Датчик пневмотахометра

   

                                                    W_T =  H(T-T_c),                                                                             (30)

                                                     r_T  =    f(T);

   

                                                    ,

                                                    ; 

W_T – мощность, потребляемая электрической цепью,U_T, I_T, r_T, T – напряжение, сила тока, статическое сопротивление и температура; Т_с – температура воздуха (газа), омывающего АЧЭ; U_m – напряжение питания измерительной схемы.

   Чувствительность  теплоэлектрического ЭИП к информативному входному воздействию коэффициента рассеяния мощности H и дестабилизирующему воздействию температуры Т₀ определяется в соответствии с зависимостями:

                                    ;                                                                        (31)                               

                                ;                                                              (32)                         

   Анализ  зависимостей (27-32) позволяет сформулировать некоторые рекомендации по выбору типа и режима работы АЧЭ, при этом основным является выбор перегрева DТ(Т-Т_с) терморезистора и начального значения и коэффициента рассеяния.

   Из  сравнения зависимостей (31, 32) следует, что отношение чувствительностей Q_н и Q_T не зависит от электрических параметров АЧЭ и режим его работы, а в основном определяется перегревом DТ и конструктивными параметрами АЧЭ, причём следует применять терморезисторы с небольшим значением начального коэффициента рассеяния. Поэтому предпочтение отдаётся миниатюрным терморезисторам, т.к. это наряду с уменьшением температурной погрешности значительно улучшает динамические характеристики преобразователя. Рабочую температуру терморезистора следует выбирать максимально возможной с учётом предельно допустимой температуры Т_доп.

   Перечисленным требованиям к АЧЭ отвечают бусинковые ПТР типа СТ1-19Ма.

   Терморезистор СТ1-19Ма отличается меньшими размерами  бусинки и тонким слоем стекла, покрывающего тело полупроводника и токоподвода в отличие от серийно выпускаемых КМТ-14 и СТ-19Ма.

   Перечисленные характеристики обеспечивают повышение  конвективной теплоотдачи. За счёт малых  габаритов, удачногог расположения остеклованных выводов и простой  технологии изготовления широкое распространение нашёл терморезистор МП-57, однако применение его в термоанемометрах ограничено из-за низкой температуры относительно высокой инерционности.

   Следовательно, в разрабатываемом устройстве будем  использовать терморезистор СТ1-19Ма, характеристики которого имеют следующие значения:

   – рабочий диапазон температур:                                        213-573К

   – тепловая постоянная времени:                                         t_ост=1,5с

   – тепловая постоянная времени:                                         t_пор=0,8с

   – теплоёмкость:                                                                    С=0,4МДж/⁰С

   – коэффициент рассеяния в спокойном  воздухе:              H_p=0,35мВт/⁰С

   – допустимая мощность рассеяния:                                  200мВт при Т_ном

                                                                                                  0,3мВт при Т_max

10. Расчет параметров сужающего устройства

   Вводные замечания:

   Необходимые для расчета диаметры d и D выбираются, исходя из габаритных требований к разрабатываемому устройству.

   Численное значение перепада давления Ар определяется на основе медицинских требований, которые базируются на обеспечении комфортных условий дыхания пациента в процессе диагностического исследования. С другой стороны, этот перепад давления должен быть достаточным для нормальной работы АЧЭ во всем диапазоне объемных расходов. Это противоречие разрешается путем применения в разрабатываемом пневмотахометре полупроводниковых АЧЭ.

   Исходные  данные:

   Диапазон измерения объемного расхода Gv……………………………0,1·10^-3÷15·10^-3 м³/с

   Диаметр поперечного сечения измерительного канала D……………………………28 мм

   Диаметр поперечного сечения СУ d…………………………………………………..20 мм

   Перепад давления ∆p………………………………………………….100 Па или 100 кг/м·с²

   Плотность воздуха p ……………………………………………………………….1,225 кг/м³

   Давление  до входа в СУ, т.е. атмосферное давление p₁………………………….101325 Па

   Динамическая  вязкость µ при температуре 20°С…………………………….1,81 • 10^-6 Па·с 

                                                             

                                                     (33)

   СУ  воспринимает поступающий на его  вход объемный расход Gv , а на выходе преобразует его в перепад  давления ∆р =(p₁-p₂), численное значение которого определяется зависимостью

      Вначале необходимо определить относительную площадь СУ (или модуль) т и поправочный коэффициент е:

     Ориентировочно  поправочный коэффициент е для  воздуха определяется как: 

   

 
 

   Далее необходимо определить число Рейнольдса Re, которое является отношением сил инерции к силам вязкостного трения в потоке и выражается следующей формулой: 

                                           

                                                          (34)

где ν  – кинематическая вязкость; υ – скорость, определяемая из зависимости

_{Следовательно,                                                                        (35)} 

    

   Подсчитаем  значения чисел Рейнольдса Re для G_v в заданном диапазоне, и результаты расчета запишем в табл. 1.

   Далее необходимо определить коэффициент  расхода а.

   Из  выражения (34) следует, что коэффициент расхода а для данного типа СУ (стандартное сопло) является функцией dID (или т) и числа Рейнольдса Re.

   При больших числах Re коэффициенты а у сопел практически зависят только отии почти не меняются с изменением числа Re, если только последнее больше некоторого граничного числа Re_гр..

   При Re < Re_гр. коэффициенты а у сопел уменьшаются. Поэтому стандартные сопла применяются при числах Re < Re_гр.

   В этой области, охватывающей большинство  случаев практики, коэффициенты а для сопел не зависят ни от величины расхода, ни от свойств измеряемой среды, т.е. ее вязкости и плотности и, следовательно, одни и те же значения а будут справедливы для любых расходов и любых измеряемых веществ.

   Число Re для сопла будет колебаться в промежутке 50000 < Re < 60000 (табл. 1). Из полученных расчетов мы видим, что Re максимально приближается к Re_min Исходя из этого, выбираем из табл. 3 [8] коэффициент расхода а при т =0,51 равным 1,0816.

   Таким образом, подставляя найденные численные  значения в выражение (35), определяем перепад давления ∆р на выходе СУ в заданном диапазоне объемного расхода Gv. Результаты расчета ∆р представленны в табл. 1

   Таблица№1

  

   Полученные  значения перепада давления ∆р существенно отличаются от экспериментальных данных в силу неучета потерь, связанных с перестройкой поля скоростей на длине СУ (потери Вейсбаха). Поэтому в дальнейших расчетах будем использовать экспериментально полученные данные, которые на порядок меньше расчетных.

   Таким образом, информативный перепад  давления ∆p_инф будет иметь численные значения, представленные во второй колонке табл. 1. 

   

 

   11. Расчет пневматических каналов пневмотахометра

     Основные принципы  расчета схем замещения пневматических каналов

   При разработке конструкции датчика  расхода одной из основных задач  является выбор конструктивных параметров пневмоканала.

   Для решения подобной задачи достаточно эффективным является метод пневмоаналогий ("метод прямой аналогии" А.Я.Тетельбаума), посредством которого расчет пневмоцепей сводится к расчету электрический цепей, а полученный результат затем трансформируется к исходной задаче.

   Рассмотрим  поэтапно расчет параметров пневмоцепей в соостветствии с методом, изложенным в работе А.Я.Тетельбаума.

   На  первом этапе проводится предварительная трассировка пневмокана-лов. При этом основными требованиями является:

• минимальная длина пневмоканалов;
• минимальное число изгибов;
• плавность переходов каналов одного сечения к каналам другого;
• диаметр пневмоканалов должен находится в пределах 2-8 мм.

   На  втором этапе полученная пневматическая линия разбивается на участки, каждый из которых должен отвечать следующим требованиям.

• постоянство сечения в пределах длины участка;
• местные потери каждого из участков включают только потери на входе;
• каждый участок в пределах его длины должен быть прямолинейным.

   На  третьем этапе осуществляется определение параметров схем замещения участков пневмоцепи. Электрическая модель каждого из участков пневмоцепи представляется в виде схемы замещения, параметры которой определяются в соответствии с зависимостями: