ИЗМЕРЕНИЕ БЫСТРОМЕНЯЮЩЕЙСЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Измерение температуры газов производят контактными и бесконтактными методами. Применение последних предполагает использование сложной, дорогой, а часто и недоступной, аппаратуры, в связи с чем их чаще всего используют при измерении сравнительно высоких температур, при исследовании процессов, протекающих в агрессивных средах, и т.д., когда использование контактных термометров затруднено или вообще невозможно.
При измерении контактными методами быстропротекающих в газовых средах процессов широкое распространение получили малоинерционные термометры сопротивления (терморезисторы), чувствительный элемент которых выполняют из проволоки малого (5-10 мкм) диаметра, обладающей достаточно высокой прочностью. Для повышения точности измерений и снижения тепловой инерции проволочного резистора обычно применяют метод разно‑чувствительных инерционных элементов (метод «двух проволочек»), предложенный Пфриемом в 1936 г. и доработанный впоследствии Н. Н. Огородниковым, а также методы электрической коррекции, которые весьма сложны и требуют использования специально изготовленной электронной аппаратуры.
Суть метода «двух проволочек» заключается в нахождении величины тепловой инерции терморезистора, т.е. разности между измеренной в i‑й момент времени температурой проволоки ТПРi (по измеренному ее сопротивлению) и фактической температурой среды Тi (контролируемый параметр) при неизвестном коэффициенте теплоотдачи aПРi проволоки.
При этом вполне естественно, что для нахождения двух неизвестных (Тi и aПРi ) требуется составить и решить два независимых уравнения вида [3]:
где К - константа, алгебраическое выражение, характеризующее геометрические размеры и физические свойства проволоки, τ – время, m - параметр, входящий в эмпирическое уравнение, использующееся для определения aПРi.
К недостатку использования данного метода в «чистом» виде следует отнести сложность определения величины m вследствие применения двух терморезисторов разной инерционности (например, с использованием двух проволочек разного диаметра), и которой трудно варьировать для получения приемлемой чувствительности реального термодатчика.
Более целесообразен для корректировки показаний термометра сопротивления метод определения погрешности термодатчика.
Суть метода заключается в том, что в качестве двух отрезков проволоки, имеющих разные характеристики, применяется один отрезок, который при измерении температуры газа в полностью идентичных динамических процессах (например, для поршневого компрессора - полных циклов, протекающих в камере сжатия) последовательно наделяется разными свойствами хотя бы по одному параметру (так имитируется использование «двух проволочек»). Это дает возможность определить коэффициент теплоотдачи aПРi в функции времени протекания процесса из уравнения:
где Ii - сила тока, протекающего по проволоке, Rt - электрическое сопротивление проволоки, МПК - масса проволоки, СПК - ее удельная теплоемкость, FПР ‑ площадь поверхности проволоки. Индексы « 1» и « 2» означают соответственно параметры, определенные для двух начальных (при тарировке) значений тока I, проходящего по проволоке.
Зная зависимость aПР от t (практически - по углу поворота коленчатого вала), полученную из эксперимента, величину коррекции DТi можно рассчитать по формуле
если полагать, что основной режим работы датчика определен для начального тока с индексом « 1 ».
Из уравнений (2) и (3) хорошо видно, что для увеличения aПР (приводящего к уменьшению величины коррекции DТ) необходимо увеличивать разность между начальными токами, выбирая минимальную величину начального тока для основного режима работы датчика. Последнее определяется в основном типом используемого усилителя сигнала и регистрирующего устройства.
В связи с тем, что измеряемые в камере сжатия компрессора температуры невелики, в уравнение (3) не входят параметры, определяемые тепловым излучением проволоки в окружающий ее газ, а большое отношение длины проволоки к ее диаметру позволяет не учитывать влияние теплопроводности электродов. Конструкция датчика приведена на рис. 18.1.
Датчик представляет собой корпус, имеющий фторопластовый вкладыш с выступами, служащими для поддержания отрезка вольфрамовой проволоки диаметром 4‑6 мкм и длиной 15 мм, концы которой защемлены в стальных электродах диаметром 0,5 мм. Плотность материала проволоки - 19300 кг/м3, ее электрическое сопротивление при температуре ТПР= 293 К Rto= 35,469 Ом.
Следует отметить, что представленная схема измерения величины Тi имеет существенный недостаток - необходимость практически полной количественной идентичности нескольких циклов, проведенных при разных начальных токах I1 и I2.
Этот недостаток можно устранить, если использовать один отрезок проволоки, разделенный общим электродом на два неравноценных по длине участка (рис. 2), в связи с чем датчик становится дифференциальным.
В этом случае по чувствительному элементу (тонкая резистивная нить) в обоих плечах датчика протекает один и тот же ток I, но в связи с разной длиной плеч (L1 и L2) и, соответственно с разным сопротивлением (R1 и R2) , падение напряжения (U1 и U2) на них будет разным. Таким образом, оба отрезка чувствительного элемента датчика оказываются в одних термодинамических условиях, но в разных условиях работы, т.к. имеют разную массу и разные поверхности теплоотдачи. Следовательно, при одном и том же изменении температуры окружающей среды (ΔТ) изменение падения напряжения (ΔU1 и ΔU2) будут отличаться друг от друга, что и имитирует метод «двух проволочек».
В соответствии с [12] уравнения теплового баланса для обеих частей измерительной нити будут выглядеть следующим образом:
, (4)
, (5)
где F – площадь отрезка измерительной нити, V – его объем, ρ –плотность материала нити, С – его удельная теплоемкость, Т(τ) – измеряемая во времени температура среды, индексы «1» и «2» относятся соответственно к «первому» и «второму» участкам нити.
В связи с тем, что измерительная нить представляет собой единое целое и находится в одинаковых условиях измерения, можно записать:
Обозначив и поделив (4) на (5), получим уравнение
которое после соответствующих преобразований может быть представлено в виде:
(6)
Данное уравнение позволяет при известных из эксперимента зависимостях температуры обоих отрезков измерительной нити от времени определить в каждый момент «истинную» температуру среды, окружающей нить.
Конструктивно датчик может выглядеть аналогично изображенному на рис. 1 с той разницей, что один из опорных выступов 2 должен быть токопроводящим, а измерительная нить должна быть закреплена на нем должным образом.
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
Операции на печени, желчном пузыре, желчных путях, поджелудочной железе | | | Удаление червеобразного отростка. Операции на толстой кишке |
Дата добавления: 2016-04-19; просмотров: 1053;