Особенности выбора датчиков давления

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ

БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА»

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

С А М А Р А 2012

Министерство образования и науки

Российской Федерации

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ

БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА»

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

 

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

 

 

С А М А Р А

Издательство СГАУ

2012 г

УДК ХХХ.ХХХ, ХХХ.ХХХ

 

Составители: к.т.н. В.Ю.Абрашкин.

 

Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. И.О. Фамилия,

 

 

Физические основы теплотехнических измерений/ сост.: [и др.] – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2012. – ХХ с.: ХХ ил.

 

 

Рассмотрены физические основы измерений основных параметров рабочих процессов в ДВС и камерах сгорания ГТД, методика обработки результатов измерений и определение их погрешностей, требования к первичным преобразователям и измерительным приборам. Рассмотрены вопросы определения экологически характеристик ДВС

Указания предназначены студентам, при изучении курса по физическим основам теплотехнических измерений в ДВС.

 

 

Методические указания разработаны на кафедре «Теплотехника и тепловые двигатели» совместно с Научно образовательным центром газодинамических исследований СГАУ.

 

 

© Самарский государственный

аэрокосмический университет, 2012

 

Лабораторная работа №1………………………………………………………………….

Лабораторная работа №2………………………………………………………………….

Лабораторная работа №3………………………………………………………………….

Лабораторная работа №4…………………………………………………………………

Лабораторная работа №5………………………………………………………………….

 

 

Лабораторная работа №1

Методы и средства измерения параметров потока жидкости и газа.

Цель работы 1. Изучение методов расчёта основных параметров газового потока.

2. Изучение конструкции и принципа действия приборов для измерения давления, температуры, расхода жидкости и газа, полей скоростей газовоздушного потока, состава продуктов сгорания и оксидов азота.

Основные теоретические положения

1 Расчётные формулы

В инженерных расчётах параметров потоков жидкостей или газа в тепловых двигателях, как правило, определяют статические (Р и Т) и заторможенные (Р* и Т*) параметры, плотности газа или жид­кости , объёмный (Q) и массовый (G) расходы, а также скорость потока С. С этой целью используют сравнительно небольшое количество газодинамических и термодинамических соотношений. Основные из них следующие:

1. Уравнение состояния газа – , из которого обычно определяют плотность .

2. Уравнение Бернулли . На его основе вычисляют скорость в потоке

3. Для определение скорости истечения сжимаемой жидкости из замкнутого объёма с параметрами газа Р* и Т* применяется формула

4. Уравнение неразрывности чаще используют в виде

5. Применение газодинамических функций позволяет рассчитывать расход газа по параметрам заторможенного потока

6. Поскольку статическая температура не поддаётся непосредственному измерению, её обычно определяют по алгоритму

таблицы ГДФ

7. Зная температуру Т и используя ГДФ, вычисляют величину скорости потока

Видно, что для использования этих формул при обработке экспериментальных результатов необходимы прямые измерения достаточно узкого круга параметров:

 

 

Любое измерение представляет собой процесс, структуру которого можно представить в виде следующей схемы:

 

Рисунок 1. Структурная схема измерения параметра Х

 

 

2 ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

 

В потоке различают давление торможения и статическое давле­ние, зная которые, можно найти основные параметры движущего­ся газа. Давление торможения - это давление изоэнтропно за­торможенного потока. Статическое давление - это давление среды, действующее на тело, движущееся с потоком, или на непод­вижную стенку, расположенную параллельно скорости потока . Связь давления торможения и статического давления для несжимаемой жидкости определяется уравнением Бернулли:

где - плотность жидкости (газа).

Для замера давления в потоке нужно иметь специальные при­емники. Они должны:

не слишком возмущать поток, а значит, помимо прочего, иметь сравнительно небольшие габариты;

быть не слишком чувствительными к изменению направления
потока;

обладать достаточной механической прочностью, а иногда и жаропрочностью.

Рисунок 2. Приёмник статического давления

 

2.1 ИЗМЕРЕНИЕ СТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

 

Измерение статического давления на поверхности тел и стенках каналов осуществляется с помощью дренажирования (рис. 1). К форме и расположению дренажных отверстий предъявляютсяопределенные требования: ось отверстия должна бытьперпендикулярна поверхности; диаметр в пределах 0,5—1,5 мм(отверстия меньшего диаметра быстро засоряются,большего — дают значительную ошибку измерения), отношение толщины стенки к диаметру отверстия не должно быть меньше трех; кромки отверстия не должны иметь заусенцев, скруглений и фасок,иначе возможны заметные погрешности измерения (рис 2).
В окрестностях дренажа стенка или поверхность должныбытьсовершенно гладкими – без выступов, впадин и рисок. Дляизмерения полного и статического давления в потоке, применяются Г-образные и дисковые насадки различных конструкций. Применение Г-образных насадок основано на том, что на поверхности осесимметричного тела вращения с обтекаемой головной частью на расстоянии более 3d от носка давление практически равно статическому (см. рис. 6.31). На этом расстоянии осуществляют отбор давления. Эти насадки достаточно точно измеряют статическое давление в широком диапазоне изменения дозвуковой скорости . Простейшим и широко используемым приёмником давления торможения является Г-образная трубка. Она часто комбинируется с приёмником статического давления. Схема такого насадка приведена на рисунке 4. Кривые в нижней части рисунка показывают распределение давления по поверхности цилиндрической части насадка: левая кривая – с нижней стороны, где отсутствует державка, правая – с верхней стороны. Размеры комбинированных насадок нормализованы.

 

 

Рисунок 3. Комбинированный насадок с полусферической головкой для измерения динамического напора

Первичные преобразователи

Существующие средства измерения давления основаны, главным образом, на уравновешивании усилия, возникающего от действия давления, массой жидкости или различными упругими элементами (мембранами, сильфонами, пружинами).

Устройства, предназначенные для измерения избыточных положительных давлений, называются манометрами, отрицатель­ных — вакууметрами, абсолютного атмосферного давле­ния — барометрами.

При испытаниях ДВС широко применяются как электрические, так и неэлектрические средства измерения давления. Из послед­них наиболее распространены жидкостные, пружинные и порш­невые манометры.

Жидкостные манометры представляют собой обычные U-образные трубки (рис.2.1,а), заполненные жидкостью (вода, ртуть,спирт, масло и т.п.).

 

Рисунок 4. Жидкостные манометры: а – U-образный; б-чашечный; в-микроманометр

 

Перепад между измеряемым и атмо­сферным или эталонным давлениями уравновешивается стол­бом жидкости h:

где - плотность жидкости. Основное достоинство таких мано­метров — малая погрешность . Недостатком является необходимость визуального определения двух уровней жидкости, невозможность динамических измерений, трудность автоматиза­ции, что, впрочем, свойственно большинству неэлектрических ме­тодов измерения.

Иногда вместо U-образных трубок применяются чашечные, часто многоточечные манометры (рис. 2,1,6), здесь высота h опре­деляется только одним визуальным отсчетом. При изме­нением уровня жидкости в резервуаре можно пренебречь. Для это дает погрешность менее 0,1%. При необходимости измерения малых перепадов давлений используют микроманометр (рис. 2.1,в), где

В этом случае снижается погрешность из-за неточного отсчета шкалы, так как цена деления манометра уменьшается:

Следовательно, при одинаковом перепаде давлений отсчет по шка­ле микроманометра больше, чем у обычного манометра, в раз.

Пружинные манометры. Чувствительный элемент этого мано­метра (рис. 2.2) — трубка Бурдона 1 — имеет овальное сечение. Под действием измеряемого давления она стремится рас­прямиться, приняв в попереч­ном сечении круглую форму, при этом внутренние слои сжи­маются, а наружные растяги­ваются. Возникающее усилие, разгибающее трубку, переда­ется через тягу 4и зубчатый сектор 5 к зубчатому колесу 3 и стрелке 2. Для устранения зазоров в зацеплении 3—4ось стрелки закручивается слабой спиральной пружиной (на рисунке не указана). Ана­логичную систему передачи от упругого элемента к стрелке имеют и другие типы пружинных манометров (мем­бранные, сильфонные и т. д).

 

 

Рисунок 5. Манометр с трубчатой пружиной

В зависимости отвеличины погрешности пружинные маномет­ры выпускаются следующих классов точности: рабочие — 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4; образцовые — 0,25; 0,4.

При необходимости дистанционного снятия показаний исполь­зуются электрические средства измерения давления. Они значи­тельно проще позволяют автоматизировать эксперимент. В элект­рических манометрах изменение давления вызывает механическое перемещение чувствительного элемента, которое преобразуется в изменение сопротивления, индуктивности, емкости, частотыи т. д. Соответственно различают потенциометрические и тензометрические, индуктивные, емкостные, частотные датчики давления.

В потенциометрических датчиках (рис. 2.4,а) перепад измеряе­мого и атмосферного давлений приводит к изменению формы мем­бранной коробки М (сильфона, трубки Бурдона и т. п.), которое через тягу Т передается на рычаг, заставляя перемещаться под­вижный контакт К по виткам реостата Р. Разработано несколько вариантов таких датчиков, в том числе и дифференциальных (сравнивающих два давления). Потенциометрические датчикиимеют простую схему, удобны вэксплуатации, дают высокий уро­вень выходного сигнала, обладают стабильной статической харак­теристикой. Недостатком таких датчиков является их чувствитель­ность к вибрациям, а также небольшая собственная частота, что позволяет их использовать для измерения лишь медленно меняю­щихся давлений (с частотой порядка нескольких герц).

 

Рисунок 6. Электрические датчики давления (ДД)

 

Этих недостатков лишены тензодатчики, принцип дейст­вия которых основан на изменении сопротивления проводника при изменении его длины. Зигзагообразно уложенная проволока 2(рис. 2.46)наклеивается на какой-либо чувствительный элемент 1, изменяющий свои размеры под действием давления, например, на мембрану.Отповерхности чувствительного элемента 1проволока2тензодатчика отделяется слоем электроизоляционного материала 3. Аналогичной изолирующей прослойкой проволока 2закрыта и сверху.

Качество работы тензодатчика в значительной степени опреде­ляется надежностью приклеивания проволоки к чувствительному элементу, так как их деформации должны совпадать. При измене­нии давления меняются размеры мембраны, а значит и длина про­волоки , что приводит к изменению ее сопротивления R. Тензодатчик обычно включается в мост Уитстона и его сопротивление сравнивается с эталонным.

Важной характеристикой тензодатчиков является тензочувствительность:

Проволока тензодатчика выполняется обычно из материалов, удельное сопротивление которых мало зависит от температуры (константан, нихром). Тензочувствительность этих материалов невелика (2—3,5), значительно выше она у разрабатываемых в последнее время полупроводников (к = 120—150).

Для повышения чувствительности тензодатчика стараются уве­личить длину проволоки, располагая ее на небольшой площади, что и приводит к конфигурации, изображенной на рис.

2.4,6. Та­кой датчик весьма чувствителен к изменению размеров в направ­лении и практически нечувствителен в направлении х. Этим поль­зуются для компенсации изменения сопротивления проволоки от температуры, располагая перпендикулярно измерительному компенсационный датчик. На сопротивление последнего воздейст­вует только температура. Стараются, чтобы она была как можно ближе к температуре измерительного датчика. Тогда, вычитая из его показаний показания компенсационного датчика, можно зна­чительно снизить температурную погрешность.

Тензодатчики имеют погрешность порядка , стабильную статическую характеристику и достаточно высокую собственную частоту . Недостатком является их чувствительность к тепловым ударам, а также низкий уровень выходного сигнала и, как следствие, необходимость в довольно сложной и громоздкой вторичной аппаратуре. Последнее, впрочем, характерно практиче­ски для всех высокочастотных датчиков давления.

Тензорезисторные преобразователи давления. Тензорезисторные чувствительные элементы представляют собой металлическую и(или) диэлектрическую измерительную мембрану, на которой размещаются тензорезисторы (чаще всего в виде уравновешенного измерительного моста) с контактными площадками для подключения к внутренней или внешней электроизмерительной схеме. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления приводит к локальным деформациям тензорезисторного моста и его разбалансу, который измеряется электронным блоком (рис. 1.7). Поскольку чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в десятки раз выше, чем у металлических, и, кроме того, интегральная технология позволяет в одном кристалле кремния формировать од новременно как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обработки, то в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полупроводниковые тензорезисторные чувствительные элементы. Особенно широкое применение в изготовлении тензорезисторных преобразователей в силу своих высоких механических, изолирующих и теплоустойчивых качеств получила технология «кремний на сапфире».

Рис. 1.7.Тензорезисторный преобразователь давления: 1 – мембрана; 2 – измерительная схема; 3 – тензометрический мост; 4 – источник питания

В индуктивном датчике (рис. 2.4,в) прогиб мембраны М изменяет магнитное сопротивление якоря рабочей катушки Р, а, следовательно и ее магнитное сопротивление. Вторая катушкаКкомпенсирует влияние температуры. Эти катушки представляют два плеча измерительного моста, остальные два плеча находятся во вторичной аппаратуре типа ИД-2И. Индуктивные датчики (например ДД-10) весьма чувствительны. Они позволяют уловить прогиб мембраны 0,1...0,5 мм, следствием чего является высокая собственная частота датчика — порядка 5000 Гц. Эти датчики мо­гут использоваться в агрессивных средах.

Датчики типа ДД-10 обеспечивают измерения давлений в диапазонах от до . При собственной частоте мембраны 20 кГц и частоте питания 10 кГц регистрируются без искажений колебания давления с частотой до 300 Гц; завал амплитудно-частотной характеристики на частоте 1000 Гц составляет не более 10—15%. Нелинейность статической характеристики в рабочем диапа­зоне датчика равна при гистерезисе около 2%. Для компен­сации температурной погрешности в датчике имеется вторая, идентич­ная рабочей катушка с подстроечной муфтой. Обе катушки включа­ются в мостовую схему так, что обеспечивается полная температур­ная компенсация при изменении температуры в пределах

 

.

Рисунок Индуктивнй датчик давления

Рисунок Индуктивный датчик давления ДД-10 Рисунок Ёмкостной ДД дтипа ЕМД

1-мембрана; 2-рабочая катушка; 3-компенсационная 1-мембрана; 2и 3-кварцевые изоляторы

катушка; 4- компенсационная муфта; 5-разъём 4- высокочастотный трансформатор;

5-неподвижный электрод; 6-охлаждающая

жидкость; 7- разделительная мембрана

Еще более высокочастотными являются емко­стные датчики (рис.2.4,г). Их действие основано на изме­нении емкости, вызываемом изменением расстояния между мем­браной 1 и неподвижнойпластиной 2, разделенных изолятором 3. Эта система представляет собой конденсатор с расстоянием между обкладками 0,1... 0,2 мм, что позволяет надежно замерять измене­ние зазора в 0,01... 0,02 мм (изменение емкости соответственно — 10%). Сигнал регистрируется включением емкости датчика в колебательный контур с замером частоты колебаний последнего. На показания емкостного датчика существенное влияние оказыва­ет емкость соединительных про­водов, что значительно услож­няет измерение и снижает его точность. Обычно емкостные датчики используются для из­мерений пульсаций давления, например, в камере сгорания.

На рис. 90 приведена конструктивная схема емкостного датчика давле­ния типа ЕМД. Здесь давление воспринимается разделительной мембраной и через центральный соединительный шток передается к рабочей мембране, выточенной заодно с корпусом. Рабочая мем­брана является подвижным электродом емкостного преобразователя малых перемещений. Емкость плоского конденсатора с воздушным зазором равна:

где — диэлектрическая проницаемость, S — площадь электро­дов. При изменении воздушного зазора на малую величину изменение емкости равно:

Если изменение зазора (прогиб мембраны) значительно меньше , то

т.е. малые изменения емкости пропорциональны прогибу мембраны. Датчики типа ЕМД предназначены для измерения малых давлений горячих газов, поэтому через корпус датчика и полость между мембранами циркулирует охлаждающая жидкость (вода). Частота собственных колебаний чувствительного элемента ЕМД около 15 кГц. Аналогичным образом строятся схемы пьезоэлектри­ческих датчиков быстро меняющихся давлений.

 

Рисунок Принцип действия индуктивного ДД Рисунок Пьезоэлектрический ДД

Под действием давления, переданного через мембрану, пьезокристалл поляризуется. Заряд, возникающий в кристалле, распределяется по емкости С, параллельной датчику, после чего происходит
утечка заряда с постоянной времени , где R — эффективное сопротивление цепи, обычно близкое к входному сопротивлению усилителя. Так как величины R и C определяются некоторыми независимыми условиями, то пьезоэлектрические датчики не могут
обеспечить измерений установившегося или медленно меняющегося давления, а могут применяться только для измерений в кратковременных переходных режимах, длительность которых намного
меньше . Поэтому в большинстве случаев при использовании пьезодатчиков давления необходима регистрация на катодно-лучевом
осциллографе. Главным недостатком подобных датчиков является
малая стойкость по отношению к ударнымвоздействиям и перегрузкам по давлению.

 

Рисунок Принципиальная схема вибрационно-частотного преобразователя 1-звуковой генератор; 2-струна; 3-корпус датчика; 4-частотомер

В последнее время широкое применение находят вибрационно-частотные датчики (рис. 2.5). Принцип действия этого датчика основан на изменении частоты собственных колебаний струны или тонкой ленты при различном ее натяжении. Натяжение стру­ны меняется под действием силы P, а следовательно, изменяется и частота собственных колебаний струны. Над струной помещен звуковой генератор. Рядом с ге­нератором установлен датчик частотомера, при помощи ко­торого измеряется частота коле­баний струны. Вибрационно-частотные дат­чики характеризуются высокой чувствительностью и точностью. Оптические Оптические датчики давления могут быть построены на двух принципах измерения: волоконно-оптическом и оптоэлектронном.

Волоконно-оптические Волоконно-оптические датчики давления являются наиболее точными и их работа практически не зависит от колебания температуры. Чувствительным элементом является оптический волновод. Об измеряемой величине давления в таких приборах обычно судят по изменению амплитуды и поляризации проходящего через чувствительный элемент света.

Оптоэлектронные

Датчики этого типа состоят из многослойных прозрачных структур. Через эту структуру пропускают свет. Один из прозрачных слоев может изменять свои параметры в зависимости от давления среды. Есть 2 параметра, которые могут изменяться: первый это показатель преломления, второй это толщина слоя. На иллюстрации показаны оба метода, изменение показателя преломления — рисунок а, изменение толщины слоя — рисунок б. Понятно, что при изменении этих параметров будут меняться характеристики проходящего через слои света, это изменение будет регистрироваться фотоэлементом. К достоинствам датчиков этого типа можно отнести очень высокую точность.

 

Рисунок оптоэлектронные ДД

Особенности выбора датчиков давления

При выборе датчиков давления необходимо обращать внимание на следующие параметры:

1. Вид давления. Очень важно понимать какой вид давления необходимо измерять. Существует 5 типов: абсолютное, дифференциальное (относительное), вакуум, избыточное, барометрическое.
2. Диапазон измеряемого давления.
3. Степенью защиты прибора. В разных отраслях использования датчиков будут разные условия эксплуатации, для которых необходимы разные степени защиты от проникновения воды и пыли.
4. Наличие термокомпенсации. Температурные эффекты, такие как расширение материалов, могут наложить достаточно сильные помехи на выходные показания датчика. Если у вас происходят постоянное изменение температуры измеряемой среды, то термокомпенсациянеобходима.
5. Материал. Материал может оказать решающую роль при использовании датчика в агрессивных средах, в таком случае необходим выбор материала с высокой коррозийной стойкостью.

6. Вид выходного сигнала. Важно определиться какой вид нужен вам. Аналоговый или цифровой? Если аналоговый, то какие диапазоны выходных сигналов и сколько проводов? Например, диапазоны могут быть 4...20 мА

 

3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

3.1. Первичные преобразователи

Источник первых сведений о температуре — ощущение тепла или холода,—поэтому иногда температуру определяют как меру нагретости тела. Точное определение температуры дается в молекулярно-кинетической теории как меры средней кинетической энергии молекул.

Можно показать, что если средние кинетические энергии всех молекул газа одинаковы, то наступает состояние теплового рав­новесия. Это состояние занимает особое место в термометрии и носит название нулевого начала термодинамики. Оно гласит: «Ес­ли система энергоизолирована, то при любых условиях внутри си­стемы все находящиеся в ней тела стремятся к температурному равновесию». Помещая термометр в такую систему, мы должны дождаться наступления состояния температурного равновесия (на практике близкого к нему) и только тогда провести измерение температуры. При этом нужно помнить, что термометр показывает всегда свою температуру. Она, в зависимости от условий опыта, более или менее близка к температуре тела, находящегося с ним в тепловом равновесии, что и позволяет проводить измерение.

В современной термометрии полностью сохранена гениальная идея Галилея — судить об изменении температуры по изменениюдругих параметров. Термометры по применяемому веществу и тер­мометрическому параметру делятся на следующие классы:

жидкостные, основанные на изменении объема жидкости с из­менением температуры;

манометрические, использующие изменение давления рабочего тела; термометры сопротивления, основанные на изменении омиче­ского сопротивления; термоэлектрические термометры (термопары) — генерирую­щие э. д. с. за счет разности температур между «холодным> и «го­рячим» спаями;оптические термометры, использующие зависимость от темпе­ратуры, цвета или яркости вещества. Измерение температуры жидкостными термометрами не тре­бует никакой вспомогательной аппаратуры и источников энергии, поэтому и до настоящего времени эти термометры используются достаточно широко.

Жидкостный термометр (рис. 2.8) состоит из сосуда 1, пере­ходящего в капиллярную трубку 2, изготавливаемых обычно из одинакового стекла с малым коэффициентом темпера­турного расширения. Шкала термометра наносится либо на капиллярную трубку 2 (палочные, более точ­ные термометры), либо на специальную пластину, расположенную за трубкой.

Чувствительность термометра определяется выражением:

Рисунок Жидкостный термометр

где — коэффициент видимого расширения, пред­ставляющий собой разность коэффициентов расширения термометрической жидкости и стекла ; — объем сосуда 1; — площадь трубки 2, — изменение длины столба жидкости и тем­пературы соответственно. Для термометров очень высокой чувствительности изготавливают капилляры диаметром порядка 0,01 мм, а объем сосуда увеличивают до . На боль­шие объемы не идут из-за значительной инерционности термомет­ров и возможной неравномерности температуры. Существуют жид­костные термометры с ценой деления 0,01 град/мм и менее, диапа­зон измеряемых температур — 200—1200°С.

Иногда для еще большего повышения чувствительности вместо жидкости используется газ, у которого коэффициент расширения существенно больше. Однако из-за большой инерционности, труд­ностей автоматизации испытаний и дистанционности снятия пока­заний, невозможности измерить температуру точки объема неэлектрические методы используются в основном для градуи­ровки и весьма точных стационарных измерений температуры. В большинстве случаев при испытаниях ДЛА применяются элект­рические термометры.

 

В электрических термометрах сопротивления используется свой­ство проводников или полупроводников изменять свое электриче­ское сопротивление при изменении температуры. Для большинства металлов удельное сопротивление является линейной функцией температуры:

поэтому их статическая характеристика близка к линейной. Чувст­вительность термосопротивлений весьма высока, при нагреве на 100 К увеличение сопротивления металла достигает 40%, у по­лупроводников еще больше.

В практике наиболее часто встречаются платиновые (особо точные) и медные термометры сопротивления. Существует мно­жество конструкций термометров сопротивления, одна из которых приведена на рис. 2.9.Тонкая проволока 2 диаметром 0,05...0,2мм намотана в канавках каркаса 3 свободно, чтобы при изменении температуры не возникло напря­жений. Иногда, если термометры сопротивления должны работать в агрессивной среде, они по­мещаются в защитный корпус 1, на котором крепится головка 4. Однако газовый зазор меж­ду корпусом 1 и проволокой 2 вызывает значительную инерционность термометров сопротив­ления, поэтому в механически и химически инертных средах предпочитают работать без защитного корпуса. Регистрация изменения сопро­тивления при изменении температуры обычно проводится по мостовой схеме компенсационным методом. Рисунок Термометр сопротивления

Термометры сопротивления позволяют ди­станционно снимать показания, обладают высо­кой точностью, но обладают большой инерцион­ностью и не дают возможности определения температуры среды в точке.

При исследованиях ДЛА наиболее широко распространены термопары. Действие термопар основано на эффекте Зеебека: во всяком проводнике при наличии разности температур возникает разность электрических потенциалов (термоэлектродвижущая си­ла — т.э.д.с). На практике всегда имеют дело с двумя проводниками из разнородных материалов (рис. 2.10). Если в материале А существует избыток электронов по сравнению с материалом В, то в спаях 1 и 2электроны начнут перехо­дить в проводник В. И в том, и в другом спаях возникает т.э.д.с, пропорциональная температуре:

При разных температурах спаев в цепи воз­никает ток или т.э.д.с, если цель разорвать:

где - т.э.д.с. термопары при направлении тока от А к В;

- т.э.д.с. в спае 1 при направлении тока от А к В;

- т.э.д.с. в спае 2при направлении тока от В к А.

Очевидно, если , то и . Подставляя это соотношение в (2.1), получим однозначную зависимость т.э.д.с. цепи от температуры:

используемую для измерения температуры термопарой.

Термопара, как видно из (2.2), всегда показывает разность температур. Для привязки показаний к температурной шкале не­обходимо, чтобы «холодный» спай имел стандартную температуру (0°С). Тогда, зная зависимость , полученную предва­рительной градуировкой, можно найти температуру «горячего»— рабочего спая:

где .

Связь определяется, прежде всего, материалами термопарных проводов, из которых наиболее широко используют­ся следующие:

вольфрам-рений (ВР) до 2200°С,

платина-платинородий (ПП) до 1300

хромель-алюмель (ХА) от —200 до 1000°С,

хромель-копель (ХК) от —200 до 600°С.

Хромель, алюмель и копель — это сплавы: хромель — 10% и 90% ; алюмель — 2% , 1% , 2% , 1% и остальное ; копель — 44% + и остальное .

Зависимости , приведенные на рис. 2.11, дают пред­ставление о чувствительности перечисленных выше термопар.

Наи­более стабильными характе­ристиками обладают платино­вые термопары. Они сохраня­ют свои свойства и в агрессив­ных средах. Недостатками платиновых термопар являют­ся низкая т.э.д.с, что требует высокочувствительной изме­рительной аппаратуры, и вы­сокая стоимость материала.

Значительно дешевле тер­мопары из неблагородных ме­таллов. Широко распростране­ны ХА термопары. Они хорошо работают в окислительной среде и имеют практически линейную характеристику. ХК термо­пары уступают ХА по жаростойкости и жаропрочности, но зато имеют существенно большуют.э.д.с.

Регистрация т.э.д.с. термопары осуществляется потенциомет­рами либо методом отклонений, либо нулевым методом.

Включение прибора в термоэлектрическую цепь обычно прово­дится по двум схемам (рис. 2.12,а,б).

 

 

Рисунок Схема включения прибора в термоэлектрическую цепь

 

В схеме а) прибор включается между холодными спаями 2 и 3, спай 1 — горячий. В схеме б) прибор включен в разрыв электро­да В; здесь спай 1 — горячий, спай 2 — холодный, спаи 3и 4—ней­тральные. В схеме б) необходимо поддерживать температуру 0°С у спая 2, а температуры нейтральных спаев должны быть одина­ковы. При выполнении этого условия дополнительные спаи 3и 4 не вносят искажений в показания термопары. Это нетрудно пока­зать, используя зависимости (2.1) и (2.2).

В схеме а) температура холодных спаев должна быть не толь­ко одинаковой, но и равной 0°С. Соблюдение этого условия прак­тически затруднено, поэтому ограничиваются измерением темпе­ратуры холодной области ртутным (или каким-либо другим) тер­мометром и внесением соответствующей поправки. Для этого в общем случае, используя замер температуры холодного спая , по известной стандартизованной связи необходимо найти и прибавить ее к измеренной т.э.д.с. термопары . Получен­ная таким путем величина по той же стандартной градуировке позволяет найти искомую температуру. Графиче­ски внесение поправки на температуру холодного спая проиллюстрировано рис. 2.13.

Видно, что для линейной харак­теристики термопары достаточно прибавить к темпера­туре, соответствующей , тем­пературу холодного спая . Для нелинейной гра­дуировки эта формула приводит к ошибкам.

Так как при исследованиях тепловых двигателей температуру холодного спая (или спаев) трудно поддерживать постоянной, то его часто выносят от двигателя на достаточно большие расстоя­ния. Чтобы при этом не расходовать дорогостоящие термопарные провода для передачи сигнала от рабочего спая к регистрирую­щему прибору, их заменяют более дешевыми компенсационными проводами. Они развивают такую же (или очень близкую) т.э.д.с, что и термопарные провода, и поэтому наличие

Рисунок Поправка показаний термопары

дополнительных спаев не приводит к погрешностям. Например, для платиновых термопар компенсационные провода изготавливаются из сплава ТП (99,4% и 0,6% )в паре с .

Термопары, применяемые при исследованиях тепловых двига­телей, при измерении температур до 700°С конкурируют со всеми видами термометров, уступая по точности лишь термометрам сопротивления и газовым термометрам. При более высоких темпе­ратурах термопары оказываются наиболее надежным средством измерения. Лишь при они уступают оптическим пиро­метрам.

Основные источники погрешности при измерении термопарами:

наличие постороннего тока в цепи;

отток тепла через термоэлектроды;

недостаточная гомогенность термоэлектродов;

изменение химического состава спая при измерении высоких температур и в химически активных средах. При небольших скоростях потока разность неве­лика. При скоростях потока можно считать, что обыч­ная термопара без термоприемника обеспечивает достаточную точ­ность. Даже при измерении температуры воздуха по­грешность за счет скорости потока не превышает 0,4%.

При больших скоростях потока для повышения коэффициента восстановления температуры используются специальные термо­приемники. Для высоких температур они одновременно играют роль экрана, препятствующего лучеиспусканию, искажающему результат. Характерные термоприемники и соответствующие им коэффициенты восстановления приведены на рис. 2.18. Приемник

схемы а) применяется для небольших скоростей потока. Для более высоких скоростей используются схемы б), в), г). Причем, чем меньше в камере торможения скорость газа, тем больше коэффициент восстановления. Подбирая отношения площадей выходного и входного отверстий камеры, можно добиться достаточно высокого коэффициента восстановления . Однако слишком малая величина приводит одновременно с уменьшением скорости к уменьшению коэффициента теплоотдачи, что ухудшает условия теплообмена в теплообменнике (в частности, повышает инерционность). Обычно k выбирают в пределах 0,08…0,25.

 

4 ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА

4.1 Дроссельные расходомеры

Дроссельные расходомеры — диафрагмы, сопла, тру­бы Вентури (рис. 6.58) представляют собой местное суже­ние трубопровода, в которых поток разгоняется, а статическое давление уменьшается. По перепаду давления до дросселя и в месте сужения определяется расход жидкости или газа.

Для несжимаемой жидкости при отсутствии трения уравнения Бернулли и неразрывности при течении через дроссельный расходомер запишутся в следующем виде:

(10), (22) где - коэффициент сужения струи.

Рисунок Дроссельные расходомеры: а-диафрагма; б-сопло; в-труба Вентури; г-схема течения жидкости и распределение давлений в дроссельном расходомере

Обозначив , из совместного решения уравнений (10) и (22) можно получить 234

Давление в дроссельных приборах измеряют до и после при­бора, а не в сечениях 1' и 2'. Кроме того, течение сопровождает­ся потерями полного давления. Это учитывается коэффициентом , т.е. .Подставив в уравнение расхода необходимые величины и обозначив через коэффи­циент a, называемый коэффициентом расхода, выра­жение

получим рабочую формулу

При больших перепадах давления на дроссельном расходо­мере, если измеряется расход газа, вносят поправку на сжимае­мость :

Сопла и диафрагмы различных размеров подробно исследованы, что позволило нормализовать их размеры и использовать, если они выполнены и установлены в соответствии с требованиями, без снятия градуировочной характеристики. Эти требования следующие: диаметр трубопровода должен быть больше
50 мм, отношение диаметров находится в пределах для диафрагм и для сопел, длина прямого участка трубопровода до дроссельного расходомера должна быть не менее и за ним от до .

При тщательном выполнении указанных правил погрешность определения расхода дроссельными приборами может не пре­вышать ± 1 %.

Недостатками дроссельных расходомеров являются их сопротивление, дающее потери полного давления, и невозможность измере­ния переменных расходов.