не меш важливою, умовою є порівняно легка реалізація шкали, тобто простота вимірювань температури рекомендованими приладами, простота градуювання, а також розрахунок температури за показами цих приладів. Окрім того, практична температурна шкала повинна визначатися такими правилами, щоб при дотриманні їх кожного разу вдавалося відтворити значення термодинамічної температури з похибкою, яка гарантується даною практичною шкалою. Це необхідно для забезпечення єдності вимірювань температури.

У зв’язку зі сказаним, встановленню практичної температурної шкали передує великий цикл робіт, який включає наступні основні етапи:

1. Створення первинного приладу, здатного відтворювати термодинамічну температуру із заданою точністю, оскільки методи і засоби, які застосовуються для встановлення практичних температурних шкал і для вимірювання температур в робочих умовах, залежать властиво від температурного діапазону.

2. Створення апаратури для реалізації температур фазових рівноваг ряду речовин, які використовуються при визначенні констант первинного приладу і градуюванні термометрів. Числові значення термодинамічних температур фазових рівноваг – реперних точок – вимірюють первинним приладом.

3. Створення високостабільних і чутливих вторинних термометрів, достатньо зручних і простих для постійного використання, які можуть бути проградуйовані за первинним приладом.

4. Розробка простих і точних методів градуювання вторинних термометрів, які не вимагають використання первинних в процесі градуювання.

Після реалізації цієї програми, тобто створення необхідної апаратури і проведення дослідів, практична температурна шкала, яка забезпечує конкретну точність і єдність температурних вимірювань, може вважатися встановленою.

Звично подібні роботи проводяться в різних країнах, а за результатами цих робіт створюються національні практичні температурні шкали, а потім - шляхом міжнародних звірянь еталонних термометрів, приходять до встановлення єдиної міжнародної шкали.

Весь інтервал температурних вимірювань, які використовуються на практиці, прийнято поділяти на температурні діапазони вище і нижче 273,15 К. Методи і засоби як для становлення практичних температурних шкал, так і для вимірювання температур в робочих умовах відрізняються один від одного в залежності від температурного діапазону.

У відповідності з рішенням XIII конференції по холоду введено поняття ”Кріогенна температура”, яка охоплює діапазон 0 - 120 К. Цей діапазон температур забезпечується кріогенною технікою. Діапазон вище 120 К (до 300 К) відноситься до холодильної техніки. В роботах, які пов’язані зі встановленням міжнародних і державних температурних шкал, прийнято поділяти інтервали у відповідності з діапазонами температурних шкал. Ці діапазони визначаються експериментальними особливостями конструкцій первинних приладів (наприклад, газових термометрів), температурними залежностями інтерполяційних приладів (наприклад, Т(R) для термометрів опору) і розташуванням температур реперних точок на температурній шкалі.

На рис. 1.1 представлена схема розподілу температурних точок і температурних інтервалів 1. Температури від 273,15 до 90,188 К у низькотемпературній термометрії відносять до середніх температур. В якості хладоагента використовують зріджений азот.

Температури від точки кипіння кисню (90,188 К) до потрійної точки водню (13,81 К) прийнято називати низькими. Хладоагентом служить зріджений водень. Від 4,2 до 13,81 К знаходиться так звана проміжна область, для реалізації якої використовують рідкий гелій.

Далі простягається область гелієвого холоду (температурний інтервал приблизно до 5 – 4 К). В якості хладоагента застосовують також рідкий гелій. Відношення температур на границях цієї області дуже велике. Вища температура в 4 – 5 раз перевищує нижчу цього інтервалу; таке ж співвідношення має область температур від кімнатної (300 К) до 1000 0С (1300 К). Найнижчі температури, які вдається о
тримати відкачуванням парів гелію, складають 0,7 К при використанні 4Не і 0,4 К при використанні 3Не.

Ще нижче розташований інтервал, який у фізиці низьких температур прийнято називати областю наднизьких температур (нижче 1 К). Температури нижче 1 К отримуються методами, які відрізняються від тих, які застосовуються при температурах вище 1 К і зводяться до магнітних методів охолодження. Температури від 1 до 0,001 К отримують адіабатичним розмагнічуванням парамагнітних солей. В цьому методі парамагнітна сіль ізотермічно намагнічується при найнижчих температурах, які можуть бути отримані з допомогою рідкого гелію, і потім адіабатично розмагнічуються.

Останні роки в лабораторній практиці широко поширений метод розчинення 3Не в 4Не. Найнижча температура, яку вдалося отримати таким методом, складає 8 – 20 мК. Для отримання ще більш низької температури використовують ядерний парамагнетизм, з його допомогою вдалося провести ядерне розмагнічування міді від початкових полів в 28 кЕ і температури 0,012 К приблизно до 2.10-6 К. Можливо, що зі збільшенням полів і зменшенням початкової температури можна буде досягнути ще більш низьких температур. Найнижча температура, яка була досягнута до теперішнього часу, приблизно оцінюється в 2.10-6 К.

1.1. Аналіз засобів та способів градуювання термоперетворювачів в реперних точках МТШ-90

Градуювання (перевірку) термоперетворювачів в реперних точках шкали МТШ-90 в тій її частині, яка відтворюється платиновими термоперетворювачами опору, проводять в установках, які по способу встановлення температурних точок працюють або в ізотермічному (рис. 1.2), або адіабатичному режимі (рис. 1.3).

Основою обох систем є кріостат, який в свою чергу є скляною або металічною посудиною Дюара 1, яка наповнена зрідженим газом. Газ вибирають в залежності від температури реперної точки, яку відтворюють, від способу її відтворення і підтримування. У зріджений газ опускають мідний блок 2, в якому розміщують платиновий термометр 6 в якості еталона і платиновий термометр 7, який підлягає градуюванню (повірці).

В блоці 2 є порожнина 3, з’єднана капіляром із прецизійним ртутним манометром 5. Порожнина 3 заповнена газом високої чистоти, температура якого, або потрійна точка якого визначає потрібну реперну точку шкали. Елементи 3, 4, 5 створюють наповнений чистим газом конденсаційний термометр, який визначає температуру блока 2 по тиску парів в порожнині 3, який вимірюється ртутним манометром 5. Точність цього термометра має вирішальне значення для оцінки похибки, з якою встановлена необхідна температурна точка.

Специфічні елементи ізотермічної системи. В ізотермічній системі (рис. 1.2) посудина Дюара заповнений технічним зрідженим газом з температурою, яка є близькою температурі необхідної реперної точки, яка визначається тиском парів в порожнині 3. Оскільки блок 2 знаходиться в прямому контакті зі зрідженим газом в посудині 1, його температура рівна температурі зрідженого газу (ізотермічний стан). Плавно і точно змінюючи тиск парів над дзеркалом зрідженого газу в посудині 1, встановлюють температуру кипіння рідини так, щоб температура блоку 2, яка вимірюється конденсаційним термометром, співпала з температурою потрібної реперної точки.

Тиск парів регулюється вакуумним насосом 9, який пов’язаний з чутливим маностатом 8, який автоматично підтримує заданий тиск парів над дзеркалом рідини, а тим самим і температуру реперної точки.

Описаний принцип відтворення і підтримування реперної точки використовують для реалізації точок кипіння кисню, неону або водню і потрійних точок кисню або водню, тобто реперних точок шкали, при наповнені посудини Дюара рідким киснем, неоном або воднем.

Специфічні елементи адіабатичної системи. В адіабатичній системі (рис. 1.3) посудина Дюара 1 наповнена зрідженим газом з температурою нижче температури необхідної реперної точки, яка визначається тиском парів в порожнині 3. Блок не знаходиться в безпосередньому контакті зі зрідженим газом посудини Дюара 1, а розміщений в спеціальній вакуумній камері 8. Вакуум створює теплову ізоляцію блоку 2 від температури зрідженого газу (адіабатичний стан), тому температуру блоку до потрібної температури реперної точки доводять електричним нагрівом. Поволі і акуратно регулюючи нагрів блоку 2, встановлюють його температуру, яка вимірюється конденсаційним термометром, так, щоб вона відповідала температурі реперної точки.

Для цієї цілі блок 2 має електричний нагрівальний елемент 9 і сенсор температури блока 10. Обидва засоби пов’язані з електронним регулятором температури 11, який автоматично підтримує температуру блоку, і тим самим температуру реперної точки.

Описаний принцип відтворення і підтримування температури використовують для реалізації температури кипіння кисню, якщо заповнюють посудину Дюара 1 рідким азотом, або точок кипіння неону і водню при заповнені посудини Дюара рідким гелієм.

^ 1.1.1. Установка для градуювання низькотемпературних термоперетворювачів з ізотермічним кріостатом

Прикладом способу градуювання термометрів з використанням ізотермічного кріостату може слугувати градуювання в діапазоні 1,5 – 4,2 К в установці, яка дозволяє:

1) відтворювати градуювальну точку, тобто встановлювати потрібну температуру градуювального блоку, в якому розміщений еталонний германієвий термометр і термометр, який підлягає градуюванню. Для цього потрібно вакуумним насосом відрегулювати тиск парів над дзеркалом рідкого гелію в посудині Дюара кріостату;

2) отримувати необхідну температуру, регулюючи маностатом тиск парів над дзеркалом рідкого гелію;

3) визначити встановлену температуру, використовуючи таблиці R(T) по опору германієвого еталонного термометра.

Опори германієвого еталонного і термометра, який градуюється, вимірюють відомими прецизійними методами. З них зручний, наприклад, метод порівняння, який позволяє одночасно регулювати струм, який протікає через еталон і термометр, який градуюється, і таким чином контролювати електричну потужність, яка розсіюється в кожному термометрі, причому внутрішній опір вимірювального приладу не відображається на точності вимірювань.

Схема градуювальної установки з ізотермічним кріостатом приведена на рис. 1.4. 2. Її основною частиною є кріостат з посудиною Дюара 2, яка наповнена рідким 4Не і поміщена в посудину Дюара 1, яка в свою чергу наповнена рідким азотом. В посудину 2 опущена вакуум-щільна камера 3, в якій знаходиться мідний градуювальний блок 24 з германієвим еталонним термометром для визначення температури блоку і термометр, який підлягає градуюванню.

Температура камери і термометрів міняється разом з вимірюванням температури рідкого гелію, яка визначається тиском парів над його дзеркалом. Цей тиск встановлюють вручну голчатим вентилем 9, а після досягнення заданого значення його автоматично підтримує маностат 8, який є включений між кріостатом і ротаційним масляним вакуумним насосом 7.

Тиск над дзеркалом рідкого гелію вимірюється ртутним манометром 10, а температура гелієвої ванни – контрольним конденсаційним термометром 6, який складається з колби і ртутного манометра 11.

Висота дзеркала рідкого гелію неперервно вимірюється рівнеміром 17, який через вивід 16 з’єднаний коаксіальним кабелем з ємнісним здавачем 5.

Висота дзеркала рідкого азоту контролюється і підтримується постійною рівнеміром 14 з термісторним сенсором 4. Кріостат автоматично наповнюється рідким азотом з посудини Дюара по трубопроводу 18. Перекачування рідкого азоту відбувається під дією тиску в запасній посудині Дюара, коли електромагнітний клапан 20 закритий, а рідкий азот випаровується за рахунок джоулевого тепла, яке виділяється електричним нагрівним елементом, який занурений в посудину.

Камера 3 зв’язана трубкою 23 з виводом 15 германієвого еталону і термометр а, який градуюється, і з виводом 14 контрольної термопари, яка підключена до цифрового мікровольтметра 22. Цей пристрій контролює швидкість зниження температури градуювального блоку 24 при початковому заповнені кріостату рідким азотом і гелієм. Щоб забезпечити хорошу теплопередачу між ванною рідкого гелію і блоком 24, камера 3 заповнена газоподібним гелієм під тиском 1,3332.104 Па, який вимірюється манометром 13. для заповнення камери 3 гелієм передбачений різьбовий штуцер 12.

Опір германієвого еталонного термометра, який визначає градуювальну температуру і опір термометра, який градуюється, вимірює система, яка на малюнку зображена у вигляді принципової схеми. Оскільки для вимірювання опорів термометрів використовується чотирьох провідне з’єднання, точність результату не залежить від опору проводів, які з’єднують ці елементи з вимірювальною схемою.

^ 1.1.2. Установка для градуювання низькотемпературних термоперетворювачів з адіабатичним кріостатом

Прикладом градуювання термометрів в установці з адіабатичним кріостатом може слугувати градуювання в температурному діапазоні 77 – 273 К з допомогою системи, яка позволяє:

1) встановлювати градуювальну температуру, тобто температуру градуювального блоку, в якому розміщені платинові еталонні і термометр, який градуюється, регулюючи кількість тепла, яка підводиться до градуювального блоку;

2) задавати необхідну градуювальну температуру електронним регулятором температури блоку;

3) визначати градуювальну температуру, вимірюючи опори платинового еталонного термометра і використовуючи відому залежність W(Т) у відповідності з правилами МТШ-90.

Опори платинового еталонного і термоперетворювача, який градуюється, можна вимірювати будь-якими методами, що призначені для точного вимірювання опорів.

Схема градуювальної установки з адіабатичним кріостатом представлена на рис. 1.5 2. Основою системи є кріостат. Його шкляна посудина Дюара 1 наповнена рідким азотом. В посудину опущена вакуумна камера 2 з мідним градуювальник блоком 3, в якому знаходиться платиновий еталонний термометр і термометр, який підлягає градуюванню.

Камера підвішена на трубці відкачування 5 і трубках 6, які закінчуються герметичними електричними вводами 7, 8 термометрів і вводом 9 для проводів термопари.

Перед градуюванням камера 2 заповнена сухих газоподібним гелієм під тиском 0,1 МПа, що забезпечує хороший тепловий контакт між ванною рідкого азоту і градуювальним блоком, який потім відкачується під тиском нижче 0,0013 Па. Для цієї цілі слугує пересувний вакуумний пост 19 з ротаційним масляним насосом 20, дифузійним насосом 21 і двома вакуумметрами 22 (термопарним і іонізаційним).

Температура градуювального блоку 3 регулюється за рахунок тепла, джерелом якого є електричний нагрівник, намотаний на блок. Нагрівник живиться від регульованого джерела постійного струму 12, який включається електронним регулятором температури блоку 10. Температура блоку контролюється термістором, який зв’язаний з мостом електронного регулятора температури блоку 10. В інше плече моста регулятора включена декада опору 11, з допомогою якої задається необхідна температура блоку. Струм в нагрівальному елементі вимірюється приладом 13.

Градуювальний блок 3 оточений мідним радіаційним екраном 4, який, як і блок, має власний електричний нагрівач, що живиться від регульованого джерела постійного струму 16, який включається електронним регулятором температури 28. Цей нагрівач призначений для того, щоб підтримувати температуру радіаційного екрану близькою до одержуваної температури і тим самим попереджувати небажану теплопередачу між камерою 2 і блоком 3. Температура радіаційного екрану контролюється термопарою, яка приєднана на вхід електронного регулятора температури 28. Необхідна температура радіаційного екрану встановлюється потенціометром, який вбудований в регулятор. Електричний струм, який протікає через нагрівач екрану, вимірюється приладом 18.

Контрольний термометр слідкує за падінням температури блоку 3 при початковому заповнені кріостату, коли камера 2 ще не відпомпована.

Висота дзеркала рідкого азоту контролюється і підтримується на постійному рівні рівнеміром 24 з термісторним давачем 23. Кріостат автоматично доповнюється рідким азотом із посудини Дюара 27 через трубопровід 25. Подача рідкого азоту відбувається внаслідок підвищення тиску в посудині при закритті електромагнітного вентиля 26. Випаровування рідкого азоту відбувається за рахунок тепла від електричного нагрівача, поміщеного в посудину.

Для вимірювання опору платинового еталонного термоперетворювача і визначення градуювальної температури призначена вимірювальна схема 14, яка на рис. 1.5 показана у вигляді функціональної схеми. Для грубого вимірювання опору служить цифровий омметр 15.

^ 1.1.3. Установки для градуювання низькотемпературних термоперетворювачів, що поєднують ізотермічний та адіабатичний методи

Установки, в яких використовується адіабатичний принцип, досить часто в метрологічній практиці є основою для установок, що використовуються для градуювання в обмежених температурних діапазонах, наприклад 4.2 – 40 чи 4.2 – 100 К, в яких градуюють не лише германієві, а й термоперетворювачі інших типів. За звичай використовують гелієвий кріостат. Адіабатичний кріостат, призначений для температурного діапазону 4.2 – 273 К більш детально описано в 3, 4, 5.

Адіабатичну та ізотермічну установки часто поєднують в один комплекс. Комбінована апаратура дозволяє проводити неперервні виміри в діапазоні 1.5 – 100 К та вище. Ці досить складні установки більш детально описано в 6.

Як видно з проведеного аналізу, використовувані засоби досить складні в реалізації й обслуговуванні, а, відповідно, й дорогі. Тому пошук нових шляхів та створення нових засобів для відтворення реперних точок і градуювання в них первинних термоперетворювачів є завданням великої ваги на сучасному етапі розвитку теорії температурних вимірювань та метрологічної практики.

^ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Низкотемпературная термометрия: Учеб. пособие для вузов / М.П. Орлова, О.Ф. Погорелова, С.А. Улыбин. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 280 с.

2. Вепшек Я. Измерение низких температур электрическими методами – М.: Энергия, 1980. – 224 с.

3. Установка для исследования и градуировки термометров сопротивления, термодиодов и термопар в интервале температур 4.2 – 300 К / Логвиненко С.П., Еременко В.И., Сухих В.Д., Михина Г.Ф. – Измерительная техника, 1977, № 3, с. 71.

4. Veprek J. Kryostat pro cejchovani odporovych teplomeru v teplotnim rozsahu 4.2 az 273 K. In: Sbornik z konference “Mereni teploty”. IMEKO – CSVTS, Praha, 1975, s. 332.

5. Куинн Т. Температура: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. – 448 с.

6. Veprek J. Souprawa pro cejchovani odporovych snimaczu nizkych teplot v teplotnim rozsahu 1.5 az 100 K. Vyzkumna zprava Ustavu pristrojeve techniky CSAV, Brno, 1975.



Скачать файл (628.3 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru