|
|
|
ТЕПЛОВЫЕ РАСХОДОМЕТРЫНаиболее подходящим для этих целей физическим свойством является температура. 
Рис. 11.4. Термоанемометр: А — принципиальная схема, Б — поперечное
сечение детектора температуры
На рис. 11.4А отображен термоанемометр, состоящий из трех
небольших трубочек, внесенных в поток жидкой среды. Две трубочки из двух
оснащены детекторами температуры: R0 и Л, которые контактируют с потоком, но
изолированы от структурных элементов и трубки, в той определяется скорость
потока. Между двумя детекторами расположен нагревательный элемент. Оба
детектора для уменьшения тепловых потерь соединены с электрическими проводами
при помощи капли проводящего материала (рис. 11.4Б). Принцип действия датчика
заключается в следующем. Первый детектор RQ измеряет исходную температуру в
потоке. Нагревательный элемент повышает температуру жидкости, которую измеряет
второй детектор R . При отсутствии течения тепло от нагревателя за счет
теплопроводности жидкости и гравитационной конвекции будет зарегистрировано
обоими детекторами, но поскольку второй
детектор расположен ближе к нагревателю, температура,
измеренная им, будет несколько выше, чем температура на первом датчике. При
движении потока скорость распространения тепла возрастает за счет вынужденной
конвекции. Чем больше скорость потока, тем выше тепловые потери и тем ниже
температура, регистрируемая детектором Rs. Скорость потока определяется по
измеренным потерям тепла.
Физический принцип термоанемометра основан на законе Кинга
[2]:
где к и с — теплопроводность и удельная теплоемкость среды
при заданном давлении, р — плотность среды, / и d — длина и диаметр датчика, Т
— температура поверхности датчика, Т0 — температура среды на некотором
расстоянии от датчика, a v — скорость потока среды. Ученые Коллиз и Вильяме
провели серию экспериментов для проверки закона Кинга [3] и показали, что он
нуждается в нетой корректировке. Для цилиндрического датчика, у того
отношение модифицированное уравнение Кинга, преобразованное относительно
скорости потока, выглядит следующим образом:
где К — калибровочный коэффициент. Из этого выражения
рекомендуется, что для определения скорости потока необходимо измерить градиент
температуры между датчиком и подвижной средой и количество выделяемого тепла. Один из способов исследования потока заключается во внесении
маркера в какой-либо участок жидкости и наблюдении за его перемещением. В
качестве маркера, к примеру, можно использовать плавающие объекты, способные
передвигаться со скоростью потока и быть стационарными по отношению к частицам
жидкости. Время, затраченное маркером на перемещение между двумя заданными
точками, соответствует скорости потока. Примеры таких плавающих объектов — поплавки,
радиоактивные элементы и красители, меняющие оптические свойства среды
(к примеру, цвет). В качестве маркера можно также использовать жидкости или газы,
концентрация или степень разбавления которых определяется соответствующими
детекторами.
В медицине метод измерения расхода на основе определения
уровня разбавления конкретных веществ используется в исследованиях
гемодинамики. Однако в большинстве случаев введение посторонних веществ в
исследуемую среду либо невозможно, либо запрещено. Альтернативным методом
является изменение физических свойств движущейся среды и детектирование либо
перемещения маркированного таким образом участка, либо скорости его разбавления. На рис. 11.5А отображена нелинейная зависимость скорости потока жидкой среды от
тепловых потерь.
Рис. 11.5. Передаточная функция термоанемометра (А) и
калибровочные кривые для детектора температуры термоанемометра с
саморазогревом, определенные при трех разных уровнях нагрева (Б)
Для поддержания на детекторе Rs постоянной температуры Г и
получения достаточно большого градиента температур, необходимо компенсировать
тепловые потери. Для этого к нагревательному элементу надо подводить
соответствующую энергию. Также существуют анемометры, в которых нет отдельного
нагревательного элемента. В таких датчиках детектор Л работает в режиме
саморазогрева; это означает, что электрический ток, проходя через сопротивление
детектора, выделяет достаточное количество тепла для повышения его температуры
до значения Т. Именно при этой температуре второй детектор имеет сопротивление
R. Из уравнений выводится соотношение между напряжением на саморазогревающемся
детекторе и скоростью потока:
На рис. 11.5Б приведен пример калибровочной кривой
расходомера, использующего саморазогревающийся термистор (Т =75°С), работающий
в воздухе, температура того Т0 менялась в диапазоне 20...45°С. Температура
термистора поддерживалась постоянной во всем рабочем температурном интервале,
что может быть выполнено при помощи самобалансирующегося резистивного моста. рекомендуется отметить, что Г должна быть всегда выше максимальной температуры потока
среды.
Из формулы (11.13) рекомендуется, что существуют два способа
измерения скорости потока. В первом методе напряжение и сопротивление
нагревательного элемента поддерживаются постоянными, в качестве выходного
сигнала используется разность температур (Т — Т). А во втором методе при помощи
регулятора, управляющего напряжением на нагревателе е, эта разность температур
поддерживается постоянной. В этом случае выходным сигналом является напряжение
е.
Метод с саморазогревающимися детекторами температуры, в
качестве которых могут применяться резистивные детекторы температуры (РДТ) или
термисторы, используется в микродатчиках. Для термисторов и РДТ необходим
высокий ток возбуждения. Этот ток выполняет две функции: он измеряет
сопротивление детектора с целью определения его температуры и используется для
генерации тепла.
На рис. 11.6 отображено, как можно включить оба температурных детектора (нагреваемый и эталонный) в мостовую схему. При очень низких скоростях потока мост находится в неуравновешенном состоянии, поэтому на его выходе детектируется высокое напряжение. С ростом скорости потока нагреваемый детектор охлаждается, и его температура приближается к температуре эталонного детектора, что приводит к понижению выходного напряжения моста. На рис. 11.6Б отображены передаточные функции рассматриваемого датчика при работе с потоками разных сред. Производители сенсоров обычно приводят калибровочные кривые для каждой исследуемой среды, однако для получения точных результатов всегда рекомендуется проводить калибровку анемометра на месте. 
Рис. 11.6. Мостовая схема включения термоанемометра (А),
передаточные функции датчика для разных сред (Б)
Для проведения точных температурных измерений можно использовать любой тип температурных детекторов: резистивных, полупроводниковых, оптических и т.д ( см. главу 17). Однако большинство изготовителей сенсоров применяют резистивные датчики, поскольку они обладают хорошей линейностью, воспроизводимостью и долговременной стабильностью в широком температурном диапазоне. Благодаря высокой чувствительности, термисторы часто используются как в промышленности и при проведении научных исследований, так и в медицине. Термисторы рекомендуется подключать по четырехпроводной схеме, особенно это важно при удаленном расположении датчика. Такой способ подключения позволяет решать проблемы, связанные с дополнительными сопротивлениями соединительных проводов, которые могут быть источниками существенных погрешностей. Конструкция датчика определяет его рабочий диапазон измерения. При повышении скорости потока до какого-то критического значения молекулы подвижной среды, проходя рядом с нагревательным элементом, не успевают поглотить достаточное количество тепловой энергии, чтобы сформировать существенную разницу температур между двумя детекторами. Поскольку градиент температур стоит в знаменателе уравнения (11.13), при высоких скоростях потока это обстоятельство приводит к повышению ошибки вычислений и неминуемому падению точности измерений. Верхняя граница рабочего диапазона для конкретного типа среды обычно определяется экспериментально. к примеру, при нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С термоанемометр может измерять скорость потока воздуха до 60 м/с. рекомендуется отметить, что тепловые расходомеры могут работать только с ламинарными потоками при отсутствии каких-либо завихрений. Поэтому в состав термоанемометров часто входят гасители завихрений или сетки, иногда называемые выравнивателями массы (рис. 11.4А). Давление и температура подвижной среды оказывает сильное влияние на точность определения объемного расхода. Интересно отметить тот факт, что при измерении массового расхода точность мало зависит от давления, поскольку рост давления приводит к пропорциональному увеличению массы. Для получения конечных результатов в систему обработки данных термоанемометра должны поступать, по крайней мере, три сигнала: температура исследуемой среды, разность температур и мощность, затраченная на нагрев. Эти сигналы мультиплексируются, конвертируются в цифровые коды и передаются в микропроцессорную систему, где проводится вычисление характеристик потока: скорости (м/с), объемного расхода (м3/с) или массового расхода (кг/с). Тепловые расходомеры по сравнению с остальными типами аналогичных измерителей обладают высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном. Они могут использоваться для измерения очень маленьких перемещений жидкостей и газов, а также высоких скоростей потоков. Основными достоинствами таких сенсоров являются отсутствие подвижных компонентов и возможность измерения низких расходов. Расходомеры на основе вращающихся лопастей, поршней и дифференциальных сенсоров давления при низких скоростях потока выдают очень маленький выходной сигнал и, следовательно, имеют в этом диапазоне низкую точность. тепловые расходомеры незаменимы в случаях, когда требуется применение микросенсоров, где невозможно использовать устройства с подвижными компонентами, к примеру, в автомобилях, в медицине и биологии. .
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
