4. Высотомер

Рис. 8.20. Электронная схема высотомера с датчиком давления.

Напряжение питания 15 В, стабилизированное; ОР — операционный усилитель.

Электронный высотомер действует аналогично ба­рометру. Схема (рис. 8.20) выполнена таким образом, что усиленная примерно до 1,5 В разность напряжений после ОР1 может быть установлена на нуль с помощью суммирующей схемы ОР2 а делителя напряжения R1/L2. На втором каскаде уси­лителя ОР2 напряжение сигнала можно повысить примерно в 10 раз. Поскольку чувствительность моста датчика давления типа KTY 10 составляет 150 мВ/бар, максимальная выходная чувствительность получается равной 15 В/бар. Если это выходное напряжение по­дать на цифровой вольтметр (трехзначный – 199 мВ), то теоретическая разрешающая способность получит­ся равной 0,07 мбар/мВ. Здесь установка нуля осу­ществляется потенциометром Р1, а регулировка чув­ствительности — потенциометром Р2.

Калибровка электронного высотомера также осу­ществляется с помощью аппаратуры, показанной на рис. 8.19.

Сначала с помощью настроечного потенциометра Р1 выходное напряжение U_A устанавливается на нуль. Затем путем откачивания воздуха через выход U-образной трубки в датчике давления создается разре­жение 25 мбар. Это показание прибора соответствует разности высот около 200 м. С помощью потенцио­метра Р2 выходное напряжение устанавливают при­мерно на 200 мВ (цифровой вольтметр – 199 мВ). Выходное напряжение U_A цифрового прибора откалибровано теперь в метрах относительно нулевой высоты.

Для практической проверки можно определить из­менение показаний при подъеме на заранее известную высоту (например, на высотное здание).

5. Датчики расхода и скорости

В промышленной измерительной технике требуются очень точные методы определения расхода и скорости потока. При этом допустимые погрешности и должны превышать одного процента, а иногда и одной десятой процента. Довольно точные измерители расхода требуются иногда и в быту (например, газовый счетчик). При таких требованиях к точности применяют чаще всего механические измерительные приборы. Лишь в самое последнее время появились оптоэлектронные измерители расхода и скорости, работающие на оптическом эффекте Доплера. Эти лазерные доплеровские анемометры (рис. 8.21) используют особый вид рассеяния света (эффект Доплера). В данном случае луч лазера разделяется светоделительной пластинкой на два отдельных световых пучка, которые фокусируются затем с помощью линзы в протекающей среде. Рассе­янный потоком свет попадает далее на фотодетектор (фотоумножитель), где он преобразуется в электри­ческий ток. Усиленный доплеровский сигнал элек­тронным путем преобразуется затем в пропорцио­нальное расходу измерительное напряжение.

Рис. 8.21. Устройство лазерного доплеровского анемометра для измерения скоростей потоков в трубопроводе.

Такой способ измерения расхода довольно дорог, но его достоинство состоит в том, что поток не иска­жается процедурой измерения и профиль потока мо­жет быть измерен с очень хорошим разрешением, так как регистрируется только скорость в точке фокуса.

Рис. 8.22 Схематическое изображение процессов теплопередачи самонагревающегося резистора в канале потока.

Измерения расхода можно осуществить чисто элек­тронным путем, применяя в качестве датчика самона­гревающийся резистор. Сопротивление такого рези­стора изменяется вследствие охлаждения потоком, в результате чего резистор действует как датчик рас­хода. На рис. 8.22 показано омическое сопротивление (элемент датчика) в канале потока. Ток I нагревает этот элемент до температуры Т₁ > Т₂. В этих усло­виях теплоотвод осуществляется несколькими путями:

P_Ll — теплопроводность через среду потока к стен­кам трубы; P_Ll ~ Т₁;

P_L2 — теплопроводность через механический дер­жатель и электропровода; P_L2 ~ Т₁;

P_Str — теплопередача путем излучения (по закону Стефана—Больцмана P_Str ~ Т₁⁴);

Р_к1 — теплопередача путем свободной конвекции;

Р_к2 — теплопередача путем вынужденной конвек­ции (поток): Р_к2 ~ Т₁*Q^1/2, где Q — объемный расход.

В итоге омический элемент датчика оказывается в состоянии теплового равновесия, т.е количество подводимой энергии равно количеству отводимой.

Поскольку подводимая электрическая энергия рав­на I²R(T₁) равновесие определяется выражением I²R(T₁) = P_Ll + P_L2 + P_str + Р_к1 + Р_к2, где Р_к2 представляет собой собственно измеряемую величину, так как она определяется потоком в ка­нале. Поэтому все остальные формы теплопередачи могут быть выражены константой. В этом случае по­лучается так называемое уравнение Кинга I²R(T₁) = (α₁ + α₂Qⁿ)(T₁ – T₂), где n = 0,5. В этом уравнении α₁ и α₂ можно считать аппаратурными параметрами, остающимися постоян­ными в известных пределах.