2015-02-27
476
Терморезистор в режиме саморазогрева током I имеет температуру Т > ТС, где ТС – температура окружающей среды. В потоке газа или жидкости сопротивление терморезистора R(T) изменяется вследствие охлаждения потоком. Считая, что теплообмен осуществляется только конвекцией в газе (или жидкости), имеющем температуру ТС, можно записать уравнение теплового баланса терморезистора:
I2R(T) = hS(T –TC), (3.10)
где h – коэффициент теплообмена; S – площадь поверхности терморезистора.
Скорость потока w входит в выражение для h, помимо скорости h является функцией тепло- и температуропроводности среды, ее кинематической вязкости, а также зависит от формы и диаметра терморезистора, угла между осью терморезистора и вектором скорости потока. Чем больше скорость потока, тем сильнее охлаждается терморезистор и тем больше изменение его сопротивления R. Коэффициент теплообмена h выражается через скорость потока w эмпирической формулой Кинга
h = a +bw1/2, (3.11)
где a и b – постоянные для конкретного датчика и среды (учитывая и характер ее течения).
|
|
|
Тогда уравнение теплового баланса:
I2R(T) = (A + Bw1/2)(T – TC), (3.12)
где A = aS, B = bS.
Аналогичное уравнение можно записать и для скорости расхода Q:
I2R(T) = (α + βQ1/2)(T – TC), (3.13)
где α, β – можно считать аппаратурными параметрами.
В табл. 3.4 приведены характеристики термоанемометров датской фирмы ДИСА (DISA), в которых используются проволочные терморезисторы из Pt и W диаметром 5 – 20 мкм, фибропленочные терморезисторы из кварцевой нити, покрытой пленкой Ni, пленочные из Ni.
Таблица 3.4
Характеристики термоанемометров
| Тип терморезистора | Материал | Диапазон скоростей, м/с | Верхняя граничная частота, кГц | Среда |
| Проволочный | Покрытый платиной вольфрам | 0,2 – 500 | Воздух | |
| 0,01 – 5 | Вода | |||
| Фибро -пленочный | Никель | 0,2 – 350 | Воздух | |
| 0,01 – 10 | Вода | |||
| Пленочный | Никель | 0,1 – 500 | Воздух | |
| 0,01 – 25 | Вода |
Для измерения вектора скорости применяются двух- и трехкомпонентные датчики термоанемометров, чувствительные элементы которых размещены в двух и трех взаимно перпендикулярных направлениях.
Терморезисторы обычно включаются в мостовую измерительную цепь. При этом терморезистор может работать в режиме постоянного тока и в режиме постоянной температуры. Последний режим предпочтительнее, так как тепловая инерция оказывает меньшее влияние на реакцию системы при изменении высокочастотных составляющих скорости потока. Наиболее перспективными термоанемометрами для измерения скоростей малых или пульсирующих потоков являются датчики с чувствительными элементами из нитевидных кристаллов, имеющими малые геометрические размеры и высокую удельную долю поверхности. Постоянная времени терморезисторов из нитевидных кристаллов составляет десятки миллисекунд. Основные характеристики термоанемометров из нитевидных кристаллов кремния приведены в табл. 3.5, там же приведены параметры термоанемометра на основе тонкопленочного резистора титан-платина.
|
|
|
Таблица 3.5
Характеристики датчиков газового потока
| Параметр | Датчик из нитевидного кристалла кремния | Датчик на основе тонкопленочного резистора |
| Rном при 300 К, Ом | 102 – 103 | 50 – 100 |
| Рабочий ток, мА | 1 – 10 | 100 – 200 |
| ТКС, %∙К-1 | 0,2 – 0,5 | 0,15 – 0,3 |
| τ, с | 0,02 – 0,06 | |
| Диапазон измеряемых скоростей, м/с | 0,01 – 0,4 | 0,1 – 10 |
Контрольные вопросы
1. Преимущества и недостатки измерения температуры с помощью термопар.
2. Из каких материалов изготавливаются металлические термометры сопротивления?
3. Перечислите основные параметры термисторов.
4. На каких физических явлениях основан принцип работы термисторов?
5. Что характеризует постоянная времени термистора?
6. На каких физических явлениях основан принцип работы позисторов, термодиодов, термотранзисторов?
