Термоанемометры

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. 4.16 представлено принци­пиальное устройство термоанемометра.

Рис.4.16. Устройство термоанемометра.

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.

Измерительные цепи термоанемометров

Преобразователь термоанемометра включается обычно в мостовую цепь (рис. 4.17).

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. 4.18. 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 термоанемометров 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.

В качестве примера термоанемометра можно привести электронный термоанемометр 8901, представленный на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Электронный термоанемометр 8901

Портативные термоанемометры (рис. 4.20) предназначены для измерения температуры окружающей среды, скорости потока воздуха и объема воздушного потока. В зависимости от эксплуатационных требований приборы различаются по дизайну и набору функциональных возможностей, например: с выносной и встроенной крыльчаткой, в портативном складном корпусе, с RS232 интерфейсом и др. Приборы оснащены различными измерительными функциями: запись максимального и минимального значения, измерение объема воздушного потока заданной площади, индикация разряда батарей, выбор единицы измерения, определение коэффициента охлаждения воздуха и др.

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.