Измерение параметров при моделировании

При проведении экспериментов на моделях большое значение приобретает вопрос об оценке приемлемости получаемых результатов, анализе полученных результатов, их интерпретации.

Измерение физических величин производится сравнением их с другими однородными величинами, принятыми за единицу измерения. Для измерения используют меры, измерительные приборы и аппаратуру. В случае прямых измерений измеряемая величина сравнивается с мерой непосредственно, при косвенных измерениях используют математические зависимости, которые позволяют вычислить искомую величину.

Различают образцовые и рабочие меры и измерительные приборы.

Образцовые используют только для проверки и градуировки других мер и приборов.

Рабочие меры и приборы используют для самых разных измерений. Они дают номинальное значение измеряемой величины.

В каждом паспорте прибора обычно кроме условий эксплуатации указываются: абсолютная ошибка (погрешность); номинальная относительная ошибка; приведенная относительная ошибка.

Меры, служащие для измерений определенной величины, делятся на классы и разряды, обозначаемые целыми числами: обычно, чем больше число, тем меньше точность меры.

Выше при рассмотрении ряда методов физического моделирования описывались методы измерения ряда физических величин. Ниже остановимся на общих вопросах измерения ряда теплотехнических и гидродинамических параметров.

Измерение температуры. В настоящее время для измерения температуры поверхности или среды каких-либо моделей широкое распространение получили термопары и термометры сопротивления.

Термопары должны быть выбраны такими, чтобы они обладали большой термо-э.д.с. и неизменными свойствами при повторных нагреваниях или охлаждениях.

В зависимости от температурных условий опытов применяют различные материалы для изготовления термопар. Наибольшее распространение в интервале температур до 350 ^оС получили медь-константановые и медь-копелевые термопары. При изменении температур до 800 ^оС применяют хромель-копелевые термопары, а при измерении температур до 900 – 1000 ^оС – хромель-алюминиевые (95% + 5% ) термопары. Для замера более высоких температур применяют специальные термопары, выполненные, как правило, из благородных металлов и конструкция которых здесь не рассматривается.

Для правильного измерения температур необходимо, чтобы термопара имела тесное соприкосновение в месте измерения температуры с исследуемым образцом материала или с какой-либо другой поверхностью тела.

Термопары обычно изготавливают из термопарной проволоки толщиной 0,2…0,5 мм, иногда около 1 мм.

Применение термопар с малым диаметром электродов снижает погрешности измерений температуры, т.к. обладая малой теплоемкостью, они не искажают существенно температурного поля в области расположения термопары.

Изготовленные термопары должны пройти предварительную проверку на однородность, а также градуировку. Для снятия внутренних напряжений электродную проволоку после изготовления термопары подвергают отжигу.

Целесообразно стремиться к тому, чтобы материал термопар имел теплопроводность, близкую к теплопроводности модели. Это необходимо для того, чтобы отвод тепла вдоль электродов термопар был пренебрежимо малым по сравнению с расчетными тепловыми потоками. Чтобы не было искажения показаний, электроды термопар необходимо располагать вдоль изотермических поверхностей. В отдельных случаях возможна неравномерность температурного поля в месте спая вследствие разных значений коэффициентов теплопроводности электродов.

Электроды термопар соединяются путем пайки или сварки. В качестве припоя используют олово, серебро и другие металлы. В тех случаях, когда требуется весьма точное измерение перепадов температур на моделях, применяют дифференциальные многоспайные термопары, которые представляют систему нескольких последовательно соединенных термопар. При этом четные спаи соединяют в один пучок, а нечетные – в другой. Спаи должны иметь электрическую изоляцию. В случае измерения перепада температур среды по длине измерительного участка модели, спаи дифференциальной термопары обычно устанавливают во входном и выходном сечениях.

Измерение температур жидкости на входе и выходе измерительного участка модели производят также односпайными дифференциальными термопарами, зачеканенными в медные болванки, которые помещают в соответствующие гильзы.

Измерение термо-э.д.с. термопар производят с помощью компенсационных приборов – потенциометров: гальванометров, милливольтметров. Для весьма точных измерений используют пятидекадные потенциометры с нормальным элементом высокого класса точности. Для измерения и записи температур одновременно в нескольких точках применяют электронные автоматические приборы ЭПП-09-М1 класса точности 0,5 % и др.

Термометр сопротивления представляет материал, электрическое сопротивление которого значительно изменяется с изменением температур. К таким материалам относятся: платина (до 660 ^оС), медь (до 200 ^оС). Сопротивление термометров измеряется потенциометрическим методом.

Для надежного измерения температур в исследуемой модели применяемые термометры должны быть предварительно проградуированы. Градуировку термопар производят в специальных учреждениях или же непосредственно в лабораторных условиях. Для этого сличают показания изготовленной термопары с показаниями эталонной термопары (термометра сопротивления). При низких температурах могут быть использованы ртутные термометры. Для этого горячие спаи исследуемой и эталонной термопары закрепляют вместе и опускают в термостат с постоянной температурой. Холодные спаи погружают в сосуд с тающим льдом или в среду с температурой ± 0 ^оС.

Градуировку термопар проводят при нескольких различных температурах, охватывающих весь температурный интервал исследования. На основании данных градуировки составляют таблицы, графики или эмпирические уравнения для зависимости термо-э.д.с. термопары от температуры.

Градуировку термометров сопротивления осуществляют специализированными организациями, в частности Донецким центром стандартизации, метрологии и сертификации. В лабораторных условиях проводят периодическую проверку сопротивления при температуре 0 ^оС.

Измерение расходов.Расход жидкости в большинстве случаев определяют весомым (объемным) способом или с помощью дроссельных шайб (диафрагм). При измерении расхода весовым (объемным) способом взвешивают или измеряют объем некоторого количества жидкости, протекаемого за выбранный промежуток времени, который определяют с помощью секундомера. Этот способ самый простой и рекомендуется к применению в том случае, если массовые расходы не очень велики. Для измерения значительных расходов жидкостей применяют диафрагмы, при которых массовый расход жидкости определяется по перепаду в них давлений. Диафрагма представляет собой дроссельное устройство. Скорость движения жидкости при прохождении через него возрастает, а статическое давление падает. Перепад давлений измеряется с помощью дифференциального манометра, присоединенного к отверстиям, сделанным в стенках трубы перед диафрагмой и после нее. Отверстия для отбора статического давления должны иметь малый диаметр, закругленные края и быть строго перпендикулярными к поверхности стенки. Перед диафрагмой и после нее необходимо предусматривать прямые участки трубы или канала длиной 30-40 дециметров.

Перепад статического давления связан с расходом зависимостью

,

где – определяется тарировочными опытами;

– плотность жидкости, кг/м³.

Скоростьтечения жидкости или газа в расчетном сечении может быть найдена по массовому расходу или по данным измерения динамического давления, которое обычно осуществляется с помощью трубки Прандтля. Обычно эту трубку устанавливают на оси канала или трубы в таком сечении, где скорость практически постоянна.

При измерении скоростей движения газовой среды широкое распространение получили термоанемометры, принцип действия которых основан на зависимости теплоотдачи тела от скорости движения охлаждающего его потока газа. В термоанемометре с термопарой чувствительный элемент – тонкая металлическая проволока – нагревается электрическим током, величина которого в процессе нагревания поддерживается постоянной. Скорость газа определяется по температуре нити, измеряемой с помощью термопары, или по величине электрического сопротивления нити, соответствующего этой температуре.

В термоанемометре без термопары поддерживается постоянная температура нити (сопротивление нити). В этом случае скорость движения газа определяется по результатам измерения силы тока, проходящего по нити. Термоанемометры с нагретой нитью используют для измерения скоростей до 15 м/с.

Давление измеряют с помощью манометров и микроманометров. Малые давления и перепады давления измеряют П – или образными дифференциальными микроанемометрами. Их изготавливают из стеклянных трубок постоянного поперечного сечения и заполняют жидкостью (ртутью, водой, спиртом, толуолом и др.). Концы трубок манометра присоединяют к местам отбора давления. При измерении статического давления, как упоминалось выше, местами отбора могут служить небольшие отверстия в стенках трубы или канала. При необходимости замера давления внутри жидкости, используют трубки отбора давлений с отверстием, параллельным потоку. Такая одноканальная трубка позволяет измерить полное давление.

Измерение тепловых потоков.Методы определения тепловых потоков отличаются большим разнообразием. Они зависят от рода поставленной теплотехнической задачи, от способа подвода и отвода тепла к моделям и многих других факторов. В связи с этим рассмотрим измерение тепловых потоков для случаев, когда необходимо определить коэффициент теплопроводности горной породы и при конвективном теплообмене.

Для определения коэффициентов теплопроводности в стационарном режиме тепловой поток в большинстве случаев создают с помощью электрических нагревателей, которые имеют различную форму и расположение относительно образца в зависимости от его формы и требований применяемого метода исследования. Нагреватели изготавливают из тонких проволок или тонкого листового материала в форме стержней полых трубок и т.д.

Во всех случаях в процессе экспериментов они должны создавать тепло-

вой поток, равномерно распределенный по расчетной поверхности образца, с пренебрежимо малыми тепловыми потерями в окружающую среду по сравнению с потоками тепла, идущим на нагревание исследуемого образца. В таком случае тепловой поток к образцу может быть определен из выражения

Вт,

где – сила тока;

– падение напряжения в нагревателе.

Измерение мощности, силы тока и падения напряжения в нагревателе производят ваттметрами, амперметрами и вольтметрами.

Для точных измерений небольших тепловых потоков используют потенциометрический метод измерения с образцовым сопротивлением.

Образцовое (нормальное) сопротивление включается в электрическую цепь последовательно с основным нагревателем. Исходя из этого мощность, Вт, (тепловой поток) нагревателя находится по формуле

Вт,

где – падение напряжения нагревателей и на нормальном сопротивлении, которое измеряют с помощью потенциометров;

– величина нормального сопротивления.

Если исследуются электропроводные материалы, процесс нагревания осуществляется за счет непосредственного пропускания электрического тока через образец, и тогда он сам одновременно является нагревателем. В этом случае определение теплового потока производят по вышеприведенным зависимостям. Тепловой поток может быть найден по методу калориметрирования, если через опытный образец циркулирует калориметрическая жидкость с известной удельной теплоемкостью

,

где – массовый расход и удельная теплоемкость калориметрической жидкости;

– изменение температуры жидкости на исследуемом участке.

В некоторых случаях для измерения тепловых потоков используют тепло-

меры, работающие по методу дополнительной стенки. Этот метод состоит в том, что к поверхности, тепловой поток через которую необходимо определить, плотно прижимается дополнительная стенка с известной величиной теплового сопротивления . Тогда, измеряя перепад температур в дополнительной стенке, можно найти тепловой поток , проходящий через нее,

.

Если термическое сопротивление дополнительной стенки невелико по сравнению с термическим сопротивлением исследуемого материала, то при установившемся тепловом состоянии тепловые потоки через дополнительную и через основную стенки будут одинаковы.

При конвективном теплообмене величина теплового потока в зависимости от обогрева определяется соотношениями, аналогичными приведенным выше для процессов теплопроводности.

Применительно к жидкости, протекающей внутри цилиндрической трубы, тепловой поток можно определить методом толстостенной трубы по зависимости

,

где – длина трубы;

– коэффициент теплопроводности стенки трубы;

– соответственно наружный и внутренний диаметр трубы.

Вышеприведенную зависимость можно использовать применительно к местным значениям величин. Этот метод определения требует наличия данных о стенки трубы и его зависимости от температуры. Кроме того, для надежного измерения перепада температур по толщине стенки она должна быть относительно толстой, поэтому такой метод определения теплового потока получил название метода толстостенной трубы. Этот метод удобен, если необходимо получить высокие значения тепловых потоков, которые обычно создаются с помощью электрических нагревателей на внешней поверхности толстостенной трубы.