Уравнение теплового баланса терморезистора имеет вид
I2R = ξ (Qп – Qс) ·S,
где ξ - коэффициент теплоотдачи, зависящий от скорости движения среды; Qп и Qс - соответственно температура терморезистора; (преобразователя) и среды;
S – площадь поверхности терморезистора.
В случае, если терморезистор имеет форму цилиндра и расположен поперек потока так, что угол между осью цилиндра и вектором скорости потока равен 90°, то коэффициенты теплоотдачи для газов и жидкости определяются по формулам
|
сλ |
|
n |
|
сλ |
Vd n |
|
сλ |
|
n |
0.4 |
|
||
ξг = |
|
(Re) |
|
= |
|
|
|
; |
ξж = |
|
(Re) |
|
Рr |
, |
d |
|
υ |
d |
|
||||||||||
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|||
где V и υ - соответственно скорость и теплопроводность среды, d – диаметр терморезистора;
c и n – коэффициенты, зависящие от числа Рейнольдса Rе = Vd/υ;
Pr = υd - число Прандтля, зависящее от кинематической вязкости и
теплопроводности среды.
Подобный преобразователь (терморезистор) обычно включается в мостовую измерительную схему. Используя вышепреведенные выражения, можно измерить скорость V.
5.2. Использование в измерительной технике законов электромагнетизма
[6], 50...60
На явлении электрического отталкивания заряженных тел устроено устройство электроскопа - прибора для обнаружения электрических зарядов. Электроскоп состоит из металлического стержня, к которому
48
привешен тонкий алюминиевый или бумажный листочек. Стрежень укреплен при помощи эбонитовой или янтарной пробки внутри стеклянной банки, предохраняющей листок от движения воздуха.
Электрометр представляет собой электроскоп, имеющий металлический корпус. Если соединить корпус этого прибора с землей, после чего коснуться его стрежня каким-нибудь заряженным телом, то при этом часть заряда перейдет на стержень и листочки электрометра разойдутся на некоторый угол. Такой прибор измеряет разность потенциалов между проводником и землей.
Осциллографом называется прибор, предназначенный для наблюдения, регистрации и измерения параметров исследуемого сигнала, как правило, напряжения, зависящего от времени. Светолучевые осциллографы используют электромеханическое отклонение светового луча под действием исследуемого напряжения.
Электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО) строятся на основе электронно-лучевых трубок. Отклонение электронного луча осуществляется непосредственно электрическим сигналом.
Основным узлом ЭЛО является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), представляющая собой стеклянную вакуумированную колбу (рис.10), внутри которой имеется оксидный катод 1 с подогревателем 2, модулятор 3, аноды 4 и система отклоняющих пластин 5 и 6. Часть ЭЛТ, включающая в себя катод, модулятор и аноды, называется электронной пушкой.
Рис. 10 Электронно-лучевая трубка
49
Если к отклоняющим пластинам приложить напряжение, то электронный луч отклонится, как показано на рис. 11.
К вертикально отклоняющим пластинам обычно подводится исследуемое напряжение Uy, а к горизонтально отклоняющим – развертывающее напряжение (в данном случае линейно изменяющееся периодическое с периодом Тр).
Рис. 11. Получение изображения на экране ЭЛТ
Приборы магнитоэлектрической системы (амперметры, вольтметры и омметры) годны для использования в цепях постоянного тока, а при применении детекторов – и в целях переменного тока. Принцип действия измерительного механизма магнитоэлектрической системы использует эффект взаимодействия поля постоянного магнита с катушкой (рамкой), по которой протекает ток. На рис. 12 показана типовая конструкция (с подвижной катушкой).
50
Рис. 12. Типовая конструкция с подвижной катушкой Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и
неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное равномерное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катушка (рамка) 4, намотанная медным или алюминиевым проводом на каркасе. Катушка закреплена между полуосями 5 и 6. Спиральные пружины 7 и 8 предназначены для создания противодействующего момента и, одновременно, для подачи измеряемого тока.
Рамка жестко соединена со стрелкой 9. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики на усиках 10.
Уравнение преобразования:
α = I(ВnS / W),
где В – магнитная индукция в зазоре;
α - угол поворота подвижной части; S – площадь рамки;
n – число витков катушки;
W – удельный противодействующий момент. 51
Приборы электромагнитной, электродинамической, ферродинамической и электростатической систем широко используются в качестве типовых электромеханических амперметров, вольтметров, ваттметров и частотомеров.
Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек, по которым протекает ток.
Устройство подобного измерительного механизма показано на рис. 13.
Рис. 13. Электромеханический преобразователь электродинамической системы
Внутри неподвижной катушки 1 может вращаться подвижная катушка 2, ток к которой подается через пружинки.
Поворот катушки осуществляется вращающим моментом, вызванным взаимодействием магнитных полей катушек 1 и 2. Противодействующий момент создается специальными пружинками (не указаны на рис.13).
Уравнение преобразования это механизма:
α = W1 ∂∂Mα I1 I2 ,
где W – удельный противодействующий момент;
α - угол поворота подвижной части; M – взаимная индуктивность катушек.
Данный механизм может быть использован для измерения постоянных
52
и переменных токов, напряжений и мощности.
Ферродинамические измерительные механизмы, по существу,
являются разновидностью электродинамических приборов, от которых они отличаются только по конструкции, поскольку катушка имеет магнитомягкий сердечник (магнитопровод), между полосками которого размещается подвижная катушка. Наличие сердечника значительно увеличивает магнитное поле неподвижной катушки, а следовательно, и чувствительность.
В электростатических приборах осуществляется принцип взаимодействия электрически заряженных проводников.
Одна из распространенных конструкций подробного измерительного механизма приведена на рис. 14.
Рис.14. Преобразователь электростатической системы Подвижная алюминиевая пластина 1, закрепленная вместе со стрелкой
на оси 3, может перемещаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными неподвижными пластинами 2. Входные зажимы (не показаны), к которым подводится измеряемое напряжение, соединены с подвижной и неподвижными пластинами.
Под действием электростатических сил подвижная пластина втягивается в пространство между неподвижным пластинами. Движение
53
прекращается, когда противодействующий момент закрученной пластины становится равным вращающему моменту.
Уравнение преобразования подобного механизма имеет вид
α = 21W ∂dCα U2 ,
где U – измеряемое напряжение;
W – удельный противодействующий момент; C – емкость между пластинами.
Подобные преобразователи используются для разработки вольтметров постоянного и переменного токов.
Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке с подвижным ферромагнитным сердечником. Одна из наиболее распространенных конструкций представлена на рис. 15.
Рис. 15. Преобразователь электромагнитной системы:
I – катушка, 2 – сердечник, 3 – спиральная пружина, создающая противодействующий момент, 4 – воздушный успокоитель
Под действием магнитного поля сердечник втягивается внутрь
54