Расчет термокондуктометрического газоанализатора (стр. 3 из 5)
F – площадь излучающей поверхности, м2;
Tнmax – максимальная температура платиновой нити, °С;
Tc – температура стенки, °С;
e=0,2 – степень черноты поверхности нити;
С0=5,67 Вт/(м2×K4) – постоянная Стефана - Больцмана;
Подставив числовые данные, получим
=5,186*10-6 Дж.Также необходимо рассчитать тепловой поток QТ, проходящий через измерительную ячейку за счет теплопроводности газовой смеси:
,Подставив числовые данные, получим
=2*10-4 Дж.В соответствии с принятыми выше допущениями теплообмен в измерительной камере должен осуществляться в основном за счет теплопроводности. Это возможно при соблюдении условия:
.Проверим, выполняется ли условие:
Условие выполняется, значит, значение силы тока через нить выбрано правильно.
1.4 Определение статической характеристики по каналу первичный преобразователь - схема включения
Принципиальная схема термокондуктометрического газоанализатора приведена на рисунке 2.
В плечи измерительного неуравновешенного моста включены одинаковые терморезисторы 5; два из них размещены в рабочих камерах 1 и 3, через которые проходит анализируемый газ, и включены в противоположные плечи моста, а два других размещены в сравнительных камерах 2 и 4, заполненных или продуваемых сравнительным газом известного и постоянного состава (например, воздухом).
Если анализируемая газовая смесь отличается по теплопроводности от сравнительного газа, то температура, а следовательно, и сопротивление терморезисторов в рабочих камерах отличаются от температуры и сопротивления терморезисторов в сравнительных камерах. Сила тока в диагонали моста зависит от величины разбаланса моста, т.е. от содержания искомого компонента в газовой смеси. Для неуравновешенного моста сила тока в диагонали
где I0 — сила тока питания моста; R — сопротивление терморезисторов 5; DR — изменение сопротивлений плеч моста в рабочих камерах 1 и 3; RмВ — сопротивление милливольтметра.
Из этого уравнения видно, что измерения следует проводить при I0 = const, так как только в этом случае I однозначно зависит от DR, т.е. от содержания искомого компонента в газовой смеси.
Зависимость силы тока в диагонали моста от температур терморезисторов и стенок измерительных камер выражается уравнением
I = k [(Тн – Тст) – (Тн0 – Тст0)],
где k — постоянная прибора; Тн —абсолютная температура терморезистора в рабочей камере; Тст — абсолютная температура стенки внутри рабочей камеры; Тн0 — абсолютная температура терморезистора в сравнительной камере; Тст0 — абсолютная температура стенки внутри сравнительной камеры.
Это уравнение можно представить в виде
I = k [(Тн – Тн0) – (Тст – Тст0)],
Отсюда следует, что измерение содержания анализируемого компонента возможно лишь при условии равенства температур стенок внутри рабочих и сравнительных камер, т.е. при Тст – Тст0 = 0. в этом случае справедлива однозначная зависимость силы тока в диагонали измерительного моста от температуры терморезистора в рабочей камере I = f (Тн).
Для преобразования изменения сопротивления нити в напряжение наиболее часто используется мостовая измерительная схема (схема включения).
Статическая характеристика по каналу первичный преобразователь - схема включения представляет собой зависимость напряжения в измерительной диагонали мостовой схемы от концентрации определяемого компонента газовой смеси в установившемся режиме.
lх – теплопроводность водорода, Вт/(м×К).
lх=0,17172 Вт/(м×К).
Рисунок 3 – Статическая характеристика для датчика термокондуктометрического газоанализатора
Определим коэффициент передачи усилителя. Он рассчитывается по следующей формуле:
,где
— максимальное напряжение, которое подается на вход АЦП; принимаем = 5В; 
— максимальное напряжение мостовой схемы. Это значение находим по графику статической характеристики 
.При Сх = 0,8
= 8,95*10-3В.Находим коэффициент передачи усилителя
Так как КП > 100, используем двухкаскадный усилитель, принципиальная электрическая схема которого представлена в Приложении А.
Для такой схемы
КП общ = КП1× КП2
Найдем значения R1, R2, R3, R4.
и 
R1 и R3 принимаем равными 1 кОм, тогда подсчитываем значения R2 и R4 и из стандартного ряда сопротивлений выбираем R2 = R4 = 24 кОм.
1.5 Расчет погрешности измерения
Из статической характеристики канала измерения можно получить зависимость для концентрации определяемого компонента.
Тогда погрешность измерения концентрации можно определить как погрешность косвенных измерений.
На основании полученных формул рассчитываем и строим зависимости абсолютной и относительной погрешностей косвенного измерения концентрации от значения питающего напряжения.
Рисунок 4: Зависимость абсолютной погрешности косвенного измерения концентрации от значения питающего напряжения
Рисунок 5: Зависимость относительной погрешности косвенного измерения концентрации от значения питающего напряжения
Погрешность задания коэффициентов и табличных значений следует задать как половину разряда следующего за разрядом, до которого округляются значения.
2. Расчёт датчика силы
2.1 Разработка технического задания
Разработать датчик предназначенный для измерения сил, развиваемых энергетическими установками и агрегатами, и выдачи сигнала, пропорционального силе на вход телеметрической системы.
Пределы измерения сил Fпод должны соответствовать значениям, приведенным в таблице исходных данных.
Частотный диапазон измерения датчика Df =50 Гц
Датчик должен запитываться от источника постоянного тока напряжением Uпит, значение которого приведено в таблице исходных данных.
Датчик должен работать в окружающей среде - воздух. Температура окружающей среды может меняться в пределах ± 50°С.
Относительная влажность окружающей среды до 95 % при температуре +35°С Датчик должен быть работоспособен при:
Вибрации с частотой fгр=5 кГц и амплитудой А=0,5 мм
Воздействие ударов с амплитудой 50 g и длительностью до 0,001с.
Датчик должен иметь минимальные габаритные размеры и массу.
Обеспечение заданного предела измерения должно осуществляться в пределах единого конструктивного оформления датчика с максимально возможной унификацией деталей и размеров.
2.2 Анализ технического задания
Требования технического задания накладывают определенные ограничения на конструкцию, параметры и методы расчета разрабатываемого датчика. Так требования работоспособности датчика при воздействии вибрации предопределяет либо проектирование датчика с высокой собственной частотой, лежащей за пределами частотного диапазона вибрации, либо введения демпфирования, либо какие-то другие меры, обеспечивающие, во-первых, неизменность показаний датчика, а во-вторых, его механическую прочность. Это же можно сказать и о линейных перегрузках. При воздействии на датчик температур изменяющихся в достаточно широких пределах (± 50°С), происходит изменение геометрических размеров и упругих свойств механических элементов. В результате изменяется чувствительность датчика к измеряемой величине и появляется погрешность преобразования. Исключить влияние температуры на преобразование можно увеличением чувствительности к измеряемой величине и уменьшением чувствительности к дестабилизирующему фактору, каким является температура, применением дифференциальных преобразователей, либо включением в измерительную цепь специальных термокомпенсирующих элементов. Работа при взаимодействии повышенной влажности предопределяет конструирование датчика с герметичным корпусом, выбор соответствующих материалов и покрытий.