Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

ратурой. На пути второго луча располагают участок вещества, температура которого измеряется. По характеру интерференции можно судить о сдвиге фаз между лучами, обусловленном нагревом вещества, в котором измеряется температура. Зависимость скорости звука от температуры газовой среды, в которой он распространяется, также может быть использована для целей термометрии. В общем случае, как указывалось в гл. IV, скорость распространения волн давления малой амплитуды в упругой среде определяется выраже­ нием

где k — модуль сжимаемости среды. Для адиабатических измене­ ний давления в газах

а

■Кр

V ~р”

Для идеальных газов р/р не зависит от давления; и р/р и х яв­ ляются характеристиками газа. Так как р изменяется обратно про­ порционально температуре Т идеального газа, то а изменяется про­

порционально У Т. Определение соотношения между температурой и скоростью звука в реальном газе представляет собой основную трудность использования метода. В случаях пламен с весьма высо­ кой температурой, при которой существенны диссоциация и иони­ зация молекул, можно использовать зависимость плотности от сте­ пени диссоциации, а также зависимость температуры от х.

Для определения скорости распространения малых возмущений в среде, где измеряется температура, на точно известном расстоя­ нии друг от друга располагают источник и приемник звуковых колебаний. По сдвигу фаз между источником и приемником опреде­ ляется время прохождения возмущения через среду. По времени и расстоянию находится скорость, а затем и температура.

При использовании ультразвуковых методов источником звука высокой частоты служит пьезокристаллический вибратор, который дает узкий пучек ультразвукового излучения, пересекающегося с потоком газа. Звуковые волны, распространяющиеся в газе, наб­ людается с помощью искровой фотографии, использующей шлирен или теневой метод. По фотоснимкам определяется длина звуковой волны, и так как частота излучения известна с большой точностью, то скорость звука также определяется с достаточной для измерения температуры точностью (порядка нескольких процентов). Этот ме­ тод применяется преимущественно в тех случаях, когда температура газа позволяет использовать пьезокристаллы и когда основные турбулентные и собственные шумовые пульсации, обусловленные самим газовым потоком, не искажают картины распространения звуковых волн.

Для измерения температуры газа за верхней границей темпера­ турного диапазона, доступного для термопар, может быть применен так называемый газодинамический метод. Он основывается на том

223

общеизвестном факте, что величина расхода газа, текущего через сопло, возрастает с увеличением давления лишь до тех пор, пока скорость потока в узком сечении не достигнет местной скорости звука. Это значение скорости достигается при критическом отношении да­ вления во входном сечении к давлению в наименьшем сечении сопла, которое не может быть изменено независимо от давления во входном сечении. После достижения критического отношения давлений вели­ чина расхода для данных газа и сопла целиком определяется только температурой и давлением газа во входном сечении.

Расход газа можно представить в виде

где р — коэффициент сжатия струи; S — площадь проходного се­ чения сопла; w и v — скорость и удельный объем газа в этом се­ чении. Поскольку критические параметры wKP и окР могут быть выражены через параметры торможения, т. е. через параметры газа

до входного сечения, как

1

то расход при критическом истечении оказывается равным

1

G = pS

где я — показатель адиабаты (газ предполагается химически инерт­ ным); R — газовая постоянная. Последняя формула может быть переписана в виде

ческого метода: чтобы определить температуру Т0 перед соплом, надо (для известных сопла и газа) измерить давление торможения

вполости перед соплом и расход газа. Для измерения расхода газа

вэтом случае удобно использовать второе критическое сопло, так чтобы газ протекал через систему, изображенную на рис. 63. Оче­ видно, что на установившемся режиме расход газа через оба крити­ ческих сопла одинаков; тогда

для газа постоянного состава (Аг = А 2) искомая температура опре­ делится как

224

где d x и d2 — диаметры наименьших сечений сопел; р 02 — давление торможения в полости между соплами. Диаметры отверстий сопел выбираются таким образом, чтобы в обоих случаях истечение было бы критическим. Давления легко измеряются с помощью манометри­

Точность измерения температуры по уравнению (VII.17) опре­ деляется точностью измерения Т 02, р 01 и Рог и очень сильно (чет­ вертая степень) точностью измерения диаметров. При этом следует учитывать увеличение диаметров при нагреве сопел до разных тем­ ператур. Наибольшее предель­

ющиеся конденсации компоненты, такие как водяной пар, то необ­ ходимо поддерживать Т 02 или достаточно высокой для предотвра­ щения конденсации или настолько низкой, чтобы весь пар был сконденсирован и учтен при коррекции расхода через второе сопло.

Инерционность измерительного устройства зависит от объема пространства между соплами и величины расхода газа. В [181] показано, что постоянная времени системы, при малых изменениях температуры определяется выражением

**

Р02Т02

■Е А Г о г 0’5,

где параметры со звездочкой относятся к базовому уровню отсчета малых отклонений, а V — объем пространства между соплами. По­ мимо такого газодинамического запаздывания, имеется еще тепло­ вое запаздывание во входном участке первого сопла. Этот эффект снижается при увеличении отверстия первого сопла вследствие уменьшения теплоотдачи от газа к соплу.

15 Л . Л . Бошняк

Г Л А В А VIII

ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И СКОРОСТЕЙ

1. Измерение линейных и угловых перемещений твердых тел

В исследовательской работе часто возникает необходимость из­ мерения перемещений, совершаемых элементами объекта или ор­ ганами измерительных приборов. В первичных преобразователях измерителей перемещений могут применяться различные принципы и конструкции; в качестве преобразователей практически исполь­ зуются почти все известные генерирующие или модулирующие системы. При этом диапазон абсолютных значений измеряемых перемещений в большой степени определяет особенности конструк­ ции и (в несколько меньшей степени) принцип работы измерительной аппаратуры. Измеряемые на объектах типичные перемещения можно условно характеризовать диапазонами, представленными в табл. 24.

Измерение малых перемещений и деформаций — одна из наибо­ лее распространенных задач измерительной техники. Измерители таких перемещений широко используются в качестве промежуточных преобразователей датчиков различных физических величин; воздей­ ствие давления, сил, моментов сил, температуры, расходов веществ и ряд других величин легко преобразуются в силовое воздействие на гибкий или перемещающийся элемент, смещение которого служит сигналом об измеряемой величине. Задача дальнейшего преобразо­ вания заключается в получении сигнала, линейно связанного с пере­ мещением, удобного для передачи по измерительной цепи и дальней­ ших преобразований. При измерении малых перемещений основное требование к преобразователю заключается в обеспечении наиболь­ шей возможной чувствительности при наименьшем влиянии внеш­ них воздействий. Последнее обстоятельство предопределяет приме­ нение дифференциальных, логометрических и компенсационных схем, которые наиболее просто осуществляются в электрических, световых

226

и пневматических цепях. Этим объясняется то, что большинство преобразователей малое перемещение—сигнал относятся к неме­ ханическим устройствам. Более подробно некоторые принципы построения таких преобразователей и приборов будут рассмотрены в последующих главах, посвященных измерению величин, преобра­ зуемых в перемещение.

Перемещения в диапазоне 1 — 100 мм характерны для штоков гидропневмоклапанов, регуляторов, подвижных деталей дозирую­ щих устройств, элементов систем управления положением различных органов объекта и т. п. В автоматических универсальных приборах перемещения нуль-органов и пишущих устройств имеют близкий по­ рядок. В настоящем параграфе далее приводятся примеры методов измерения перемещений именно этого диапазона.

Путевые перемещения проще всего измерять числом дискретных интервалов длин, точность задания которых известна. При этом на движущийся и неподвижный элементы наносятся метки и фикси­ руется число меток подвижного элемента, прошедшее мимо неподвиж­ ного отметчика. Метки можно наносить прочерчиванием, установкой контактов и т . п.; если возможна установка отметчика с малым за­ зором относительно движущегося элемента, то очень высокая точ­ ность достигается при магнитной записи. В этом случае на переме­ щающееся тело наклеивается отрезок магнитной ленты (или ис­ пользуется проволока, ферродиски, пластины) с записанной на ней серией импульсов калибровочной частоты, а в качестве отмет­ чика используется обычная магнитная считывающая головка. Под­ счет числа воспроизведенных при движении импульсов (при извест­ ной длительности периода сигнала) дает величину перемещения. В качестве дискретной единицы пути широко используется длина окружности колеса, которое при измерении прокатывается по не­ подвижному направляющему элементу. Количество оборотов ко­ леса с учетом долей последнего оборота подсчитывается тахометрическим устройством. Если неподвижный элемент вблизи движуще­ гося тела установить невозможно (например, при движении тела в жидкости или в воздухе), применяются оптические или электро­ магнитные локаторы.

Измерение перемещения подвижного элемента часто необхо­ димо экспериментатору для получения сигнала о достижении задан­ ного положения, определения общего времени, затраченного на пере­ мещение, или для изучения динамики процесса движения элемента. В первом случае достаточно получить сигнал от реле или какоголибо простого контактного устройства (концевого выключателя). Во втором — требуются начальная и конечная отметки, позволяю­ щие измерить длительность процесса перемещения. В третьем слу­ чае необходима непрерывная регистрация положения движущейся детали или ее скорости движения в данный момент времени. Изме­ рение одного из параметров движения (пути, скорости или ускоре­ ния) и моментов времени, привязанных к измерению этого параметра, вполне достаточно для того, чтобы дифференцированием (или инте­ грированием) определить два других неизмеряемых параметра.