Hidrológiai Közlöny 1956 (36. évfolyam)
3. szám - Boros János: Áramlási sebesség mérése hőérzékeny fémoxiddal (termisztorral)
166 Hidrológiai Közlöny 36. évf. 1956. 3. sz. FIZIKA A tanulmány új sebességmérési elvre hívja fel a figyelmet és bizonyítja a mérés fizikai lehetőségét. Az eddigi kísérletek szerint az eljárás főként kisméretű csövek és igen kis sebességek esetére látszik alkalmazhatónak. Áramlási sebesség mérése hőérzékeny fémoxiddal (termisztorral)* BOROS JÁN OS egyetemi docens, a fizikai tudományok kandidátusa A Kísérleti Fizikai Intézet 1954. év elején megbízást kapott egy új áramlási sebesség mérési módszer kidolgozására. A módszernek alkalmasnak kellett lenni arra, hogy a sebesség meghatározható legyen különböző szennyezések, valamint hordalék jelenléte esetén. Fontos követelmény volt továbbá az is, hogy a módszer pontosabb legyen, mint az eddigi módszerek. Mindjárt a vizsgálatok kezdetén felvetődött az a gondolat, hogy meg kell kísérelni a mérést ún. félvezető anyag felhasználásával. I. A mérés alapelve Az alapgondolat itt a következő volt: a vízáramba ellenállásdrótból készült spirálist helyezünk. A spirálisba rövid időre elektromos áramot kapcsolunk be, mely a spirális felmelegedését idézi elő. A felmelegedett spirális meleget azonnal átadja az áramló víznek. A felmelegítéssel tehát megjelölünk egy térfogatrész vizet, amelynek a mozgását követjük. Amint a felmelegített víz elérkezik az áramlás útjában elhelyezett félvezető anyaghoz, azt felmelegíti. A felmelegítés hatását az anyag ellenállás-változásával azonnal észleljük. A méréseknél használt félvezető anyag fémoxid. A félvezető anyagok elektromos ellenállása rendkívül erősen változik a hőmérséklettel, sokkal erősebben, mint a fémeké. Azonkívül a változás ellentétes is, mint a fémeknél. Míg ugyanis a fémek ellenállása a növekvő hőmérséklettel növekszik, a félvezetőké csökken. A félvezetők ellenállás csökkenése exponenciálisan változik a hőmérséklettel. A fémek ellenállása a hőmérséklet függvényében az rt - 10l -1 cd + 12 j alakú képlettel adható meg, a félvezetőké k ρ - — rt -- 1 — Re T egyenlettel, hb — a félvezető vezetőképessége. T az abszolút hőmérséklet, A, B állandók, a félvezető anyagára jellemző adatok. A fémeknél 0 és 1000° között az ellenállásnövekedés 4—5-szörös, ugyanakkor pl. a vízsebességmérésnél használt fémoxidnál 0° és 80 C° hőmérsékletek között ez a változás 10-szeres , tehát a félvezetőnél a 0° melletti ellenállás 1/10-ed részére csökken az ellenállás. Ilyen körülmények között tehát félvezetővel igen kicsiny hőmérsékletkülönbségeket lehet mérni. Az ilyen célra készített félvezetőt szokás termisztornak nevezni. A sebességmérésre szolgáló termisztorokat a Kísérleti Fizikai Intézetben magunk állítottuk elő. Az oxidból kristályokat növesztettünk. Ezeket a kristályokat megfelelő nagyságúra szeleteltük fel , elláttuk elektródákkal, majd pedig szigetelő lakkréteggel zártuk le. Ez a szigetelő lakkréteg biztosította, hogy a termisztorokhoz víz ne jusson A használt lakk részben nitrolakk volt , részben pedig olyan különleges lakkot használtunk, amelyet 200 C°-on égettünk rá a termisztorra. Ez biztosította az elektródák jó tapadását, elzárta a vizet és elektromosan szigetelt. A lakkrétegen keresztül minden esetben nagyon gyorsan történt meg a termisztor felmelegedése. A méréseknél használt termisztorok kis lapocskák voltak ; felületük 1- 2 cm 2, vastagságuk 2—3 mm. A tömegük néhány száz milligramm. Készítettünk olyanokat is, amelyek gombostűfej nagyságúak voltak. A termisztorokkal 1/1000 C°, sőt az ellenállás mérés finomításával 1/10 000 C° hőmérsékletváltozást tudunk mérni. A hőmennyiségek értéke, amelyeket ezekkel mérni lehet : 10~4—10~5 gramm kalória. Az általunk készített termisztoroknak rendkívül lényeges tulajdonsága az, hogy az elektromos tulajdonságaik stabilisak. Ez a legtöbb félvezetőről nem mondható el. Az áramló víz felmelegítése — amint már az előbbiekben említettem — ellenállásdrót-spirálissal történt. Az áramot alacsonyfeszültségű transzformátor szolgáltatta. Az alkalmazott feszültség 12—36 Volt. A spirális ellenállása néhány ohm, a spirális által felvett teljesítmény nagyságrendje 100 Watt. A víz felmelegítésével kapcsolatosan felmerül mindjárt két kérdés: 1. Nincs-e nagy késlekedés az áram bekapcsolása és a felmelegedés között ? 2. Nem száll-e fel a felmelegedett víz a sűrűség csökkenése miatt ? Ezt a két kérdést a mérések elején megvizsgáltam. A feleletadás optikai úton történik. A felmelegedett víz megváltozott optikai törésmutatója miatt látható, így megállapítható, hogy az áram bekapcsolása és a melegedés között minimális idő telik el, a felmelegedés azonnal megindul. A felmelegedett állóvíz felszállására 1. ábra. Mérés jeladóval és egy termisztorral Pac. 1. MiMepenue npu noMOnfu carimuna u mepMucmopa Fig. ' 1. Measurement with a single transmitter and one thermccell * Építőipari és Közlekedési Műszaki Egyetem Kísérleti Fizikai Intézete.