Лабораторная работа № 2 ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ МОНОТОННОГО РАЗОГРЕВА Цель работы: Изучение теоретических основ и получение практических навыков измерения теплоемкости материалов методом монотонного разогрева. Задание: Определить зависимость удельной теплоемкости исследуемого материала от температуры в интервале от +60 до +200 С. Методические указания Перед началом выполнения лабораторной работы следует изучить материал параграфа 3.2 «Основы измерения теплоемкости методом монотонного нагрева». Описание лабораторной установки На рис. 1 представлена функциональная схема модернизированного прибора ИТ-с400, который может применяться для измерения удельной теплоемкости твердых, сыпучих материалов и жидкостей. Принцип измерения основан на применении метода монотонного разогрева образца в адиабатическом режиме. Тепловой поток от нагревателя 5 проходит через тепломер 2 в ампулу с образцом 1. Адиабатическая оболочка 3 с нагревателем 4 служит для предотвращения теплообмена образца 1 с окружающей средой. В процессе разогрева образца регистрируются температуры на нижней и верхней поверхностях тепломера 2 при помощи термоэлектрических преобразователей 7 и 9, имеющих номинальную статическую характеристику (НСХ) ХА(K). Рисунок - 1 Функциональная схема модернизированного измерителя теплоемкости ИТ-с-400 В ходе эксперимента обеспечивается линейный рост температуры на нижней поверхности тепломера за счет регулирования электрической мощности, подаваемой на нагреватель 5. Температуры адиабатической оболочки и ампулы с образцом, измеряемые соответственно при помощи термопреобразователей 6 и 8 (также с НСХ ХА(K)) поддерживаются одинаковыми за счет управления мощностью электрического нагревателя 4. Удельная теплоемкость образца определяется косвенно, по измеренному времени запаздывания температуры на верхней поверхности тепломера от температуры на его нижней поверхности, а также по известной массе образца и константам прибора. Регулирование температур, регистрация и обработка экспериментальных данных осуществляются с использованием персонального компьютера 15, оснащенного многофункциональной платой сбора ПСД данных типа PCI-6251 фирмы National Instruments. Термоэлектрические преобразователи подключены к плате сбора данных 13 типа NI USB 9211А, в состав которой входят коннектор 12 и блок NI USB 9211с усилителем, фильтром и 24-разрядным АЦП. Плата имеет компенсацию температуры холодных спаев термопары, а также позволяет проводить автокалибровку. Использование этой платы позволило существенно увеличить точность измерения температур, что в свою очередь благоприятно сказалось на точности измерения теплоемкости. Регулирование температуры адиабатической оболочки осуществляется согласно пропорциональноинтегрального (ПИ) закона регулирования, реализованного программно. Темп нагрева образца поддерживается постоянным за счет подачи линейно возрастающего напряжения на усилитель мощности 5 также в соответствии с законом ПИ регулирования. Управляющие воздействия поступают на нагреватели 4 и 5 от аналоговых выходов платы сбора данных через усилители мощности 10 и 11 типа БУСТ фирмы ОВЕН (г. Москва). Уровень воздействий рассчитывается по программе в зависимости от значений температуры на нижней поверхности тепломера 2, а также от разности температур между ампулой (с образцом 1) и адиабатической оболочкой 3. Автоматизация измерений позволила существенно увеличить функциональные возможности приборов. Так, измерение теплоемкости материалов при помощи модернизированного измерителя ИТ-с-400 стало возможным проводить при гораздо меньших темпах разогрева образца (до 0,025 К/с), что позволило более точно наблюдать закономерности фазовых переходов полимерных материалов, определять температуры и энтальпии плавления. Порядок выполнения эксперимента Эксперимент проводится в режиме удаленного доступа по каналам сети Интернет. 1. Включить персональный компьютер, дождаться загрузки операционной системы и в строке адреса Интернет-браузера указать следующее: http:\\82.179.148.61\Itc.htm. После вызова программы в окне Интернет-браузера загружается панель управления виртуального прибора, показанная на рисунке 2. Нажатием правой кнопки мыши вызвано контекстное меню, в котором выбрана команда «Request Control of VI» (Предоставить управление виртуальным прибором). Рисунок 2 – Вид главной лицевой панели В правой части панели расположены четыре кнопки: «Константы», «Градуировка» «Эксперимент», «Просмотр». Немного ниже и левее находится кнопка «STOP», предназначенная для выхода из программы. Кнопка «Константы» служит для ввода значений удельной теплоемкости и массы стандартного медного образца. Кнопка «Градуировка» позволяет провести градуировочные эксперименты с медным образцом и с пустой ампулой, по результатам которых вычисляются постоянные прибора KТ(T) и Tn ( T ) . Рисунок 3 – Диалоговое окно для ввода исходных данных Кнопка «Эксперимент» позволяет провести измерение теплопроводности исследуемого образца в заданном диапазоне температур. Кнопка «Просмотр» служит для вызова подпрограммы отображения полученных ранее экспериментальных данных. 2. Нажать кнопку «Эксперимент». Это вызовет появление диалогового окна (см. рисунок 4), где необходимо ввести запрашиваемую исходную информацию. После ввода всех данных и нажатии клавиши «OK», на экране появится панель управления экспериментом, показанная на рисунке 4. Эта панель разбита на четыре зоны. В верхней зоне справа расположен графический индикатор, на котором отображаются термограммы нижней и верхней поверхности тепломера. На правом нижнем индикаторе регистрируется темп разогрева образца. Рисунок 4 – Панель управления экспериментом В левой верхней области панели управления расположены элементы индикации параметров эксперимента: индикатор текущего времени эксперимента; индикатор названия исследуемого материала; индикаторы выходных сигналов регуляторов; индикатор разности температур исследуемого образца и адиабатической оболочки (колпака); индикатор примерного значения удельной теплоемкости исследуемого образца. Это значение вычислено с использованием зависимости: k (T ) dT ( ) c T Tn ( T ) , T ( T ) m d где m – масса образца, T – перепад температур на тепломере, dT/d - скорость изменения температуры на верхней поверхности тепломера. В нижней зоне слева расположены органы управления, предназначенные для изменения следующих режимов эксперимента: предельной температуры образца, которая может быть достигнута в эксперименте; темпа разогрева; кнопка «Стоп», предназначенная для прекращения эксперимента и выхода в программу для обработки полученных экспериментальных данных; кнопка «Старт», которая служит для запуска эксперимента. индикаторы включения нагревателя и выхода на режим (когда выравниваются скорости роста температур на нижней и верхней поверхностях тепломера). В режиме удаленного доступа доступны для изменения настройки регулятора: коэффициент передачи «Р» и время интегрирования «I», предельная температура образца. После окончания эксперимента на экране монитора выводится окно с результатами эксперимента (см. рисунок 5). В этом окне пользователь имеет возможность также уменьшить число экспериментальных точек путем их округления, установить нижние пределы измерения и аппроксимации, Пользователь имеет возможность сохранить данные в указанное им место в текстовый файл, напечатать график зависимости на принтере или напечатать рисунок в файл. При нажатии кнопки «Exit» пользователь возвращается в главное окно программы. Рисунок 5 – Вид панели с результатами эксперимента Содержание отчета 1. Название работы, цель и задание. 2. Рисунок 1. 3. График зависимости теплоемкости исследуемого материала от температуры. Контрольные вопросы 1.Расскажите об устройстве измерительного блока прибора ИТ-с-400. 2.Как в эксперименте определяется тепловая мощность, подводимая к стакану с образцом? 3.Выведите расчетную формулу для теплоемкости образца. 4.Объясните схему лабораторного стенда. 5.Что Вы понимаете под адиабатическим разогревом образца? 6.Сколько термопреобразователей находится в составе прибора ИТ-с-400 и где они расположены? 7.Поясните порядок выполнения лабораторной работы. 8.Что являются регулируемыми параметрами в приборе ИТ-с-400? 9.Почему используемые ПИД-регуляторы называют виртуальными? 10. Как производится градуировка прибора? 11. Для чего внешняя поверхность адиабатической оболочки выполнена ребристой? 12. Каким образом компьютер сопряжен с прибором ИТ-с-400?