Сравнение конструкции и схем включения датчиков термоанемометров
Анализ основных преимуществ и недостатков различных конструкций датчиков термоанемометров, а также схем включения датчика в измерительную схему с различными режимами подвода мощности. Исследование и оценка процесса теплообмена нити датчика с воздухом.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.10.2021 |
| Размер файла | 413,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
ТОГУ
Сравнение конструкции и схем включения датчиков термоанемометров
Луценко Д.В.
Ивашкевич А.А.
г. Хабаровск
Аннотация
термоанемометр датчик теплообмен мощность
Рассматриваются преимущества и недостатки различных конструкций датчиков термоанемометров, схем включения датчика в измерительную схему с различными режимами подвода мощности, процесса теплообмена нити датчика с воздухом.
Ключевые слова: скорость воздуха, термоанемометр, датчик, схема нагрева, мощность, напряжение.
Abstract
Constructions' comparison and inclusion circuit of thermoanemometer sensors
D.V. Lutsenko, A.A. Ivashkevich
PNU, Khabarovsk, Russia
The advantages and disadvantages of various thermo anemometers' sensors' designs, schemes for switching on the sensor to the measuring circuit with different modes of power supply, the process of heat exchange of the sensor thread with air are considered.
Keywords: air speed, thermo anemometer, sensor, heating circuit, power, voltage.
Введение
При выполнении магистерской диссертации предстоит производить исследование работы воздухораспределительных устройств, при этом основной задачей является измерение скорости воздуха в струйных течениях в помещении в достаточно широком диапазоне (от 0,05 до 15 м/с). Измерения предполагается в основном производить с помощью термоанемометра, при этом желательно иметь несколько датчиков (каналов измерения) для возможности их поочередного подключения к измерительной схеме, так как использование одного датчика сильно увеличит время на выполнение исследований.
При таком подходе желательно иметь достаточно большое количество датчиков, а для этого они должны быть доступны и иметь низкую стоимость, что абсолютно невозможно при использовании промышленных приборов, особенно зарубежного изготовления. С промышленным прибором обычно поставляются один или два датчика. Поэтому перед нами стоит задача изготовления и калибровки датчиков, а также разработка достаточно простой измерительной схемы, позволяющей переключать несколько каналов измерения.
С этих позиций наиболее универсальным является импульсный сигнал цифрового типа, который легко передать без искажений по линиям связи и измерить с высокой точностью. Выходным параметром может являться частота сигнала. Сам частотомер может быть один, необходимо лишь иметь переключатель на необходимое число положений в соответствии с количеством каналов измерения.
При разработке конструкции термоанемометра и тарировочного стенда следует решить две наиболее важные задачи: определиться с конструкцией датчика и выбрать схему его включения для разработки измерительной части анемометра.
1. Виды датчиков термоанемометров
В качестве датчиков термоанемометров наиболее широко применяют следующие виды: нитяные (проволочные), терморезисторные, полупроводниковые.
Нитяные датчики представляют собой тонкую металлическую проволоку, закрепленную между двумя держателями. Диаметр проволоки очень мал, чтобы получить заметное сопротивление на короткой длине. Сопротивление такого датчика линейно возрастает с температурой нагрева. Линейная характеристика упрощает разработку измерительной схемы.
В качестве терморезисторных датчиков используют маленький терморезистор (обычно бусинкового типа) с отрицательным коэффициентом сопротивления. Зависимость сопротивления от температуры сильно нелинейная. Зато этот тип датчиков обеспечивает очень высокую чувствительность. Недостатком является значительный разброс характеристик датчиков, что усложняет их взаимозаменяемость. Самостоятельное изготовление такого датчика невозможно, поэтому наш выбор был сразу сделан в пользу проволочных датчиков.
Полупроводниковые датчики строятся на основе миниатюрных биполярных транзисторов, коллекторный переход которых используется для нагрева, а эмиттерный переход - для измерения температуры датчика. Особенностью транзистора как нагревателя является то, что можно создать на коллекторном переходе значительный перепад напряжения, что позволяет эффективно использовать мощность источника питания, которое обычно лежит в диапазоне от 5 до 15 Вольт. Кроме того, изменяя этот перепад, можно эффективно управлять мощностью, выделяемой на коллекторном переходе.
Базовый ток перехода эмиттер-база определяется статическим коэффициентом усиления транзистора по току Вст
1б=1к/Вст. (1)
Для большинства транзисторов коэффициент усиления лежит в диапазоне от 50 до 300. Перепад напряжения на переходе эмиттер-база обычно лежит в диапазоне от 0,6 до 0,8 В. Поэтому мощность, выделяемая на эмиттерном переходе, пренебрежимо мала по сравнению с мощностью коллекторного перехода, и поэтому практически не влияет на температуру кристалла.
Так как перепад напряжения на этом переходе линейно зависит от температуры транзистора, то его можно эффективно использовать для измерения температуры датчика в режиме нагрева.
При отключении коллектора ток коллектора становится равным нулю, а ток через переход эмиттер-база остается неизменным и очень малым, поэтому в этом режиме транзистор охлаждается практически до температуры потока. Следовательно, в этом режиме падение напряжения на переходе эмиттер-база можно использовать для ее измерения, чтобы внести коррекцию по температуре воздуха при вычислении скорости потока.
Недостатком такого датчика является повышенная инерционность по сравнению с проволочными датчиками.
Самодельный датчик термоанемометра
На кафедре ИСТБ (бывшей кафедре ТГВ) раньше уже проводились работы по исследованию проволочных датчиков термоанемометров студентами специальности ТГВ в процессе работы над специальным разделом дипломного проекта. Первоначально датчик изготавливался из обычной лампы накаливания, у которой удалялся цоколь. Для уменьшения габаритов использовалась лампа с уменьшенным цоколем типа «Миньон». Центральные держатели нити удалялись, и вольфрамовая нить лампы растягивалась между двумя оставшимися крайними держателями. При измерении скорости воздуха в воздуховоде нить располагалась горизонтально, ось нити - перпендикулярно направлению потока. Конструкция датчика показана на рис. 1. (а). Исследования такого датчика подтвердили его работоспособность и достаточную стабильность выходной характеристики. Основным преимуществами такого варианта являются относительно низкая стоимость, наличие в продаже ламп на различные мощности, и, самое главное, достаточно высокое сопротивление нити накаливания, что позволило получить на нити большие перепады напряжения и применять для измерений обычный мультиметр.
1 - вольфрамовая нить; 2 - проволочные держатели нити; 3 - стеклянное основание; 4 - металлический цоколь с резьбой; 5 - контакт; б - проволочные выводы; 7) защитная рамка из остатков стеклянного баллона
Рис. 1. Варианты конструкции датчиков термоанемометра: а) конструкция датчика из лампы с цоколем «миньон»; б) конструкция безцокольного датчика термоанемометра
Дальнейшие работы в этой области привели к созданию датчиков на основе безцокольной сигнальной лампы малых размеров (диаметр стеклянного баллона 3,2 мм). Это позволило кардинально уменьшить размеры датчика, сохранив прежнюю простоту изготовления и вполне достаточно воспроизводимые характеристики. В этом случае баллон не удалялся целиком, стачивался по бокам на обычном мелкозернистом наждачном бруске. В результате вокруг вольфрамовой нити получалась защитная стеклянная рамка в виде прямоугольника со скругленными углами (рис. 1. (б)). Кроме того, нить лампы имела очень малую массу и была меньше подвержена стряхиванию. Все это значительно повысило надежность такого датчика.
В процессе работы датчики исследовались в режиме постоянного тока, так как этот режим обеспечивает высокую чувствительность при малых скоростях и зависимость имеет практически линейный характер. Датчики исследовались так же и при больших скоростях. При этом выходная характеристика термоанемометра имела сильно нелинейный характер (рис. 2, 3).
Рис. 2. Выходная характеристика термоанемометра в диапазоне малых скоростей
|
00 |
|||
|
/% |
|||
|
о, с |
00 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 З.С |
||
Рис. 3. Выходная характеристика термоанемометра в диапазоне больших скоростей
Учитывая положительные общие результаты работы, было принято решение использовать для изготовления датчиков ту же технологию. Отличие заключается в том, что нами предлагается применить для датчиков лампы на более высокое напряжение (24 В вместо прежних 10 В), что позволяет еще больше увеличить сопротивление нити. Предполагается в процессе работы сравнить характеристики старого и нового вариантов датчиков и выбрать лучший из них.
Можно изготовить и самодельный полупроводниковый датчик. В качестве опытного образца полупроводникового датчика предлагается использовать миниатюрный транзистор в SMD корпусе для поверхностного монтажа. Размер самого прямоугольного корпуса транзистора 3x1x1 мм. Углы предполагается скруглить для улучшения обтекания потоком. Корпус датчика показан на рис. 4.
Рис. 4. Корпус миниатюрного транзистора Fig.24 SOT23
2. Тепловой режим датчика
В стационарном режиме нить термоанемометра находится в тепловом равновесии с окружающим воздухом. При отсутствии подвижности воздуха тепло, подводимое к нити за счет нагрева электрическим током, отдается в окружающую среду путем излучения и естественной конвекции. При увеличении скорости воздуха увеличивается теплоотдача за счет появления вынужденной конвекции, что приводит или к увеличению мощности, затрачиваемой на нагрев (при постоянной температуре датчика), или к понижению температуры датчика.
Процесс теплообмена нити датчика с воздухом является сложным, так как одновременно идет лучистый и конвективный теплообмен и на их интенсивность влияют как конструктивные параметры датчика, так и теплофизические свойства воздуха, зависящие от температуры. При этом следует отметить, что некоторые из параметров не всегда могут быть достоверно определены. По отношению к датчику это диаметр нити и ее длина, поверхность теплообмена. По отношению к воздуху это теплопроводность, теплоемкость, плотность и кинематическая вязкость, так как все эти параметры зависят от состава газа, его влажности и температуры. Как следствие, не могут быть абсолютно достоверно определены и критерии подобия Рейнольдса и Нуссельта, входящие в теоретические формулы.
3. Сравнение схем включения датчиков
В зависимости от схемы включения датчика в измерительную схему могут быть реализованы различные режимы подвода мощности, которые рассматриваются ниже.
Схема нагрева с постоянным током через проволочный датчик (1д = const)
В этом режиме максимальные значения теплоотдачи и температуры датчика имеют место при нулевой подвижности воздуха (vB = 0).
При увеличении подвижности воздуха начинает увеличиваться коэффициент конвективной теплоотдачи, что приводит к понижению температуры датчика. При этом уменьшается и лучистая теплоотдача, что частично компенсирует увеличение конвективного теплообмена. При понижении температуры датчика уменьшается его электрическое сопротивление и, как следствие, уменьшается падение напряжения на датчике. В итоге уменьшается подводимая к датчику электрическая мощность. Падение температуры датчика прекращается в тот момент, когда опять устанавливается баланс между подводимой электрической мощностью и отводимой тепловой. Учитывая постоянство тока, подводимая мощность пропорциональна падению напряжения.
Рис. 5. Изменение параметров датчика в режиме постоянного тока
Учитывая, что с увеличением скорости воздуха подводимая к датчику мощность уменьшается, на начальном участке зависимость мощности датчика (или перепада напряжения) от скорости воздуха имеет максимальный наклон, то есть этот вариант включения обеспечивает максимальную чувствительность при малых скоростях воздуха.
При дальнейшем увеличении скорости датчик остывает все сильнее, и его температура асимптотически стремится к температуре воздуха. Чувствительность при этом существенно ухудшается. Изменение параметров показано на рис. 5.
Схема нагрева с постоянным перепадом напряжения на проволочном датчике (ид = const)
В этом режиме максимальное значение температуры датчика также имеет место при нулевой подвижности воздуха. Однако при этом мощность имеет минимальное значение. При увеличении подвижности воздуха понижаются температура датчика и его электрическое сопротивление. Уменьшение электрического сопротивления приводит к росту величины тока через датчик, в результате чего подводимая электрическая мощность увеличивается, так как она пропорциональна току через датчик.
При дальнейшем увеличении скорости датчик остывает все сильнее, и его температура асимптотически стремится к температуре воздуха. Чувствительность при этом существенно ухудшается.
Чувствительность датчика наибольшая тоже при малых скоростях, однако, она меньше, чем в режиме с постоянным током, так как прирост электрической мощности частично сдерживает снижение температуры датчика. За счет этого линия имеет меньший наклон, и чувствительность падает не так быстро. Это позволяет использовать датчик в таком режиме и для средних скоростей. Изменение параметров датчика показано на рис. 6.
Схема нагрева с постоянной температурой проволочного датчика (Тд = const)
В этом режиме схема слежения на основе операционного усилителя все время поддерживает такой режим нагрева датчика, чтобы его электрическое сопротивление поддерживалось на постоянном уровне. При увеличении скорости воздуха и теплоотдачи с поверхности датчика схема увеличивает перепад напряжения на датчике, тем самым увеличивая подводимую к датчику электрическую мощность. Увеличение мощности будет происходить до тех пор, пока не установится баланс тепловых потоков при заданном значении сопротивления.
В данном варианте при увеличении скорости воздуха происходит непрерывное увеличение подводимой электрической мощности. Граничное максимальное значение мощности и соответствующее ей максимальное значение скорости воздуха, которую может измерить прибор, определяется лишь напряжением питания схемы.
Учитывая, что сопротивление датчика поддерживается постоянным, в этом режиме достаточно измерять лишь перепад напряжения на датчике, который и является выходным параметром. Мощность, подводимая к датчику, квадратично зависит от напряжения и определяется по формуле
N «=U «2/R «
Эта схема позволяет во всем рабочем диапазоне увеличивать мощность, подводимую к датчику при увеличении скорости. Поэтому датчик сохраняет чувствительность в широком диапазоне. Изменение параметров датчика показано на рис. 7.
термоанемометр датчик теплообмен мощность
Библиографические ссылки на источники
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. Ред. Е.А. Шорникова. - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2004. - 412 с.: ил. ISBN 5-7325-0709-4.
2. Ярин Л.П. Термоанемометрия газовых потоков. / Л.П. Ярин, А.Л. Генкин, В.И. Кукес. - Л.: Машиностроение, 1983. - 198 с.
3. Раннев Г.Г. Информационно-измерительная техника и электроника. / Г.Г. Раннев. - М.: Академия, 2006. - 512 с.
4. Кузнецов Д.Н., Чупис Д.А., Руденко А.С. Исследование ниточного термоанемометра постоянной температуры при различных перегревах нити. - В кн. Наукові праці ДонНТУ. Серія: обчислювальна техніка та автоматизація, №2 (25), 2013.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Анализ существующих малоинерционных датчиков. Конструкция датчика мгновенных температур. Этапы преобразования измеряемых величин в измерительной системе. Разработка информационно измерительной системы. Погрешность вариаций химического состава нити.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 24.01.2014Порядок и критерии выбора генераторов, его обоснование. Выбор двух вариантов схем на проектируемой электростанции. Подбор блочных трансформаторов, оценка их основных преимуществ и недостатков. Технико-экономическое сравнение вариантов схем станции.
курсовая работа [516,5 K], добавлен 09.04.2011Построение схем управления по принципу времени в качестве датчиков. Электронные реле времени. Время разряда конденсатора. Электромеханическое и электромашинное реле скорости. Схема двигателя постоянного тока, используемого в качестве датчика скорости.
реферат [1004,2 K], добавлен 15.01.2012Расчёт принципиальной схемы ТЭС. Распределение регенеративного подогрева по ступеням. Выбор основного и вспомогательного оборудования. Схема включения, конструкция и принцип действия. Определение основных геометрических характеристик, тепловой схемы.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 02.10.2008Анализ бесконтактного трансформаторного датчика. Электромагнитные поля, изучаемые в электроразведке. Электромагнитные зондирования и профилирования. Подземные методы электроразведки. Выбор и обоснование материала бесконтактного трансформаторного датчика.
курсовая работа [56,7 K], добавлен 11.10.2012Структура датчика газового состава. Система автоматического моделирования интегральных схем Synopsys TCAD. Расчет температуры рабочей области датчика при импульсном питании нагревателя. Тепловые характеристики для материалов чувствительного элемента.
дипломная работа [2,1 M], добавлен 27.10.2013Достоинства радиальных, магистральных и смешанных схем электрических сетей. Компенсация реактивной мощности. Выбор числа и мощности силовых трансформаторов на подстанции. Расчет токов короткого замыкания. Описание схемы автоматического включения резерва.
курсовая работа [218,5 K], добавлен 31.08.2014Геометрия эксперимента по наблюдению эффекта Холла. Идеальный датчик Холла, свойства и технология изготовления. Внутренняя схема линейного датчика Холла и график его характеристики преобразования. Конструкции датчиков тока. Расходомер, принцип действия.
курсовая работа [998,0 K], добавлен 18.05.2012Формирование двух различных схем включения стабилитрона, направления их исследования и взаимодействия элементов. Зависимость тока стабилитрона от его напряжения полярность при изменении напряжения питания исследуемой схемы переменных резистором.
лабораторная работа [172,8 K], добавлен 07.10.2013Расчет тепловой схемы конденсационного энергоблока. Выбор основного и вспомогательного тепломеханического оборудования для него. Конструкторский расчет подогревателя высокого давления. Сравнение схем включения ПВД в систему регенеративного подогрева.
дипломная работа [3,0 M], добавлен 02.07.2014Чувствительность датчиков, их классификация по тем величинам, которые они должны измерять (датчики давления, датчики уровня). Основные типы датчиков сопротивления и их характеристики. Устройство емкостных и струнных датчиков, свойства фотоэлементов.
реферат [23,4 K], добавлен 21.01.2010Метод диодного детектора (датчика). Эффект изменения проводимости полупроводника в сверхвысокочастотном электромагнитном поле, эквивалентная схема диода. Метод с использованием газоразрядного датчика. Структурная схема измерителя импульсной мощности.
реферат [608,6 K], добавлен 10.12.2013Измерение электрических величин: мощности, тока, напряжения. Область применения электроизмерительных приборов. Отличие прямых и косвенных измерений. Требования к измерительному прибору. Схема включения амперметра, вольтметра. Расчет сопротивления цепи.
лабораторная работа [48,0 K], добавлен 24.11.2013Общая характеристика технологий, конструктивных особенностей, принципов работы и практического применения волоконно-оптических датчиков. Описание многомодовых датчиков поляризации. Классификация датчиков: датчики интенсивности, температуры, вращения.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 20.06.2012Расчет принципиальной тепловой схемы энергоблока К-330 ТЭС. Выбор основного и вспомогательного оборудования. Расчет подогревателя ПН-1000-29-7-III низкого давления с охладителем пара. Сравнение схем включения ПНД в систему регенеративного подогрева.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 07.08.2012Классификация датчиков по принципу преобразования электрических и неэлектрических величин, виду выходного сигнала. Принцип действия тепловых датчиков, его основание на тепловых процессах. Термопреобразователи сопротивления, манометрические термометры.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 08.10.2012Сравнительная характеристика датчиков. Выбор частотного датчика уровня и рекомендованного способа измерения, его достоинства и недостатки. Параметры и профиль уровнемерной трубки. Система возбуждения-съёма, погрешности нелинейности и температуры.
курсовая работа [678,8 K], добавлен 24.11.2010Измерение поглощаемой мощности как наиболее распространенный вид измерения СВЧ мощности. Приемные преобразователи ваттметров проходящей мощности. Обзор основных методов для измерения импульсной мощности, характеристика их преимуществ и недостатков.
реферат [814,2 K], добавлен 10.12.2013Способы включения элементов электрических цепей. Экспериментальная проверка законов Ома и Кирхгофа, измерение основных электрических величин схем с последовательным и параллельным соединением активных сопротивлений для постоянного и переменного тока.
лабораторная работа [45,4 K], добавлен 23.12.2014Выбор типа и мощности силовых трансформаторов. Приведенные мощности в минимальном режиме. Составление вариантов схем электрической сети. Уточненный электрический расчет выбранных схем сети в максимальном режиме. Определяем напряжение на шинах подстанции.
курсовая работа [669,2 K], добавлен 08.11.2012
