Измерение неэлектрических величин 3 страница

Фотогальванические преобразователи (фотодиоды и фототранзисторы). Данные преобразователи представляют собой активные светочувствительные полупроводники, создающие при поглощении света вследствие фотоэффектов в запорном слое свободные электроны и ЭДС.

Фотодиод (ФД) может работать в двух режимах — фотодиодном и генераторном (вентильном). Фототранзистор — полупроводниковый приемник лучистой энергии с двумя и большим числом р — «-переходов, в которых совмещен фотодиод и усилитель фототока.

Фототранзисторы, как и фотодиоды, применяются для преобразования световых сигналов в электрические. Однако в фото транзисторах наличие второго р—«-перехода увеличивает соб ственные шумы. Их чувствительность почти в два раза выше, чем у фотодиодов, и они обладают электрической и технологичес кой совместимостью с интегральными схемами.

Вентильные фотоэлементы. Из них наибольшее распространение получили селеновые и сернисто-серебряные. Эти фотоэлементы обладают тем свойством, что под действием лучистой энергии они становятся источниками тока. По этому признаку их можно было бы отнести к генераторным преобразователям, однако, чтобы не разбивать группу фотоэлектрических преобразователей, их целесообразно рассмотреть в данном разделе.

Работу фотоэлементов можно оценить по следующим характеристикам:

световая характеристика — зависимость фототока от интенсивности светового потока, падающего на фотоэлемент /ф=/(Ф); спектральная характеристика — зависимость фототока от длины волны световых лучей /Ф = /(Х);

частотная (инерционная) характеристика — зависимость фототока от частоты изменения интенсивности падающего светового потока /ф =/(/„).

вольт-амперная характеристика (ВАХ) — зависимость фототока от напряжения I$=f(U);

температурная характеристика — изменение фототока от температуры фотоэлемента /ф=/(? °). Однако от изменения температуры зависит и спектральная характеристика фотоэлемента;

усталость фотоэлемента — изменение характеристик фотоэлементов в зависимости от времени его работы.

В фотодиодном режиме к ФД приложено запирающее напряжение. При отсутствии облучения под действием этого напряжения проходит лишь небольшой темновой ток, а при освещении р— «-перехода этот ток линейно увеличивается в зависимости от интенсивности облучения. В фотодиодном режиме ФД может рассматриваться как резистор и включаться в схемы делителей или мостовые измерительные цепи, позволяющие уменьшить влияние дрейфа темнового тока. Фотодиоды по напряжению питания хорошо согласуются с полупроводниковыми электронными элементами, поэтому используются в схемах совместно с операционными усилителями. Фоторезисторы широко применяются в преобразователях перемещений.

В генераторном (вентильном) режиме ФД сам является источником тока. Высокая чувствительность вентильных

фотоэлементов во многих практических случаях вполне позволяет обойтись без усиления фототоков.

Наиболее распространенными являются селеновые, сернисто-серебряные и кремниевые фотоэлементы. У селеновых фотоэлементов чувствительность составляет примерно 400...500 мкА/лм, а у сернисто-серебряных и кремниевых — 7000 мкА/лм. Селеновые фотоэлементы более стабильны и имеют большой срок службы. Кремниевые фотоэлементы практически безынерционны (т= 10" 6с), стабильны и имеют низкий уровень шумов. Сила тока на выходе преобразователя с вентильным фотоэлементом на линейном участке характеристики (рис. 7.3) определяется по формуле

где £ ф — чувствительность фотоэлементов (с учетом нагрузки); Ф — световой поток.

До освещенности 1000 л к чувствительность кремниевых фотодиодов постоянна и составляет 0, 1... 2 мкА/лк. Они имеют энергетический КПД до 11%, поэтому применяются также для электропитания электронных измерительных приборов, например, в виде солнечных элементов кварцевых часов, батарей на спутниках и т.д. Они могут использоваться при температурах до 150°С.

Упрощенная принципиальная схема включения вентильного элемента приведена на рис. 7.4. Здесь измеритель И включается непосредственно к зажимам фотоэлемента Ф, который под действием света является источником тока.

Принципиальная схема включения фотоэлемента в фотодиодном режиме изображена на рис. 7.5.

В зависимости от степени освещенности фотоэлемента меняются показания вольтметра V. Схемы с усилителями постоянного тока очень чувствительны к помехам и к нестабильности напряжения источника питания. Это вызывает большие погрешности измерения, поэтому для усиления фототоков часто приме-

Рис. 7.3. Зависимость

Рис. 7.4. Схема включения вентильного элемента

/ =/(Ф) для кремниевого

фотоэлемента

няют усилители переменного тока,

которые менее чувствительны к по мехам и нестабильности напряже ния питания.

Кроме того, источниками погрешностей измерения являются:

Рис. 7.5. Схема включения фотоэлемента

нестабильность напряжения источников питания фотоэлемента;

нестабильность напряжения питания источников света, так как от напряжения зависит величина светового потока;

изменение характеристики фотоэлементов во времени.

Для исключения этих погрешностей применяют дифференциальные фотоэлектрические преобразователи. Наилучший результат дает применение дифференциальных преобразователей в нулевом режиме метода сравнения (рис. 7.6). Здесь распределение напряжения между двумя фотоэлементами Ф, и Ф2 определяется отношением падающих на них световых потоков и не зависит от абсолютного значения последних.

Следует отметить, что избавление от погрешностей дает применение дифференциальных преобразователей лишь в нулевом режиме схемы сравнения. Погрешности, обусловленные изменением напряжения питания U фотоэлементов, а также изменением характеристик фотоэлементов во времени у приборов с дифференциальными преобразователями, работающими в неравновесном режиме, имеют место в той же мере, что и у приборов с недифференциальными преобразователями.

Добиться исключения влияния непостоянства характеристик можно, используя дифференциальный преобразователь с одним фотоэлементом (рис. 7.7). Свет от лампы Л разделяется на два пучка. При помощи дополнительных зеркал 3 оба пучка попадают на фотоэлемент Ф. На пути обоих пучков света помещен вращающийся от синхронного двигателя Дв диск с зубцами D. Диск выполнен таким образом, что его зубцы поочередно перекрывают то один, то другой пучок, модулируя таким образом световой поток.

о£ /о-

Рис. 7.6. Включение преобра

зователей по дифференциаль

ной схеме

При равенстве световых потоков освещение фотоэлемента остается постоянным; при их неравенстве возникает переменная составляющая фототока, усиливаемая электронной цепью.

Дв 0Ф

-& -v-o--> "

Рис. 7.7. Дифференциальный преобразователь с одним фотоэлементом

Фотоэлектрические преобразова- ■ * и^ тели в настоящее время широко применяют для измерения различных неэлектрических величин, особенно в системах автоматического контроля и регулирования: температуры тела, качества поверхности, скорости вращения, концентрации растворов и т.д. Рассмотрим принцип использования фотоэлементов для измерения неэлектрических величин.

Фотоэлектрические тахометры. Принцип действия фотоэлектрических тахометров состоит в измерении частоты переменного тока фотоэлемента, освещенного световым потоком, модулированной вращающимся объектом измерения.

На рис. 7.8 изображен принцип использования фотоэлемента для измерения угловой скорости вращения сох вала. Здесь прерывание светового потока, падающего на фотоэлемент Ф от источника питания Л, осуществляется с помощью диска D с прорезями, который вращается вместе с валом. Далее сигнал усиливается ОУ, поступает на двоичный счетчик Ст2, дешифратор ДС.

Счетчик HL регистрирует число затемнений фотоэлемента, которое является функцией скорости вращения вала.

Нефелометры. Фотоэлектрические приборы, измеряющие мутность растворов, называются нефелометрами. На рис. 7.9 показана оптическая схема прибора для контроля мутности исследуемой среды ИС методом сравнения с образцовой средой ОС.

'f-A;

г> ~ Л: -

Свет от источника Л при помощи зеркал 3, и 32 и линз Ль Л2, Л3 и Л4 направляется через кювету с испытуемым раствором на фотосопротивление ФС, и через образцовую среду — на фотосопротивление ФС2. Диафрагмы Д, и Д2 регулируют освещенность фотосопротивлений. Во время измерений сопротивление

Рис. 7.8. Схема измерения угловой ско- Рис. 7.9. Схема прибора для кон-
рости вращения вала троля мутности растворов

Рис. 7.10. Принципиальная схема расходомера

ФС2 остается неизменным, а ФС, изменяется в зависимости от большего или меньшего поглощения светового потока исследуемой средой.

При изменении сопротивления ФС,, т. е. при увеличении мутности раствора ИС, в схему управления поступает сигнал о нарушении режима или управляющий импульс для приведения в действие регулирующего органа.

Фотоэлектрические расходомеры. Применение фотоэлементов позволило создать ряд надежных и простых расходомеров жидкостей и газов.

На рис. 7.10 представлена схема расходомера, принцип действия которого основан на автоматическом измерении длительности наполнения объема определенной величины. Действие такого расходомера заключается в следующем: при достижении уровня нижнего фотосопротивления ФС, жидкость поглощает часть световой энергии, направленной на ФС,, его сопротивление возрастает, реле Р1 выключается, и через контакт 1Р1 запускается счетчик времени Сч. При заполнении жидкостью калиброванной трубки до уровня верхнего фотосопротивления ФС2 выключается реле Р2 и его контакт 1Р2 отключает счетчик.

Объемный расход жидкости

4т ' где d — внутренний диаметр трубы; Н — расстояние между оптическими осями ФС, и ФС2; т — время, отсчитанное счетчиком Сч. При постоянном значении Я показания счетчика будут соответствовать определенному расходу жидкости.

7.2. ЕМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, емкость которого изменяется под действием измеряемой неэлектрической величины.

В качестве емкостного преобразователя широко используют плоский конденсатор, емкость которого можно выразить формулой

C = e0eS/5, (7.1)

где е0 — диэлектрическая постоянная воздуха (е0= 8, 85 • 10" 12 Ф/м; е — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками конденсатора; S — площадь обкладки; 5 — расстояние между обкладками.

Так как измеряемая неэлектрическая величина может быть функционально связана с любым из этих параметров, то устройство емкостных преобразователей может быть самым различным в зависимости от области применения. Для измерения уровней жидких и сыпучих тел используют цилиндрические или плоские конденсаторы; для измерения малых перемещений, быстроизменя-ющихся сил и давлений — дифференциальные емкостные преобразователи с переменным зазором между обкладками. Рассмотрим принцип использования емкостных преобразователей для измерения различных неэлектрических величин.

Емкостный уровнемер. На рис. 7.11 показано устройство емкостного преобразователя для измерения уровня — емкостный уровнемер. Он представляет собой коаксиальный конденсатор.

Его электроды 7 и 2 изолированы друг от друга. Емкость С такого преобразователя может быть определена как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов; один из них С, образован частью электродов и диэлектриком — жидкостью, уровень которой измеряется, а другой С2 — остальной частью электродов и диэлектриком — воздухом:

c = c1+C; =[/e + ft-; b]1^., 7.2)

В измерительную цепь

где /0 — полная длина преобразователя, м; / — длина преобразователя, заполненного жидкостью, м; е0 — электрическая постоянная воздуха, ф/м; е — диэлектрическая проницаемость жидкости; /?, и R2 — радиусы внешнего и внутреннего цилиндров, м.

Таким образом, по мере заполнения преобразователя жидкостью, его емкость будет изменяться в функции от уровня.

Рис. 7.11. Емкостный уровнемер:

1, 2— электроды

Толщиномер. На рис. 7.12 представлен принцип действия емкостного толщиномера, измеряющего толщину ленты 2 из диэлектрика (например резины).

/£ > В измерительную " Оо цепь

В измерительную цепь ч^Ш5Ч

ТНЙЗВН:

Рис. 7.15. Измеритель угла поворота вала:

1, 2— соответственно неподвижная

и подвижная обкладки измерителя;

3 — вал

Рис. 7.12. Емкостный толщиномер:

/ — обкладки конденсатора; 2 — лента

Рис. 7.13. Измеритель перемещения 1, 2 — обкладки преобразователя

Лента протягивается между обкладками 7 конденсатора, и и зависимости от ее толщины изменяется диэлектрическая проница емость межэлектродного пространства. Если обозначить длину зазора между обкладками конденсатора через 5, толщину ленты диэлектрика 5Д, а диэлектрическую проницаемость ленты через ел, то емкость можно выразить формулой

С

5-6п

Измерители силы и перемещений. При измерении механической силы или перемещения используют зависимость емкости от расстояния 5 между обкладками /и 2преобразователя (рис. 7.13).

Зазор 8 изменяется в зависимости от величины измеряемого усилия или перемещения.

Схемы с дифференциальным преобразователем (рис. 7.14) имеют большую чувствительность и точность. Обкладка 2 закреплена на пружинах и перемещается параллельно самой себе под воздействием измеряемой силы Р. Обкладки / и 3 неподвижны. Емкость между обкладками 2и 3увеличивается, а между обкладками 7 и 2 уменьшается.

: л

Емкостные преобразователи для измерения малых перемещений (порядка ЮЛ.. 10~3 м) отличаются высокой чувствительностью, линейностью, малыми погрешностями и одновременно простотой конструкции и легкостью подвижной части, что в ряде случаев делает их незаменимыми.

^85854

_/__ В измерительную З& ЙВ^цепь

Рис. 7.14. Дифференциальный измеритель силы Р: 1 — 3 — обкладки измерителя

Измеритель угла поворота. На рис. 7.15 изображен принцип устройства емкостного преобразователя для измерения угла поворота вала.

Подвижная обкладка измерителя 2, жестко скрепленная с валом 3, перемещается относительно неподвижной обкладки 1 так, что зазор между обкладками сохраняется неизменным, а изменяется действующая площадь обкладок, а следовательно, и емкость преобразователя. Рабочий зазор 5 несоизмеримо мал по отношению к зазору 5,.

Путем соответствующего выбора формы пластин можно получить любую функциональную зависимость между изменением емкости и входным угловым перемещением. Подобного типа преобразователи применяют и для измерения линейных перемещений.

Измеритель влажности. Емкостные преобразователи используют для измерения влажности различных веществ: пряжи, волокна, кожи, зерна и т.д. На рис. 7.16 представлено устройство преобразователя для измерения влажности волокна или пряжи.

Цилиндрический конденсатор заполняется исследуемой пряжей или волокном и включается в одно из плеч измерительного моста.

Так как вода имеет очень высокую относительную диэлектрическую проницаемость (еН2о =81) по сравнению с е для остальных веществ (е = 1...6), то в зависимости от влажности испытуемого вещества диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и емкость преобразователя будут изменяться.

Измерительные цепи с емкостными преобразователями. В большинстве случаев емкостные преобразователи включаются в мостовые цепи переменного тока. Для повышения точности и чувствительности емкостный преобразователь делается дифференциальным и включается в соседние плечи моста (рис. 7.17).

Для того чтобы реализовать преимущества емкостных преобразователей, необходимо выполнить ряд требований к измерительной цепи.

° В измерительную цепь

Испытуемое вещество

Рис. 7.16. Измеритель влажности вещества

Емкостные преобразователи, как правило, имеют малую емкость (десятки — сотни пикофарад) и поэтому при промышленной частоте обладают весьма алой мощностью. Например,

если преобразователь имеет емкость С= 100 пФ, то при частоте /= 50 Гц и напряжении питания 11= 50 В получаем

Pnn=U2(uC

: 502 -2тг50-100 10-12 D10-'6 В-А.

Рис. 7.17. Дифференциальная схема включения емкостных преобразователей

Так как мощность измерителя должна быть меньше мощности преобразователя, то, очевидно, в качестве измерителя можно использовать только электронный прибор.

1 соС

Сопротивление емкостного преобразователя очень велико. Для приведенного выше преобразователя имеем

Хс =

= 30 МОм.

271-50-100-10"

Такое сопротивление преобразователя требует большого сопротивления в выходной диагонали моста. Этому условию удовлетворяют электронные приборы, имеющие высокое входное сопротивление. Кроме того, при таком большом сопротивлении преобразователя должны быть очень высокими требования к изоляции измерительной цепи и измерителя. Если сопротивление преобразователя сравнимо с сопротивлением изоляции цепи измерителя, то токи утечки будут сравнимы с током в преобразователе. Поэтому емкостные преобразователи часто применяют в цепях повышенной частоты, что сильно увеличивает его мощность и уменьшает сопротивление.

Во избежание наводок все подводящие провода необходимо тщательно экранировать, а точки заземления экранов выбрать так, чтобы в цепи не было элементов, шунтирующих рабочие емкости.

Напряжение питания преобразователя должно быть ограничено из-за опасности пробоя воздушного промежутка. Обычно допускаемое напряжение составляет 700 В/мм. Напряжение можно увеличить, если поместить между обкладками конденсатора тонкую слюдяную пластинку, так как слюда имеет пробивное напряжение около 103 кВ/мм. Наличие такой пластинки способствует получению более линейной зависимости выходного напряжения от усилия или изменения зазора U = f(Ab).

Погрешности емкостных преобразователей. При использовании емкостных преобразователей нужно помнить о том, что между подвижной и неподвижной пластинами действует сила электростатического притяжения

1 U2
F3=~eS,

2 52

которая может внести погрешность в измерения. Если входное сопротивление цепи, включенной в диагональ моста, бесконечно велико и рабочие емкости ничем не шунтируются, то погрешность можно избежать, применяя дифференциальный преобразователь (см. рис. 7.14), в котором силы, действующие между парами пластин, направлены встречно и полностью компенсируют друг друга. Уменьшение или увеличение зазора вызывает пропорциональное уменьшение или увеличение напряжения между соответствующими пластинами, а сила, действующая между ними, остается неизменной, т.е. разность сил равна нулю, независимо от перемещения.

При колебаниях температуры окружающего воздуха будут изменяться геометрические размеры преобразователя, что может привести к большой погрешности измерения. Особенно это имеет место, если детали преобразователя выполнены из разных металлов, имеющих различные температурные коэффициенты расширения.

Температурную погрешность можно значительно уменьшить правильным выбором геометрических размеров деталей преобразователя, а также их температурных коэффициентов расширения.

Изменение влажности воздуха следует учитывать при измерениях емкостными преобразователями. Если, например, градуировка прибора производилась в сухом помещении, а измерения будут проводиться при влажном воздухе, то может возникнуть систематическая погрешность из-за изменения диэлектрической проницаемости воздушного промежутка преобразователя.

7.3. ТЕПЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Тепловой преобразователь представляет собой проводник или полупроводник с током, с большим температурным коэффициентом, находящийся в теплообмене с окружающей средой. Имеется несколько путей теплообмена: конвекцией; теплопроводностью среды; теплопроводностью самого проводника; излучением.

Интенсивность теплообмена проводника с окружающей средой зависит от следующих факторов: скорости газовой или жидкой среды; физических свойств среды (плотности, теплопроводности, вязкости); температуры среды; 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).

Материал преобразователей. Тепловым преобразователем может служить проводник с высоким и стабильным температурным коэффициентом электрического сопротивления. Этим требованиям удовлетворяют в основном проводники из химически чистых металлов, так как большинство из них обладает положительным температурным коэффициентом, колеблющимся (в интервале О... 100 °С) от 0, 35 до 0, 68 % на 1 'С.

В качестве преобразователей наиболее распространены платина, медь и никель. Вопрос о выборе материала для того или иного преобразователя решается в основном химической инертностью металла в измеряемой среде и пределом изменения температуры. Так, медный преобразователь можно применять при температуре в пределах -50...+180°С в атмосфере, свободной от влажности и газов. При более высоких температурах медь окисляется. Изоляцией для меди могут служить эмаль, винифлекс, шелк. Недостатком меди является ее малое удельное сопротивление.

Никель при условии хорошей изоляции от воздействия среды можно применять до 250... 300 " С, а при более высоких температурах зависимость R=f(t) для него неоднозначна. Линейная зависимость R = f{t) у никеля выполняется только для температур не свыше 100 °С. Недостатком никелевых преобразователей является различный для каждой марки никеля температурный коэффициент (0, 51...0, 58 % на 1 °С). Поэтому последовательно с никелевой проволокой обычно включают манганиновое сопротивление, снижающее температурный коэффициент до расчетного и стабилизирующее его. Достоинством никеля является большое удельное сопротивление (р= 0, 075...0, 085 Ом-мм2/м).

Наилучшими свойствами обладает платина, так как она, во-первых, химически инертна, а во-вторых, может быть использована в диапазоне температур -200... +650 °С. Однако платину нельзя применять в восстановительной среде (углерод, пары кремния, калия, натрия и т.д.).

В настоящее время все чаще применяют полупроводниковые терморезисторы (термисторы), которые изготовляют из смеси оксидов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. В процессе изготовления преобразователь подвергают обжигу при высокой температуре. При обжиге оксиды спекаются в плотную массу в виде шарика, столбика или шайбы, на нее напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для защиты от внешних воздействий чувствительный элемент тер-мистора покрывают защитной краской, помещают в герметический металлический корпус или запаивают в стекло.

С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается. Зависимость сопротивления от температуры выражается формулой

R, = Аев'т, (7.3)

где А — постоянная, зависящая от материала, его размеров и формы; В — постоянная, зависящая от физических свойств полупро-

водника; Т— температура преобразо- ДЛ/Л, вателя в градусах абсолютной шкалы.

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

120 '. °с

0 40

Рис. 7.18. Функции преобразования терморезистора: / — типа ММТ; 2 — медного

Достоинства: очень высокой (отрицательный) температурный коэффициент сопротивления (2, 5...4% на 1 °С), чувствительность в 6... 10 раз выше чувствительности металлического терморезистора, малая теплоемкость и инерционность.

Недостатки: нелинейная зависимость их сопротивления от температуры (рис. 7.18), большой разброс и нестабильность 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 °С).

Используя преобразователи, нужно стремиться к тому, чтобы все факторы как можно меньше влияли на изменение сопротивления преобразователя. Следовательно, требования к преобразователю, его погрешности и свойства будут определяться в зависимости от их использования. Рассмотрим принцип использования тепловых преобразователей для измерения различных неэлектрических величин.

Термоанемометры. Если нагреваемый током тепловой преобразователь погружен в жидкую или газовую среду, то его температура определяется режимом теплового равновесия между количеством теплоты, подводимой к проволоке и отдаваемой в окружающую среду. Если среда движется, т.е. представляет собой поток жидкости или газа, то отдача теплоты путем конвекции превышает все другие охлаждающие факторы и зависит от скорости потока.

Приборы, измеряющие скорость газового потока, называются термоанемометрами (рис. 7.19).

Рис. 7.19. Устройство термоанемометра: / — платиновая проволочка; 2 — манганиновые стерженьки; 3 — ручка; 4 — выводы

Термочувствительным элементом такого прибора служит платиновая проволочка 7, 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 прибора основана на изменении сопротивления проволоки / в зависимости от скорости газового потока.

Потеря проволокой теплоты путем конвекции выражается формулой

-oUo

I2R = EF(tnp-tcp),

Рис. 7.20. Схема включения преобразователя термоанемометра в мостовую цепь

где е — коэффициент теплоотдачи; F — поверхность проволоки в среде; tnp и tcp — соответственно температура проволоки и среды. Здесь величина е зависит не только от скорости движения среды, но и от вязкости, теплоемкости и теплопроводности среды, поэтому ее рассчитывают с помощью теории подобия. Преобразователь термоанемометра включается обычно в мостовую цепь (рис. 7.20).

Измерение можно производить, поддерживая постоянным либо силу тока /в неразветвленной части моста, либо напряжение питания моста (при работе в неравновесном режиме), или непрерывно поддерживая соответствующее равновесию моста значение сопротивления преобразователя Rnp термоанемометра путем изменения силы тока / (тогда мост будет находиться в режиме равновесия для каждого значения скорости v). Градуировочная кривая R = f(v) при /= const показана на рис. 7.21. Как видно из рисунка, шкала прибора получается нелинейной.

Иногда для получения более линейной шкалы измеряют не силу тока I, а падение напряжения на платиновой проволоке R. Так как значение R вследствие нагревания проволоки током увеличивается при возрастании I, то зависимость IR = f(v) оказывается более линейной, чем зависимость I=f(v), но при этом увеличивается инерционность.

Температуру проволоки термоанемометра можно также измерить с помощью термопары ТП (рис. 7.22).

Рис. 7.21. Градуировочная кривая шкалы прибора термоанемометра

Рис. 7.22. Схема измерения температуры нагревателя

Рабочий спай термопары приварен к середине нагреваемой проволоки Rj и милливольтметр mV измеряет развиваемую термопарой термоЭДС, зависящую от температуры сопротивления RT, a, следовательно, от скорости потока v, т.е.

E = f{t)=Mv).

Для того чтобы обеспечить достаточную чувствительность прибора, необходимо нагревать проволоку термоанемометра до температуры 600... 800 °С. Особенно это важно для термоанемометров с термопарой, так как термоЭДС растет с увеличением температуры рабочего спая. Так как не все материалы можно нагревать до такой температуры, то чаще всего в качестве термопреобразователя термоанемометра используют платину.

Погрешности термоанемометра. Погрешностью от потерь, обусловленных теплопроводностью самого проводника, можно пренебречь, если взять отношение его длины к диаметру l/d > 500 (обычно берется проволока длиной 5...20 мм и диаметром 0, 02...0, 06 мм). Потерями на излучение можно также пренебречь, если термопреобразователь работает в открытом газовом потоке или если температура проволоки отличается от температуры окружающей среды или стенок камеры не больше, чем на 100 " С.

Если потерями на теплопроводность и лучеиспускание пренебречь нельзя, их можно учесть градуировкой при условии, что эти потери сохраняют свое значение во время работы.

Как известно, коэффициент теплоотдачи е зависит не только от скорости, но и от теплопроводности среды. Следовательно, если в процессе эксплуатации прибора состав и теплопроводность исследуемого газового потока будут меняться, то будут меняться коэффициент е 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. Отклонение от этого положения более чем на 10°С вызывает значительное изменение показаний.

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

Ахм12= щ, (/-4)

где A.CMi2, Ясм1, Асм2 — соответственно теплопроводности смеси и компонент; awb — процентное содержание компонентов смеси. Если необходимо определить процентное содержание газа, имеющего теплопроводность Ясм1, в смеси с другим газом, имеющим теплопроводность Ясм2, то формулу (7.4) можно записать иначе: