Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

Газы в отличие от твердых тел и жидкостей обладают избиратель­ ным поглощением и излучением, т. е. излучают и поглощают лишь в определенных интервалах длин волн. Твердые тела в большинстве своем не прозрачны для тепловых лучей, и можно считать, что излу­ чение и поглощение у них происходят в поверхностном слое. В газах же излучение и поглощение происходят во всем объеме. При про­ хождении лучей через газ энергия луча вследствие поглощения частично теряется. Величина потери энергии определяется количе­ ством встречаемых на пути молекул, которое пропорционально длине пути луча I и парциальному давлению р. Поэтому поглоща­ тельная и излучательная способности газа зависят в основном от произведения pl\ кроме того, они зависят еще и от температуры. Значительной излучательной и поглощательной способностью обла­ дают многоатомные газы и, в частности, углекислота, водяной пар, сернистый ангидрид.

С изменением температуры тел связан ряд эффектов, широко используемых в измерительной технике: т. э. д. с., изменение сопро­ тивлений электропроводных материалов, термические деформации тел и т. п. При нагревании тел происходит увеличение их линейных размеров и объемов. Абсолютное приращение длины тела при изме­ нении температуры на величину t обычно выражают так:

где Р = За.

Твердые тела и жидкости при нагревании расширяются; исклю­ чением является вода, которая сжимается при нагреве от 0 до 4° С, а при дальнейшем повышении температуры — расширяется. При 7,5° С бна имеет тот же объем, что и при 0° С.

Для всех идеальных газов коэффициент объемного расширения р

одинаков и равен щ объема при 0° С и при условии, что нагревание

происходит при постоянном давлении. Ниже приведены значения а и р некоторых часто используемых веществ:

120

4. Электрические и электромагнитные системы

Электрические системы. Преобразования, основанные на законах электрического тока, применяются как в первичных преобразова­ телях теплотехнических величин в измерительные сигналы, так и (особенно широко) в промежуточных преобразователях измеритель­ ных сигналов. Дифференциальные уравнения, характеризующие электрические контуры, получаются на основе применения законов Кирхгофа к рассматриваемым цепям. Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма мгновенных токов в участках цепи, сходя­ щихся в любой точке разветвления, равна нулю

k

Второй закон Кирхгофа: для любого замкнутого контура алгебраи­ ческая сумма мгновенных падений напряжения равна сумме всех электродвижущих сил в этом контуре

итоки; зависимости между ними выражаются через сопротивления. Индуктивные и емкостные сопротивления не входят непосредственно

висходные уравнения, они появляются лишь при переменных токах

инапряжениях.

Законы Кирхгофа справедливы и для цепей переменного тока при условии, что под Еп понимаются комплексные амплитуды э. д. с. генераторов, под1А— амплитуды сил тока и под rk = zk — комплекс­ ные сопротивления. Полное комплексное сопротивление цепи (импе­ данс цепи) равно

Z = х + jy.

Модуль z = Y х 2 + У2 Дает величину полного сопротивления цепи для переменного тока и определяет амплитуду силы тока при заданной амплитуде напряжения на концах цепи

а аргумент z дает угол <р, на который напряжение опережает ток в цепи

t g < p = | .

При наличии в цепи активного сопротивления R, индуктивности L и емкости С

121

При последовательном соединении элементов цепи суммируются гг, при параллельном соединении суммируются Агг Рассмотрим воз­

можности осуществления измерительных преобразователей при воз­ действии на R, L, С цепи.

Для каждого проводника при его неизменном состоянии суще­ ствует однозначная зависимость между напряжением UR, прило­ женным к концам проводника, и силой тока в нем I = f (UR). Для многих проводников, в особенности для металлов, эта зависимость линейна (закон Ома)

I= ArUr

ипадение напряжения на сопротивлении R может быть выражено как

электрический заряд. Сопротивление проводника зависит от рода вещества проводника, его геометрических размеров и формы, а также от его состояния (нагрев, механические деформации и др.). При выбранном материале проводника любое воздействие, приводящее к изменению сопротивления, может быть использовано для осуще­ ствления измерительного преобразования.

Механическое изменение размера омического сопротивления, включенного в цепь, позволяет получить выходной сигнал в виде

для цилиндрического проводника (здесь / — длина, 5 — площадь,

где Лг— «геометрическая» проводимость, зависящая от характерных размеров проводника. По принципу воздействия на R через изме­ нения Аг строятся различные потенциометрические, электролитиче­ ские и другие преобразователи перемещений, давлений, усилий и т. д.

Удельное сопротивление металлического проводника р зависит не только от рода металла, но и до некоторой степени от его состоя­ ния: обычно холодная протяжка увеличивает, а отжиг уменьшает р. Изменение температуры проводника также приводит к изменению его удельного сопротивления. Для чистых металлов р приблизи­ тельно пропорционально абсолютной температуре, для сплавов это даже и приблизительно не так. Чтобы представить точно в сколько-

122

нибудь значительном интервале изменение р = / (Т), почти для всех веществ требуется параболическое или кубическое приближение. Но для практических целей принято пользоваться линейной формой

устройствах и в том числе в качестве измерительных преобразова­ телей температуры (термосопротивления). На уровень величины р могут оказывать влияние и другие внешние воздействия. Некоторые материалы (например, висмут) изменяют удельное сопротивление под действием магнитного поля, другие — под действием падающих лучистых потоков; на основе этих эффектов также строятся омические преобразователи различных величин.

При конструировании омических преобразователей необходимо обеспечивать отвод тепла, возникающего при наличии тока на сопро­ тивлении. Рассеиваемая энергия I 2R должна быть равна снимаемому

здесь коэффициент пропорциональности е носит название диэлектри­ ческой проницаемости. Таким образом, в основу действия емкостных преобразователей, аналогично (IV. 10), может быть положено либо воздействие, приводящее к изменению геометрии конденсатора (Лг), либо воздействие, изменяющее г. Диэлектрическую проницаемость принято представлять в виде

8 = 880,

где е — диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего пространство между обкладками конденсатора, отнесенная к диэлек­ трической проницаемости вакуума е0. Абсолютное значение е зависит от того, какую размерность и величину приписать е0.

123