|
|
Сас скорость звука, Сp и Сv теплоемкость воздуха при постоянном давлении и при постоянном объеме, R
1 Акустические термометры
А кустические термометры основаны на зависимости скорости распространения звука в воздухе от температуры:
Сас − скорость звука, Сp и Сv – теплоемкость воздуха при постоянном давлении и при постоянном объеме, R – универсальная газовая постоянная, T – температура (по шкале Кельвина).
Перепишем эту формулу в виде (обозначив Сас = С):
О бозначим
Рассчитаем С при температуре 00 С. Подставив численные значения, найдем: С0=331,4 м/с
 
Чувствительность акустических термометров:
  При изменении температуры на 1К скорость звука изменяется на 0,6 м/с в ту же сторону.
Ограничения применения акустических термометров:
1. При высоких температурах становится заметной зависимость скорости звука от парциального давления водяного пара.
2. Полученные формулы справедливы для давления воздуха, близком к нормальному. На больших высотах скорость звука зависит от его частоты.
Достоинства акустических термометров
Отсутствие инерции
Погрешности акустических термометров
Влияние скорости ветра
Для ликвидации этой погрешности воспользуемся установкой:
Выходным параметром является сумма времени прихода акустического сигнала на первый и второй приёмники:
Для ликвидации этой погрешности воспользуемся установкой:
     
С учетом: 
Суммирование осуществляется с помощью цифровой обработки электрического сигнала. Результат выводится на цифровой индикатор или другое выходное устройство. Если применяется один приемник, то необходим независимый способ измерения скорости ветра с программной компенсацией погрешности.
|
 2 Сорбционные гигрометры с подогревом
Датчиком такого гигрометра является пленка,
пропитанная насыщенным раствором электролита:
В сорбционном гигрометре раствор всегда остается насыщенным. Будем пропускать ток через раствор. Тогда раствор будет нагреваться. Покажем, что температура датчика будет зависеть от влажности.
Пусть при температуре t парциальное давление в воздухе – e. Тогда относительная влажность f <1, поскольку e < Et. Однако относительно раствора воздух пересыщен, поскольку e > Et*
Соль (LiCl) покрывается пленкой воды и становится проводником тока. Чем больше влажность, тем больше масса раствора, тем лучше раствор проводит ток.
Раствор начинает нагреваться.
Предположим Е* < e. R уменьшается, I, t, E увеличивается, Теперь предположим Е* > e, тогда все будет наоборот. Единственно стабильное состояние: E* = e при t = t’. Каждому значению парциального давления e соответствует определенная величина температуры датчика t’. Ее можно измерить, например, с помощью терморезистора. Свяжем температуру t’ с относительной влажностью f: обозначим  доказали 
Где  - это та влажность, при которой соль покрывается пленкой воды. Она называется равновесной влажностью.
 1. Чувствительность уменьшается с уменьшением температуры. При t < -36 метод не работает, т.к. кривые пересекаются. 2. Чувствительность увеличивается с уменьшением влажности. При этом необходимо условие: f > f*.Для хлористого лития (LiCl) равновесная влажность f* = 13%.
Погрешности сорбционных гигрометров с подогревом:1.Разложение раствора электрическим током (электролиз). Для исключения электролиза применяют переменный ток. 2. Ветровая погрешность. Ветер усиливает испарение раствора и уменьшает его температуру. Возможна модификация метода – измерение тока, нагревающего датчик. В этом случае необходимо выпрямление измеряемого тока.
|
3 Тепловые электрические анемометры
Тепловые электрические анемометры основаны на теплоотдаче нагретого тела. Чем больше скорость ветра, тем больше теплоотдача. Следовательно, разность температур тела (например, проволоки, нагреваемой током) и окружающего воздуха зависит от скорости ветра. Эту разность температур можно измерить например, с помощью термопары.
Ток, текущий по термопаре, зависит от скорости ветра. Его измеряют стрелочным или цифровым прибором. Чем больше скорость ветра, тем меньше разность температур, тем меньше ток. Чтобы найти эту зависимость, рассмотрим процесс теплоотдачи с проволоки. Он характеризуется числом Нуссельта:
 процесс обдува проволоки:
α− коэффициент теплоотдачи, d-диаметр проволоки, λ-коэффициент теплопроводности воздуха,ρ− плотность воздуха,V−скорость ветра,μ−коэффициент динамической вязкости воздуха. Если проволока перпендикулярна потоку ветра, то между числом Рейнольдса и числом Нуссельта существует связь: приравниваем формулы отсюда выражаем коэффициент теплоотдачи.
1.Увеличивать ток нагрева проволоки J
2.Увеличивать сопротивление проволоки r
3. Уменьшать сечение проволоки d
4. Уменьшать сечение проволоки l
Чувствительность падает при увеличении скорости ветра V.
Преимущества теплового анемометра
1. Малая инерция.
2. Отсутствие вращающегося винта
Недостатки теплового анемометра
1. Неудобства, связанные с необходимостью креплением спая термопары на проволоке.
2. Изменение тока по проволоке в результате зависимости ее сопротивления от температуры. Необходима регулировка тока во время измерения и его контроль.
|
4 Искровые высокочастотные анемометры
Искровые высокочастотные анемометры основаны на свойстве искривления ветром электрической искры между электродами.
При удлинении искры изменяется электрическое сопротивление искрового промежутка, а следовательно, и ток пробоя.
Если ветер достаточно силен, изгиб становится сильным и искра срывается. Затем она снова возникает по кратчайшему расстоянию. Далее цикл повторяется. Частота циклов может служить мерой скорости ветра.
Таким образом, в искровых анемометрах выходными могут быть следующие параметры: 1. Ток в контуре, содержащем искровой промежуток; 2. Частота циклов возникновения и срыва искры
 
6 Гипсотермометры
Гипсотермометры определяют давление по температуре кипения воды или иной жидкости. Кипение воды происходит, когда давление насыщения равно атмосферному давлению. Давление насыщения связано с температурой формулой Магнуса: Е=Р
 
где Е0 = 6,107 гПа – давление насыщения при 0 С; Т – температура в кельвинах.
Если давление не сильно отличается от нормального, то можно пользоваться эмпирической формулой:
  
Т.е. для измерения с точностью 1мм нужно измерить температуру с точностью 0,03750 .
В гипсотермометрах применяются термометры, дающие точность до 0,010 .
Преимущества гипсотермометра
- Отсутствие мембранной коробки и связанных с ней погрешностей; - Отсутствие мембранной коробки и связанных с ней погрешностей; - Малые размеры.
Недостатки гипсотермометра
Сложность изготовления и длительность измерения.
Гипсотермометр часто используют в горах для измерения давления и связанной с ним высоты точки измерения.
|
7 Измерение малого давления. Вакуумметры.
Вакуумметры применяются для измерения давления ниже 1 мм. рт. ст.
1.Термопарный вакуумметр.
1 – стеклянный баллон,
2 – проволока, нагреваемая током,
3 – термопара.
Проволока нагревается до определенной постоянной температуры.
Вблизи от проволоки находится теплый спай термопары. Холодный спай термопары находится на корпусе и имеет температуру окружающего воздуха. Передача тепла от нагретой проволоки к теплому спаю идет за счет конвекции. Коэффициент конвективного теплообмена зависит от плотности воздуха (т.е. от давления).
Значит, разность температур между теплым и холодным спаем зависит от давления. Она может быть измерена любым прибором для измерения слабого тока. Термопарный вакуумметр измеряет давление от 10 до 10-3 мм.рт.ст.
2. Ионизационный вакуумметр. В триоде электроны с катода летят к аноду.
Их количество и скорость движения регулируется напряжением на сетке. Отрицательное напряжение сетки замедляет электроны и может полностью закрыть лампу. Такая лампа может использоваться в качестве достаточно мощного усилителя сигнала. В ионизационном вакуумметре полость лампы соединяется с окружающей средой. Конфигурация и название электродов изменено. Электроны с катода летят к сетке и сталкиваются с редкими молекулами воздуха. Происходит ионизация. Образовавшиеся ионы летят к отрицательно заряженному коллектору. Там они разряжаются, образуя нейтральные молекулы. По цепи «коллектор-катод» проходит слабый ток  Чем больше молекул ионизуется (т.е. чем больше давление!), тем больше коллекторный ток. Он может быть измерен любым достаточно чувствительным прибором для измерения тока. Ионизационный вакуумметр измерят давление от 10-3 до 10-6 мм. рт. ст.
Употребляются также следующие типы вакуумметров.
3. Деформационный вакуумметр. Его действие аналогично деформационному барометру-анероиду. Часто используется в комплекте с емкостным измерителем давления (подобно барометру БРС). Пределы измерения – от 10-2 до 10 гПа.
4. Грузопоршневой вакуумметр. Трубка с поршнем сообщается с окружающей средой, давление в трубке уравновешивается давлением поршня. Измеряется сила давления поршня.
5. Магнитный электроразрядный вакуумметр – ионизационный вакуумметр, действие которого основано на зависимости тока электрического разряда в магнитном поле от измеряемого давления.
6. Ионизационный вакуумметр с магнитным полем - ионизационный вакуумметр, в котором используется магнитное поле для удлинения траектории электронов и увеличения числа образованных ионов (до 10-12 мм.рт.ст.).
7. Классические жидкостные барометры (вакуумметры) - обычные жидкостные барометры, в которых вместо ртути используется масло (от 10-1 до 1000 гПа).В вакуумной технике часто используется единица – 1 Тор (Torr) = 1 мм. рт. ст.
|
Кошмидера'>8 Обобщение понятия метеорологической дальности видимости. Уравнение Кошмидера
Метеорологическая дальность видимости (МДВ) – это предельное расстояние, на котором в дневное время виден черный предмет на фоне неба, если угловые размеры предмета не меньше 15’. Яркостный контраст (К) предмета, рассматриваемого на каком-либо фоне
 - видимая яркость фона, 0 - видимая яркость объекта. Видно что 
м инимальный контраст, воспринимаемый человеческим глазом:
Для людей с нормальным зрением  . Значит, МДВ –такое расстояние, на котором яркостной контраст черного предмета на фоне неба равен ε.
Ослабление света в мутной атмосфере подчиняется уравнению Буге-Ламберта:
 J - видимая яркость объекта, l-
 расстояние до объекта, k- показатель ослабления. Если рассматривается черный объект в мутной атмосфере, то его видимая яркость Jов определяется яркостью дымки, находящейся между объектом и наблюдателем:
   - яркость фона (дымки). Тогда перепишем уравнение контраста:
Н а расстоянии МДВ = L видимый контраст равен ε:
Выразим отсюда L :
Э то уравнение Кошмидера, связывающее МДВ с показателем ослабления.
5. Теория флюгарки
Флюгарка разворачивается под действием ветра:
 При повороте флюгарки по ветру сила Fv становится равной нулю. Однако при малейших отклонениях от этого направления она появляется. Флюгарка колеблется. Для уменьшения колебаний флюгарку снабжают двумя плоскостями: Тогда при колебаниях флюгарки одна из разворачивающих сил уменьшается, а другая увеличивается. Флюгарка становится более устойчивой.
1. Сила инерции, препятствующая вращению флюгарки. Момент силы инерции: .
2. Сила трения, препятствующая вращению флюгарки. Момент силы трения:
3. Сила аэродинамического давления, поворачивающая флюгарку. Момент силы аэродинамического давления:
 .
4. Сила аэродинамического сопротивления, препятствующая повороту. Момент силы аэродинамического сопротивления: .
Сумма всех моментов сил равна нулю.
Случай 1 
Т.е. флюгарка маленькая, легкая (малое М), трение и аэродинамическое торможение велико (большое k).
Ч ем больше коэффициент  , т.е. чем легче и меньше флюгарка, тем быстрее она воспринимает новое направление ветра. Назовем такой режим действия флюгарки апериодическим
Чем меньше масса флюгарки, тем меньше период колебаний Т.
 Случай 2.
Тогда дискриминант отрицательный. Корни характеристического уравнения мнимые. Назовем такой режим действия флюгарки периодическим.
1 . Если флюгарка легкая,  , то она работает в апериодическом режиме. Чем меньше масса, тем быстрее флюгарка воспринимает направление. 2. Если флюгарка тяжелая,  , то она работает в периодическом режиме. Чем больше масса, тем больше период колебаний. Таким образом, существует такая масса флюгарки, когда периодический режим сменяется апериодическим. Назовем такой режим предельно периодическим. Он достигается при условии:
или 
Поскольку k = k (V), а k2 зависит от трения и аэродинамического сопротивления, то масса и размер флюгарки выбираются с учетом этих параметров согласно требованию:
| |
|
|
Скачать 0.69 Mb.