LCT_MES5 (Теоретическая механика лекции из МАИ (ворд)), страница 2

Первый из них заключается в том, что термометр сопротивления включается в мост, который уравновешивается при температуре термосопротивления, равной нулю, и при других температурах работает в неравновесном режиме. Схема такого моста приведена на рис. 55. Здесь учтено удаление датчика от остальной части схемы на значительное расстояние, и поэтому применяется трехпроводное включение датчика, такое, чтобы сопротивления линий связи влияли на результат измерения в минимальной степени. В самом деле, сопротивление на результат измерения не влияет вообще. Сопротивления двух других линий , включены в противоположные плечи моста, и их влияние исключается практически полностью при условии .

Другой способ достижения нулевого выходного сигнала при нулевой температуре реализуется численным методом, для чего в составе средства измерений должен быть предусмотрен микропроцессор или компьютер. В этом случае удаленный терморезистор подсоединяется к прибору или системе по четырехпроводной схеме, показанной на рис. 56. В этой схеме при условии применения усилителя с очень большим входным сопротивлением

размером от 1.0 до 10.0 МОм и более влияние соединительных проводов и

контактов устраняется практически полностью, поскольку их сопротивление пренебрежимо мало по сравнению с входным сопротивлением усилителя.

Нулевое выходное напряжение при нуле температуры достигается вычитанием из каждого результата падения напряжения на сопротивлении , которое возникает при .

7.1.3. Полупроводниковые термометры сопротивления

Полупроводниковые терморезисторы (терморезисторы) отличаются от металлических меньшими габаритами, обратной зависимостью сопротивления от температуры, сильной нелинейностью этой зависимости и большим по абсолютной величине температурным коэффициентом сопротивления.

Зависимость сопротивления полупроводниковых терморезисторов от температуры удовлетворительно описывается формулой

,

где А - коэффициент, имеющий размерность сопротивления (Ом), В - коэффициент, имеющий размерность температуры.

Номинальное значение сопротивления терморезисторов нормируется для различных температур : и и колеблется в широких пределах: от единиц Ом до сотен кОм. Вследствие малых габаритов терморезисторов их постоянная времени зависит от конструктивных особенностей и изменяется в пределах (0.1 30) с.

Недостатком полупроводниковых терморезисторов является значительный разброс характеристик и невысокая стабильность параметров во времени. По этим причинам терморезисторы применяются, как правило, в качестве чувствительного элемента магнитного реле.

7.1.4. Другие виды термометрических измерений

7.1.4.1. Пирометры

В ряде отраслей промышленности, например, в металлургии возникает необходимость бесконтактного измерения температуры. Это происходит в случаях недоступности объекта или когда температура объекта слишком высока, и взаимодействующий с ним датчик может выйти из строя, в частности, расплавиться. В этих случаях применяют средства измерений, в которых реализуются пирометрические методы измерения температуры, или методы, основанные на тепловидении.

К пирометрическим методам измерения температуры относятся пирометры полного излучения (радиационные пирометры), пирометры частичного излучения (яркостные пирометры) и пирометры спектрального отношения (цветовые пирометры).

Принцип действия радиационных пирометров основан на том, что по закону Стефана-Больцмана интегральная мощность излучения абсолютно черного тела (АЧТ) зависит от температуры: , где . Однако для реального тела эта зависимость может сильно изменяться в зависимости от состояния его поверхности и от материала. Пирометр, отградуированный по излучению АЧТ, покажет в реальности радиационную температуру , где - коэффициент теплового излучения.

Схема радиационного пирометра представлена на рис. 57 а. Пределы измерения такого пирометра (400 ¸ 3000)°С. Излучение объекта воспринимается

пирометром, фокусируется и попадает на термопару, находящуюся в фокусе линзы. Возникающая термоЭДС пропорциональна температуре, при которой находится термопара. Эта термоЭДС измеряется любым милливольтметром. Задачей оператора является наведение объектива пирометра на объект.

В яркостных пирометрах используется зависимость мощности излучения от температуры в ограниченном диапазоне длин волн излучения. В таких пиро-

метрах обычно используется красный светофильтр, пропускающий излучения с длинами волн (0.648 ¸ 0.664) мкм. И здесь мощность излучения зависит от материала излучающего объекта и от состояния его поверхности. Так, для полированной меди коэффициент теплового излучения равен 0.03, для вольфрама 0.6, для окисленного железа 0.6 ¸ 0.9, для силикатных огнеупоров 0.9.

Принцип действия яркостного пирометра показан на рис. 57 б. В фокусе линзы находится образцовая нить, которая нагревается от источника тока, проходящего через регулировочное сопротивление . Оператор регулирует этим сопротивлением ток до тех пор, пока нить не окажется неразличимой на фоне изображения излучающего тела. Этот ток измеряется и по его величине судят о температуре объекта с учетом его материала и качества поверхности. Пределы измерения таких пирометров от 300°С до 6000°С.

В настоящее время для бесконтактного измерения температуры применяются методы тепловидения. В тепловизионных пирометрах в фокусе приемной линзы находится матрица, составленная из теплочувствительных элементов, выходные сигналы которых сканируются и передаются для дальнейшей обработки в микропроцессор или компьютер. Разрешающая способность таких пирометров достигает 0.1°С.

Недостатком всех бесконтактных пирометров является сильная зависимость результатов измерений от коэффициента теплового излучения объекта, значение которого известно с ограниченной точностью. Достоинство бесконтактных пирометров - отсутствие непосредственного взаимодействия с объектом, вследствие чего тепловое поле объекта при измерении температуры не искажается. Кроме того с помощью подобных пирометров удается измерить, правда, с невысокой точностью температуру таких труднодоступных объектов, как планеты солнечной системы или даже звезды.

7.1.4.2. Термоанемометры

Термоанемометры служат для измерения скорости и объемного расхода негорючих газов и жидкостей. Метод основан на сносе тепла от нагретого предмета (терморезистора) движущимся потоком. Уравнение теплового баланса терморезистора, находящегося в движущейся среде, имеет вид:

,

где I - сила тока через терморезистор, R - его сопротивление, S - площадь поверхности терморезистора, и - температура терморезистора и температура среды соответственно, x - коэффициент теплоотдачи, зависящий от формы терморезистора, от вязкости, скорости и теплопроводности среды. В качестве терморезисторов для термоанемометров применяют проволочные терморезисторы из платины и вольфрама диаметром 5 ¸ 20 мкм, а также пленочные терморезисторы из никеля и других материалов. Длина терморезистора 5 ¸ 10 мм. Терморезистор устанавливается в держатель, как показано на рис. 58 и включается в мост. Терморезистор нагревается проходящим через него током, а мост при этом уравновешивается при неподвижной среде. При движении среды терморезистор охлаждается, в измерительной диагонали моста появляется напряжение, измеряемое любым методом. Для коррекции зависимости сопротивления терморезистора от температуры движущейся среды методами, известными

из гидродинамики, из потока отделяют некоторую неподвижную его часть и помещают туда аналогичный терморезистор, включая его в противоположное плечо моста.

Диапазон измеряемых скоростей от 0.01 м/с до 500 м/с. Частотный диапазон термоанемометров от 0 Гц до 500 Гц, поэтому подобные анемометры позволяют измерять высокочастотные флуктуации потоков. Основной причиной погрешности термоанемометров является зависимость сопротивления от теплофизических параметров среды. Кроме того с помощью термоанемометра измеряется скорость движения в локальной области потока, и эта скорость отличается от средней скорости, особенно если поток не ламинарный.

7.2. Измерение деформаций

Для измерения деформации используются тензорезисторы, то есть такие резисторы, сопротивление которых изменяется при их линейной деформации. Существует три вида тензорезисторов: проволочные, фольговые и полупроводниковые. Механизм возникновения тензочувствительности у проволочных и фольговых тензорезисторов имеет одну природу.

Сопротивление электрического проводника длиной l, с площадью поперечного сечения S выражается формулой

.

При увеличении длины проволоки вследствие ее упругой деформации на ее диаметр уменьшается на Dd, причем относительные величины /l и Dd/d связаны прямо пропорционально: Dd/d = - 0.4 /l. Кроме того при деформации проводника незначительно изменяется его удельное сопротивление r.

Прологарифмируем теперь исходное выражение и вычислим его дифференциал, заменив бесконечно малые на конечные приращения. В результате получим выражение, связывающее относительные приращения:

.