Термосопротивления .

Термосопротивление представляет собой проводник или полупроводник с током, с большим температурным коэффи­циентом, находящийся в теплообмене с окружающей средой.

Имеется несколько путей теплообмена:

1) конвекцией;

2) теплопроводностью среды;

3) теплопроводностью самого проводника;

4) излучением.

Интенсивность теплообмена проводника с окружающей средой зависит от следующих факторов:

1) скорости газовой или жидкой среды;

2) физических свойств среды (плотности, теплопроводно­сти, вязкости);

3) температуры среды;

4) геометрических размеров проводника.

Эту зависимость температуры проводника, а следовательно, и его сопротивления от перечисленных факторов можно использовать для измерения различных неэлектрических ве­личин, характеризующих газовую или жидкую среду: темпе­ратуры, скорости, концентрации, плотности (вакуума).

Промышленность выпускает термосопротивления в разно­образном конструктивном исполнении типов ММТ, КМТ-4, МКМТ.

Достоинством таких термосопротивлений является очень высокой (отрицательный) температурный коэффициент сопро­тивления (2,5 – 4% на градус).

Недостатками полупроводниковых термосопротивлений является нелинейная зависимость их сопротивления от тем­пературы (рис. 3.31) и большой разброс характеристик от об­разца к образцу. Это затрудняет получение линейной шкалы прибора и замену вышедшего из строя полупроводника. Кро­ме того, у них довольно мал температурный диапазон (-100…+120°).

Рис. 3.31. Вольтамперная характеристика полупроводникового термосопротивления

Применяя преобразователи для измерения различных ве­личин, нужно стремиться к тому, чтобы все факторы, кроме измеряемой величины, как можно меньше влияли на измене­ние сопротивления термопреобразователя. Следовательно, требования к преобразователю, его погрешности и свойства будут определяться в зависимости от того, что измеряет при­бор.

Поэтому целесообразно рассмотреть применение термосо­противлений на конкретных примерах.

Термоанемометры (приборы для измерения скорости газового потока)

Принцип действия. Если нагреваемое током термосопро­тивление погружено в жидкую или газовую среду, то его тем­пература определяется режимом теплового равновесия меж­ду количеством тепла, подводимого к проволоке и отдаваемого в окружающую среду.

Если среда движется, т. е. представляет собой поток жидкости или газа, то отдача тепла путем конвекции превос­ходит все другие охлаждающие факторы и зависит от скоро­сти потока.

Приборы, измеряющие скорость газового потока, назы­ваются термоанемометрами. На рис. 3.32 представлено принци­пиальное устройство термоанемометра.

Рис. 3.32. Устройство термоанемометра

1 – платиновая проволочка; 2 – манганиновые стерженьки; 3 – ручка; 4 – выводы

Термочувствительным элементом служит платиновая проволочка 1, прикрепленная к манганиновым стерженькам 2, которые, в свою очередь, крепятся к ручке 3 из изолирующего материала. Для вклю­чения преобразователя в измерительную цепь служат выво­ды 4.

Работа основана на измерении сопротивления проволоки 1, изменяющегося в зависимости от скорости газового потока.

Потеря проволокой тепла путем конвекции выражается следующей формулой:

,

где e – коэффициент теплоотдачи; F – поверхность проволоки в среде;

t_пр и t_ср – соответственно температура проволоки и среды.

Здесь величина x зависит не только от скорости движения среды, но и от вязкости, теплоемкости и теплопроводности среды и поэтому величину x рассчитывают с помощью тео­рии подобия.

Преобразователь термоанемометра включается обычно в мостовую цепь

(рис. 3.33).

Рис. 3.33. Схема включения преобразователя термоанемометра в мостовую цепь

Измерение можно производить, под­держивая постоянным либо ток I в неразветвленной части моста, либо напряжение питания моста (при работе в нерав­новесном режиме) или непрерывно поддерживая соответ­ствующее равновесию моста значение соопротивления R_ПР термоанемометра путем изменения тока I (тогда мост будет находиться в режиме равновесия для каждого значения ско­рости V).

Градуировочная кривая R = f(V) при I = const показана на рис. 3.34. Как видно из рисунка, шкала прибора получается нелинейной.

Рис. 3.34.Градуировочная кривая шкалы прибора термоанемометра

Иногда для получения более линейной шкалы измеряют не ток I, а падение напряжения на платиновой проволоке R_к. Так как значение R_k вследствие нагревания проволоки током увеличивается при возрастании I, то зависимость I×R_к=f(V) оказывается более линейной, чем зависимость I=f(V), но при этом увеличивается инерционность.

Температуру проволоки термоанемометра можно еще из­мерить с помощью термопары (рис. 3.35).

Рис. 3.35. Схема измерения температуры нагревателя термоанемометра термопарой

Рабочий спай термопары приварен к середине нагревае­мой проволоки R_T и милливольтметр mV измеряет термо-э. д. с., развиваемую термопарой в зависимости от температу­ры сопротивления R_T, а, следовательно, от скорости потока V.

Приборы, предназначенные для определения процентного содержания компонента газовой смеси, называются газоана­лизаторами. Принцип их действия основан на изменении со­противления проводника в зависимости от теплопроводность смеси газов. Теплопроводность же газовых смесей, состоящих из газов, не вступающих в реакцию друг с другом, примерно равна среднему арифметическому теплопроводностей компо­нент смеси.

Для смеси из двух газов

, (3.40)

где l_C12, l_C1, l_C2, – соответственно теплопроводности смеси и компонент;

а и b – процентное содержание компонент смеси.

Если необходимо определить процентное содержание га­за, имеющего теплопроводность l_C1, в смеси с другим га­зом, имеющим теплопроводность l_C2, то выражение для l_C12 можно написать

, (3.41)

т. е., измерив l_C12 смеси и зная табличные значения l_C1 в l_C2 газов, образующих смесь, можно определить а (процент­ное содержание одного из газов).

Формула (3.40) дает лишь приближенную зависимость теплопроводности смеси от ее состава, поэтому на практике целесообразнее производить градуировку электрических газо­анализаторов экспериментально, либо путем сравнения с образцовыми газоанализаторами, либо приготовляя в газголь­дере смеси газов различных концентраций.

Формула (3.41) относится к измерению концентрации одного из компонентов двухкомпонентной смеси.

Измерение концентрации одного из компонентов более сложных смесей возможно лишь в том случае, когда все остальные компоненты газовой смеси имеют практически одинаковую теплопроводность, либо когда концентрация осталь­ных компонентов постоянная.

На рис. 3.36 показано принципиальное устройство термоанемометра.

Рис. 3.36. Устройство термоанемометра.

1 – проволока; 2 – камера

Проволока 1, закрепленная в камере 2, обтекается исследуемым газом, теплопроводность которого изменяется в зависимости от состава.

Материал проводника выбирается из тех же соображений, что и для термоанемометра.

Измерительные цепи также аналогичны цепям термоане­мометра.