Измерительные цепи термоанемометров

Рис. 4.17. 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. 4.21. Как видно из рисунка, шкала прибора получается нелинейной.

Рис. 4.18.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. 4.19).

Рис. 4.19. 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.

E = f(t) = f₁(V)

Материал преобразователя термоанемометра

Для того чтобы обеспечить достаточную чувствительность прибора, необходимо нагревать проволоку термоанемометра до температур 600—800°С. Особенно это важно для термо-анемометров с термопарой, так как термо-э.д.с. растет с уве­личением температуры рабочего спая.

Однако, как указывалось выше, не все термосопротивления можно нагревать до такой температуры. Поэтому чаще всего в качестве термопреобразователя термоанемометра служит платина.

Погрешности термоанемометра

Как указывалось выше, для получения более точных ре­зультатов измерения нужно, по возможности, исключить влия­ние всех факторов, кроме измеряемой величины.

Погрешностью от потерь, обусловленных теплопроводностью самого проводника можно пренебречь, если взять отно­шение его длины к диаметру равным (обычно берется проволока длиной 5—20 мм и диаметром 0,02—0,06 мм).

Потерями на излучение можно также пренебречь, если тер­мосопротивление работает в от­крытом газовом потоке или, когда температура проволоки отличается от температуры окружающей среды или стенок камеры не больше, чем на 100°С.

Когда потерями на теплопроводность и лучеиспускание пренебречь нельзя, их можно учесть градуировкой, если, ко­нечно, эти потери сохраняют свое значение во время работы.

Погрешность от изменения теплопроводности газового по­тока.

Как известно, коэффициент теплоотдачи x зависит не только от скорости, но и от теплопроводности среды. Поэтому, если в процессе эксплуатации прибора состав, а следователь­но, и теплопроводность исследуемого газового потока будет меняться, то будет меняться x и температура проволоки, что может внести заметную погрешность в измерения.

Поэтому нужно следить за тем, чтобы состав среды во время градуировки и эксплуатации прибора был один и тот же.

Проволока термоанемометра должна быть расположена по возможности перпендикулярно направлению потока. Изме­нение угла наклона от перпендикулярного больше чем на 10°С вызывает значительное изменение показаний.

Газоанализаторы

Принцип действия и устройство

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

(4.3)

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

(4.4)

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 (4.3) 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 (4.4) 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.

Рис. 4.20. Устройство термоанемометра.

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.

Погрешности газоанализаторов

Для уменьшения погрешностей газоанализаторов нужно стремиться к тому, чтобы тепловое равновесие проволоки в камере определялось в основном теплопроводностью газовой смеси, остальные же виды теплообмена должны быть сведены к минимуму.

Потери на лучеиспускание и теплопроводность самой про­волоки исключаются тем же путем, что и в термоанемометрах, т. е. соответствующим выбором размеров проводника (l=50—60 мм; d=0,03¸0,05 мм) и градуировкой.

Потери на конвекцию, которые зависят от скорости проте­кания газа, можно учесть градуировкой, если скорость газа постоянна.

Если же скорость газа не является постоянной величиной, то может возникнуть погрешность измерения. Подсчет этой погрешности возможен, если известна зависимость коэффи­циента теплоотдачи x от скорости. Если же величина x неиз­вестна, то стремятся к уменьшению скорости газа.

Погрешность, обусловленная потерями тепла на конвек­цию, может быть сведена к нулю, если газ в камеру попадает только в процессе диффузии. Однако инерция подобных преобразователей так велика, что время измерения достигает 15 мин, что неудобно в работе. Обычно, стремясь уменьшить зависимость показаний от скорости, допускают время изме­рения до 5—8 мин,

Потери на конвекцию зависят также от расположения про­волоки в камере. Поэтому в газоанализаторах проволоку рас­полагают вдоль оси камеры.

Необходимо отметить влияние положения проволоки в камере на погрешность прибора. Если проволока во время эксплуатации сместится относительно того положения, кото­рое она имела при градуировке, то изменятся условия тепло­вого равновесия и температура проволоки. Поэтому преобра­зователь обычно изготовляют в виде прямой проволоки и ме­ханически обеспечивают постоянство ее расположения в ка­мере.