Способ измерения отношения коэффициентов теплоотдачи в изотермических средах Советский патент 1976 года по МПК G01N25/00 

Изобретение может быть использовано при исследовании теплофизических свойств газов и жидкостей в аэро и гидродинамических исследованиях, газовой хроматографии. В настоящее время не существует прямого способа измерения отношения коэффициентов теплоотдачи от двух тер;морезисторов, перегретых протекающим по ним током относительно окружающей среды, так как при этом требуется помимо измерения этих коэффициентов /Ci и /Са и преобразования их величин в пропорциональные электрические сигналы осуществить операцию деления Kz/Ki, что является достаточно сложной задачей. Поэтому для сравнения величин коэффициентов теплоотдачи используют дифференциальные (разностные) методы, например, в газовой хроматографии. Между тем, во многих случаях измерение величины K2/Ki предпочтительнее, чем измерение порознь величин Ki и К или их разности Kz-Ki, так как оно повыщает точность измерения теплофизичеоких характеристик веществ вследствие уменьшения или исключения систематической погрешности измерения каждым датчиком в отдельности, позволяет упростить обработку .результатов измерений, повышает универсальность приборов, исследующих теплофизические характеристики веществ и т. п. Действительно, измерение безразмерной (относительной) величины KzjK.. гораздо предпочтительнее, чем измерение разности Kz-Дь например, при различных теплотехнических измерениях, так как в теории теплопередачи широко используются именно зависимости безразмерных (относительных) величин, характеризующих теплоотдачу, от безразмерных же критериев подобия. Предлагаемый способ -позволяет весьма просто решить задачу измерения отношения коэффициентов теплоотдачи двух терморезистивных датчиков в изотермических средах. Это достигается тем, что в качестве датчиков используют два однотипных критезистора, один из которых запитывают стабилизированным током при отрицательном температурном коэффициенте сопротивления (ТКС) критезисторов или стабилизированным напряжением при их положительном ТКС, разогревают :критезистор до критической темнературы, преобразуют выходное напряжение на критезисторе или ток через него соответственпо в пропорциональные им ток или напряжение, которым запитывают второй критезистор, разогревают его до критической температуры и измеряют соответственно выходное напряжение на втором критезисторе или ток через него. Предлагаемый способ измерения отношения коэффициентов теплоотдачи в изотермических средах с помощью двух терморезистивных датчиков основывается на следующем. В качестве датчиков в данном случае используются Критезисторы (терморезисторы с резким изменением величины сопротивления на несколько порядков в узком температурном интервале вблизи некоторой критической температуры 8 - температуры их фазового перехода). Критезисторы по своему основному назначению являются бесконтактными термореле, срабатывающими «на замыкание (критезисторы с отрицательным ТКС) или «на размыкание (критезисторы с положительным ТКС В области фазового перехода) при повыщении температуры среды до температуры их фазового перехода. В настоящее время промыщлеиность выпускает критезисторы как с положительным ТКС типа СТ5-1 (© 120°С), так и с отрицательным ТКС, например, типа СТ9-1 (в 66°С). Известно, что критезисторы, разогретые протекающим по ним током до критической температуры Э, автостабилизируют свою температуру Гк изменением собственного сонротивления R как при изменении температуры окружающей среды Тс (), так и при изменении своего коэффициента теплоотдачи К в окружающую среду в достаточно щироких пределах Таким образом г е : const Критезвсторы с отрицательным ТКС автостабилизируют свою температуру лишь при работе в режиме заданного тока, т. е. от источника тока с достаточно больщим внутренним сопротивлением Ri; выходным сигналом для них является напряжение на критезисторе. Если критезистор с отрицательным ТКС подключить к источнику напряжения с малым Ri, то с уменьшением сопротивления R критезистора при его фазовом переходе мощность , выделяемая в нем, резко возрастает ,, вшдс.1пс:у,с.71 „„ „,, Р Р критезистора и вы ходу его из строя. Совершенно аналогично можно показать, что критезисторы с положительным ТКС автостабилизируют свою температуру лишь при работе в режиме заданного напряжения, т. е. от источника напряжения с малым внутренним сопротивлением выходным сигналом для них является ток через критезистор. Установившиеся значения тока i через критезистор и напряжения U на нем связаны уравнением энергетического баланса и,К(Т,-Т, или, с учетом соотношения (I), (/.Л (,), где /С - коэффициент теплоотдачи от критезистора, Те - температура окружающей среды (). Рассмотрим случай использования в качестве датчиков критезисторов с отрицательным ТКС. Если залитать один из критезисторов стабилизированньш током io const, то выходное напряжение L/t, на нем будет равно: .:(с1 о Преобразовав напряжение f/i в пропорциональный ему ток (a const), достаточный для разогрева второго критезистора до критической температуры в, и подав его «а критезистор, мы получим на его выходе напряжение L/s, равиое 7/ АГо (6 - Ге) АГг (Q - УС) L/ о -. -.. - /2aUi . К, (в - Ге) го -- const аА:,(в-Гс)Ki Таким образоМ, выходное напряжение на втором критезисторе пропорционально отношению коэффициентов тенлоотдачи датчиков. Рассмотрим тенерь случай использования в качестве датчиков критезисторов с положительным ТКС. Если запитать один из критезисторов стабилизированным напряжением t/o const, то ток ii через критезистор будет равен (Э - 7-е) ., Преобразовав ток ii в пропорциональное ему напряжение Uz - bii (6 const), достаточное для разогрева второго критезистора до критической температуры 6, и подав его на этот критезистор, мы получим ток is через него . К (В - Ге) К (6 - Гс) ... f/2 bii :- : {/„ :з. const - (4) hKi (В - Гс) °Ki Таким образом, выходной ток через второй критезистор пропорционален отнощению теплоотдачи датчиков. Более глубокое рассмотрение вопроса, а именно, учет неравномерности температурного поля в теле критезистора и опижения температуры его поверхности на величину ДГ ниже критической температуры в показывает, что полученные выще соотношения справедливы Б ТОЛ1 случае, когда теплопроводность X(j тела критезистора по отношению к выделяющемуся в нем тепловому потоку q существенно больше его коэффициента теплоотдачи К в окружающую среду. Действительно, с учетом имеющего место в действительности понижения температуры поверхности критезистора, соотношения (3) и (4) следует записать в виде /Сз (6 - АГг - 7-с) (ft- &,TI - Т,) /Са (В - А 7-2 - 7-..) bKi (ft - ДГ, - Гс)

Лишь при условии , ИЗ которого вытекает неравенство АТ Св-Тс, будут сп-раведливьими соотношения

А

f

const-- или гз

: const KI

Кг

Поэтому для измерения отношения K2/Ki весьма Перспективны пленочные датчики (например, на основе двуокиси ванадия УОг, у которых теплопроводность xq может быть весьма велика.

На чертеже приведен пример устройства для осушествления предлагаемого способа.

Транзистор 1, стабилитрон 2 и резисторы 3, 4 стабилизируют ток io через критезистор 5 с отрицательным ТКС, являющийся первым датчиком. Напряжение с «его (@-Tc)/io через эмиттерпый повторитель 6 подается на транзистор 7, преобразуется им в пропорциональный ток , которым запитывается критезистор 8. Напряжение па нем, пропорциональное отношению коэффициентов теплоотдачи K2/Ki критезисторов, измеряется прибором 9.

Предлагаемый способ может быть использован, в частности, для измерения скорости V потока жидкости или газа. Действительно, если оба критезистора поместить в поток и один из лих защитить от непосредственного обтекания потоком, окружив его кожухом с развитой поверхностью, температура которой практически равна температуре среды, то для

этого критезистора /Ci const, в то время как Kz f2(V). При этом выходной сигнал со второго критезистора Us (или ts) равен (см. выражения (3) и (4)

/2(V)

Л()

const/, 1 const

1 ATi

т. е. он определяется скоростью потока V и не зависит, в частности, от температуры среды, что является существенным преимуществом предлагаемого способа.

Формула изобретения

Способ измерения отношения коэффициентов теплоотдачи в изотермических средах с помощью двух датчиков отличающийся тем, что, с целью упрощения измерения, в качестве датчиков используют два однотипных критезистора, один из которых запитывают стабилизированным током при отрицательном температурном коэффициенте сопротивления критезистора или стабилизированным напряжением при положительном температурном коэффициенте сопротивления, нагревают критезистор до критической температуры, преобразуют выходное напряжение или ток через него соответственно в пропорциональные им ток или напряжение, которым запитывают второй критезистор, нагревают его до критической температуры и измеряют соответственно напряжение или ток через второй критезистор.