2834

Канал измерения температуры

Практическая работа

Производство и промышленные технологии

Канал измерения температуры. Общие сведения об измерении температуры. Понятие температуры Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами. В качестве принципа работы термометров можно использовать любой физический п...

Русский

2012-10-20

5.17 MB

90 чел.

Канал измерения температуры

1. Общие сведения об измерении температуры

1.1. Понятие температуры

Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами.

В качестве принципа работы термометров можно использовать любой физический процесс, в котором температура однозначно связана с какой-либо легко определяемой величиной (например, изменение объёма, давления, электрического сопротивления, ЭДС и т.д.). Температуры тел – уровни их внутренних энергий – определяют интенсивность теплообмена между ними и указывают направление передачи тепловой энергии от более нагретого к менее нагретому телу.

Общее определение понятия температуры можно сформулировать следующим образом. Температура – статистически формирующаяся теплодинамическая величина, определяемая уровнем внутренней энергии тела. Носителями внутренней энергии являются атомы и молекулы тела, кинетическая энергия которых определяет температуру. В частности, для газообразных тел согласно кинетической теории  средняя  поступательного движения молекул связана с температурой Т газа выражением:

,                            (1)

где  m – их масса; ν – средний квадрат скорости поступательного движения молекул;  k – постоянная Больцмана.

Распределение энергии поступательного движения между молекулами характеризуется выражением:

                                  (2)

где ∆N – число молекул, энергия которых находится в интервале от E до E+∆Е; N – общее число молекул в единице объема; E  – энергия поступательного движения молекул, определяющаяся их скоростью.

Кинетическая энергия вращательного и колебательного движения молекул газа и колебательного движения атомов в кристаллических решетках твердого тела подчиняются закономерностям, выраженным аналогичными соотношениями.

В процессе соударения молекул происходит обмен энергии между ними, т. е. устанавливается равновесное состояние, при котором все формы кинетической энергии ансамбля молекул и атомов тела характеризуются одинаковым значением температуры. Такую неравновесную температуру Т принято называть термодинамической.

Выражения (1) и (2) характеризуют статистическую связь между энергией движения молекул и температурой, справедливую для большого ансамбля частиц. Однако для данной температуры кинетическая энергия каждой отдельной молекулы может существенно отличаться от средней энергии, входящей в эти выражения. Поэтому понятие температуры является статистическим и применимо только к телу, состоящему из очень большого числа молекул. В применении к отдельной молекуле понятие температуры не имеет смысла.

В пространстве с крайне разреженной материей температура не может быть определена статистическим распределением скоростей движения молекул. В этих условиях статистические соотношения неприменимы. Температура такого пространства определяется мощностью пронизывающих его потоков лучистой энергии. За его температуру принимают температуру абсолютно черного тела с такой же мощностью излучения.

Не имеет физического смысла понятие температуры в некоторой точке данного тела. Можно говорить только о температуре, характеризующей состояние вещества внутри некоторого объема тела, точнее, тела конечной массы.

Термодинамическая температура входит в фундаментальные соотношения, определяющие либо характер протекания ряда физических процессов, либо связь с другими физическими величинами. К таким фундаментальным соотношениям, играющим большую роль в температурных измерениях, следует отнести следующие:

  1.  Уравнение состояния идеального газа – уравнение Клапейрона: ρV=RT,

                                                                                          (3)

где ρ и V – соответственно давление и объем газа, а R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31441 Дж/(моль*К).                                    

  1.  Закон Кюри:

μ=с/Т,                                                                        (4)        

где μ – магнитная восприимчивость парамагнитной соли; с – постоянная, определяемая при градуировке;

  1.  Уравнение Найквиста, определяющее интенсивность тепловых шумов на концах активного сопротивления R, названных флуктуациями носителей зарядов в проводнике:

,   (5)

где h – постоянная Планка; – частота.

При kT уравнение принимает вид ‾U2 = 4RkT;

  1.  Формула Планка, определяющая свойства теплового излучения абсолютно черного тела для длины волны λ, Вт/м2:

,       (6)

где с1 и с2 – постоянные.

Необходимость сопоставления результатов измерения температур в разных странах заставила искать пути создания международного эталона.

Первой попыткой в этом направлении было утверждение в 1889г. на Международной конференции по мерам и весам в качестве международного эталона температуры водородного газового термометра постоянного объема.

В качестве основных точек были выбраны температуры таяния льда и кипения воды при нормальном давлении, которым приписаны числовые значения соответственно 0 и 100 с делением основного интервала на 100 равных частей. Числовым значениям измеренных "водородных" температур приписывался знак °С.

Развитие отраслей техники, нуждающихся в надежных методах измерений температур, выходящих далеко за пределы интервала (0÷100) °С и обладающих более высокой воспроизводимостью, чем газовый термометр. В 1933 г. на 8-й Генеральной конференции было утверждено Положения об МПТШ-27.

МПТШ должна быть установлена таким образом, чтобы легко и просто было воспроизводить и определять любую температуру по МПТШ с точностями более высокими, чем по термодинамической шкале. В МПТШ-68 используются как международные практические температуры Кельвина  (символ T68), так и международные практические температуры Цельсия  (символ t68). Соотношение между Т68 и t6S такое же, как между Т и t, т.е. Т68 К = t68 °С + 273,15.

Единицей Т68, так же как и единицей термодинамической температуры, является Кельвин (К). Числовые значения температур в абсолютной шкале T68 выражаются в Кельвинах, а в шкале, отсчитываемой в Кельвинах от точки плавления льда, считаются выраженными в градусах Цельсия, °С, т.е. так же, как термодинамические температуры.

Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68) с учетом рекомендаций Консультативного комитета по термометрии 1984 г. основывается на группе из 12 воспроизводимых температур фазовых переходов (реперных точек), числовые значения которых были получены как наиболее достоверные по результатам газотермических измерений в ряде стран таких, как точка кипения равновесного водорода при нормальном давлении 20,23 К (-252,87 °С), тройная точка воды 273,16 К (0,01 °С), точка кипения воды 373,15 К (100 °) и т.д.. Эти значения охватывают интервал шкалы от 13,81 К (-259,34°) – тройная точка равновесного водорода до 1337,58 К (1064,43 °С) – точка затвердевания золота.

1.2. Особенности измерения температуры

Почти во всех методах измерения температуры чувствительный элемент приводится в соприкосновение со средой, в которой необходимо измерять температуру. При этом температура чувствительного элемента должна быть равна или пропорциональна температуре среды. Совпадение этих температур зависит от многих факторов, в том числе от размеров, формы и материала чувствительного элемента, от размеров, формы и материала контролируемой среды и от условий передачи теплоты к чувствительному элементу. Всякий чувствительный элемент, внесенный в контролируемую среду, искажает ее температурное поле, что является одной из причин несовпадения температур. С другой стороны, температура чувствительного элемента тем ближе с температурой среды, чем лучше теплообмен между средой и чувствительным элементом.

Передача теплоты к чувствительному элементу термометра может происходить через конвекцию, лучеиспускание и теплопроводность. Теплообмен через конвекцию имеет место при измерении температуры жидкости и газов. Если среда, в которой измеряется температура, ограничена стенками, то вследствие прозрачности жидкости и газов теплообмен между стенками и чувствительным элементом будет происходить также и через лучеиспускание. Наконец, при измерении температуры твердых тел передача теплоты к чувствительному элементу происходит в основном через теплопроводность.

Количественные характеристики теплообмена между средой с температурой 0 (или Тс - абсолютной температурой стенки) и чувствительным элементом с температурой  (или Т) конвекцией, излучением или теплопроводностью определяются формулами:

 ,                   (7)

где  α – коэффициент конвективного теплоперехода, зависящий от скорости обтекания чувствительного элемента и меняющийся от 3·10-7 до 5·10-5 Дж/см оС; F площадь соприкосновения чувствительного элемента со средой; с – коэффициент теплоизлучения, равный для абсолютного черного тела 5,709·10-7 Дж/см2 0К4; λ – коэффициент теплопроводимости; - толщина тонкого слоя, отделяющего чувствительный элемент от твердой стенки, температуру которой измеряют.

Из выражений (7) видно, что для улучшения теплообмена между средой и чувствительным элементом необходимо увеличивать площадь соприкосновения F, а при измерении температуры газов и жидкостей следует увеличивать коэффициент теплопередачи путем увеличения  скорости обдувания.

При измерении температуры газов, движущихся с большими скоростями, особое значение приобретает переход кинетической энергии газов в тепловую энергию в местах торможения потока. Известно, что если Т – температура затормороженного потока и С – статистическая температура, которая была бы замерена прибором, движущимся вместе с газом со скоростью V, то имеет место соотношение:

,           (8)

где J – механический эквивалент тепла; cр  - теплоемкость при постоянном давлении; g - ускорение силы тяжести.

Из соотношения (8) видно, что чем больше скорость движения, тем больше разность Т - С. При V=300 м/с эта разность составляет 44°С.

Если чувствительный элемент термометра погружается в газовый поток, то на поверхности элемента будет иметь место неполное торможение потока, поэтому температура чувствительного элемента будет меньше температуры заторможенного потока и больше статистической температуры. Степень отклонения температуры чувствительного элемента от температуры Т, определяемая конструктивными формами прибора, оценивается коэффициентом торможения:

,                        (9)

Чем больше r, тем с большей точностью измеряется температура Т.

Погрешность измерения температуры заторможенного потока Т, как следует из (8) и (9), будет:

,          (10)

Для чувствительного элемента в виде проволоки, расположенной поперек потока, r = 0,65 и повышается до 0,87 при расположении проволоки вдоль потока; для шарика r = 0,75. При полном торможении потока можно получить r =0,950,98.

В газотурбинных двигателях и наружном воздухе измеряют температуру заторможенного потока, для чего чувствительный элемент помещают в пространство с почти полным торможением. Но при этом уменьшается интенсивность теплообмена, поэтому в приборах, измеряющих температуру заторможенного потока. Динамические погрешности больше, чем в приборах, измеряющих статистическую температуру.

Под динамической погрешностью термометра следует понимать запаздывание в показаниях, вызванное конечной скоростью передачи тепла от контролируемой среды к чувствительному элементу. Динамические погрешности определяются не только свойствами прибора, но и скоростью измерения измеряемой температуры. Эти погрешности тем больше, чем скорость изменения температуры.

Для оценки динамических погрешностей предположим, что теплочувствительный элемент представляет собой однородное тело плотностью , объемом и соприкасается с контролируемой средой поверхностью F. Температура по теплочувствительному элементу распределена равномерно.

Количество тепла, переданное от среды к чувствительному элементу за время t, равно:

                           ,                                     (11)

где – коэффициент теплопередачи.

Это же количество тепло можно выразить через повышение температуры элемента:

                         ,                                   (12)

где с - удельная теплоемкость материала чувствительного элемента.

Разлагая член (t + ∆t) в ряд Тейлора и ограничиваясь линейным членом, получим вместо (12):

                                                                             (13)

Приравнивая выражения (11) и (13), найдем:

 ,                                                 (14)

где   – постоянная временная чувствительного элемента.

    ,            (15)

где m – масса чувствительного элемента.

Решение уравнения (14) при скачкообразном изменении температуры от 0 до 0 можно представить в виде:

               ,                                     (16)

На рис.1 приведены кривые, показывающие характер нарастания температуры чувствительного элемента при различных значениях отношения t/.

Рис. 1. Переходная функция термочувствительного элемента

Видно, что с увеличением нарастание температуры замедляется. Для уменьшения постоянной времени необходимо уменьшать объем и теплоемкость с чувствительного элемента и увеличивать поверхность соприкосновения F и коэффициент теплоотдачи α.

При заданных конструктивных размерах чувствительного элемента постоянная времени зависит от весового расхода газа, омывающего чувствительный элемент. Если G1 и G2 – весовые расходы газов в единицу времени, а 1  и 2соответствующие постоянные времени, то имеет место соотношение:

                        (17)

Отсюда следует, что с подъемом на высоту весовой расход газов уменьшается, что приводит к возрастанию постоянной времени теплочувствительного элемента.

1.3. Авиационные термометры       

 Термометры находят широкое применение в авиации для измерения температуры твердых тел (головок цилиндров поршневых двигателей), жидкостей (масла, топлива), воздуха и газов. При изменении температуры частей двигателя и газов, вытекающих из них, погрешность измерения не должна превышать 0,5-1 %, а при измерении температуры воздуха, масло и т. п. погрешность измерения может составить 1-2 %.         

Таблица 1.

Классификация термометров по принципу действия (ГОСТ 13417-76)

Назначение термометра

Принцип действия

Принципиальная схема

Диапазон измеряемых температур, С

1

2

3

4

Термометры расширения:

Основаны на зависимости удельного объема вещества от температуры

от – 70

до +750

дилатометрический

от – 60

до + 900

1

2

3

4

биметаллический

от – 60

до + 250

манометрический

от – 50

до + 400

Термометр сопротивления

Основан на зависимости сопротивления термопреобразователя от температуры

от – 270

до + 1000

Термоэлектрический термометр

Основан на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры

от – 260

до + 2500

Пирометр

Основан на зависимости теплового электромагнитного излучения тела от его температуры

от 600 и выше

2. Термобиметаллические термометры

Биметаллические пластины (рис.2), используемые в качестве чувствительного элемента биметаллического термометра (БТ), состоят из двух примерно одинаковых по толщине пластинок металлов или сплавов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. При изменении температуры такой пластины она изгибается в сторону материала с меньшим коэффициентом линейного расширения.

Рис.2. Биметаллические пластины 

При жестком креплении одного конца пластины перемещение ее другого конца вследствие изгиба передается с помощью системы рычагов на указатель и служит мерой изменения температуры.

Для закрепленной с одного конца биметаллической пластины длиной l и толщиной s перемещение А, ее ненагруженного конца при изменении температуры пластины от t1 до t2 определится выражением

                             А =  ζl2(t1-t2)/s ,                                                 (18)                                    

где ζ — удельный изгиб пластины, зависящий в основном от разности коэффициентов линейного расширения использованных металлов; lдлина пластины; s – толщина.

Подключение к этому концу пластины какого-либо механизма для перемещения стрелки по шкале БТ приводит к возникновению силы F, противодействующей перемещению и частично подавляющей перемещение на величину А. Такая противодействующая сила определится выражением

                                       ,                                                    (19)

где  b – ширина пластины; Е – модуль упругости.

Очевидно, что выражения (18) и (19) справедливы только в том интервале температур, в котором оба, используемых металла обладают упругой деформацией. Это обстоятельство определяет принципиальные температурные границы применимости БТ. Подбором специальных сплавов удается создать БТ с рабочим диапазоном температур от -100 до 600 °С.

Биметаллические термометры применяются в качестве элементов компенсации температурных погрешностей приборов, а также для измерения температуры в тех случаях, где необходимы надежные недистанционные приборы.

Биметаллические термометры основаны на принципе прямого преобразования сигналов и для него справедлива структурная схема (рис.3).

Рис. 3. Структурная схема биметаллического термометра:

y – деформация элемента, l - передаточная характеристика; – угол отклонения стрелки.

Передаточная функция равна:       

Для увеличения длины пластины при сохранении малых габаритов чувствительного элемента его выполняют в виде спирали. В этом случае изменение температуры от t1 до t2 вызывает поворот ненагруженного конца спирали на угол у.

Если чувствительный элемент БТ не предназначен для работы в агрессивных средах, то он не требует защитного кожуха, и в этом случае термометры такого типа обладают сравнительно небольшой термической инерцией.

Наибольшее распространение БТ получили для автоматического регулирования. В этом случае чувствительный элемент приводит в действие систему управления контактами реле. Основная погрешность БТ составляет 1,0-1,5 %, а в области повышенных температур — до 3 % диапазона измерения. Градуировочные характеристики БТ близки к линейным. Однако чувствительные элементы термометров не взаимозаменяемы и приборы требуют индивидуальной градуировки. Она может осуществляться в термостатах путем сравнения с показаниями соответствующего образцового средства измерений.

3. Терморезистивные преобразователи

3.1. Принцип действия. Измерительные цепи.

Электрические термометры сопротивления применяются в авиации для измерения температуры масла и воздуха внутри и снаружи кабин.

Принцип действия термометра сопротивления основан на изменении электрического сопротивления металлов или полупроводников в зависимости от температуры.

Принципиальная схема термометра сопротивления показана на рис.4.

Рис.4. Принципиальная схема термометра сопротивления:

1 – приемник, 2 – указатель.

Прибор состоит из приемника 1 с теплочувствительным элементом, воспринимающий измеряемую температуру, и указателя 2, расположенного на приборной доске и соединенного с приемником электропроводкой.

Выбор материала для термочувствительного элемента обусловливается удобством изготовления, надежностью, чувствительностью, однозначной зависимостью R() и отсутствием воздействия среды на чувствительный элемент. Этим требованиям удовлетворяют металлы – медь, никель, железо и платина и полупроводниковые – хлориды и карбиды; окислы урана, никеля, марганца, бор, кремний, германий, теллур и др.

Измерение температуры в электрическом термометре сопротивления сводится к измерению электрического сопротивления, которое может быть осуществлено с помощью гальванометра, логометра или компенсационным методом.                    

Гальванометрические схемы не применяются из-за погрешностей, вызываемых колебаниями напряжения бортовой сети. Наиболее точен компенсационный метод, но он относительно сложен, поэтому преобладающее применение в авиации нашли логометрические схемы, обеспечивающие необходимую для термометров точность (порядка 2 %).

Термометры сопротивления с логометрическими указателями широко применяются в авиации для измерения температуры воды, масла, окружающего воздуха и т.п.

Терморезисторные термометры строятся на принципе прямого (рис.5) и уравновешивающего (рис.6) преобразования. В первом случае цепочка преобразования имеет вид

                                  ,

где ΔR- изменение сопротивления первичного преобразователя; ΔU- напряжение рассогласования моста; - отношение токов в рамках логометра и φ - отклонение стрелки.

В термометре уравновешивающего преобразования последовательность преобразования будет

                                         

                                                        ,

где ΔRq и  ΔR - изменение сопротивлений терморезистора и схемы; ΔU- разбаланс схемы; U - напряжение на выходе усилителя; I - сила тока в обмотке двигателя; φ1- угол отклонения вала двигателя.

Преимущество приборов уравновешенного преобразования – независимость показаний от напряжения питания моста и от температуры окружающей среды.    

   

  

Рис.5. Схема прямого преобразования:

R0- терморезистор; R1, R2, R3, R4, R6, R7-сопротивление моста; Rд – добавочное сопротивление; Rк1, Rк2- сопротивление рамок логометра.     

                                                                                                             

 

Рис.6. Схема уравновешивающего преобразования: R – терморезистор; R1, R2, R3,-сопротивление моста; R - балансировочное сопротивление; Д- двигатель уравновешивания.  

3.2. Термопреобразователи сопротивления на основе металлов

Для металлов обычно принимают, что сопротивление является линейной функцией температуры, т.е.

                            ,                                                 (20)  

где R и R0 – сопротивления, соответствующие температурам θ и θ0; α– температурный коэффициент сопротивления.

Уравнение (20) справедливо при малых отклонениях температуры.

На рис.7. приведены функции R/R20 =f() для меди, никеля, платины и полупроводников.                                                                                                    

Материалы, предназначенные для теплочуствительного элемента, должны удовлетворять ряду требований: иметь стабильную и хорошо воспроизводимую монотонную зависимость сопротивления от температуры и достаточно высокое значение ТКС, определяемого выражением:                               

                   ;                  (21)

их физические и химические свойства    должны оставаться стабильными во времени в рабочем диапазоне температур. Не должны быть чувствительными к изменениям других внешних параметров, таких как давление, влажность, напряжённость магнитного поля, загрязнение и др.   

Рис.7. Характеристики сопротивлений

Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют чистые металлы: платина, медь, никель. Полупроводниковые в настоящее время представляют широкий класс материалов также пригодных для изготовления чувствительного элемента термосопротивления.                                                                                                  

Платиновые термопреобразователи сопротивления. Чистая платина - наилучший и наиболее распространенный материал для изготовления теплочувствительного элемента. К достоинствам платины следует отнести её сравнительно высокую химическую инертность вплоть до высоких температур, высокую температуру плавления, высокое удельное сопротивление (10 мкОм/см при комнатной температуре). Платиновые термосопротивления (ТСП) используют для измерения температуры в диапазоне от – 260 до 1100°С.

Зависимость сопротивления ТСП от температуры в диапазоне 0 – 630 °С хорошо аппроксимируется полиномом второй степени:

                            ,                                        (22)

где R и R0 – сопротивления ТСП при температуре θ и 0 °С соответственно; А и В – коэффициенты (В<0).                                                                                                                                                   

Для температур ниже 0 С справедливо соотношение:

                            .           (23)

Для чистой платины:   А=3,940×10-3; В=-5.8×10-7; С=-4×10-12.

Медные термопреобразователи сопротивления. Медная проволока, выпускаемая промышленностью, отличается достаточной степенью чистоты, и поэтому изготовленные из неё термометры обладают весьма хорошей взаимозаменяемостью. К достоинствам меди следует отнести линейную или близкую к линейной зависимость сопротивления от температуры, достаточно высокий ТКС, а также дешевизну проволоки. Недостатком меди является её сильная окисляемость при повышенных температурах, что ограничивает температурный предел применения медных термосопротивлений (ТСМ). Серийно выпускаемые технические ТСМ применяются для температуры в диапазоне от  – 200  до +200 °С.

Никелевые термопреобразователи сопротивления. Основными достоинствами никеля являются высокие значения ТКС (α=6,410-3 К-1) и удельного сопротивления. К числу недостатков никеля следует отнести значительную окисляемость при высоких температурах. Поэтому никелевые термосопротивления (ТСН) могут быть использованы для длительных измерений только до 150 °С, а для кратковременных - до 180 °С. Зависимость сопротивления ТСН от температуры описывается полиномом второй степени (20) с положительным коэффициентом при квадратичном члене. Наиболее существенным недостатком никелевой проволоки является зависимость её ТКС от наличия примесей. Поэтому для обеспечения взаимозаменяемости термопреобразователей обычно последовательно с резистором из никеля включается резистор из материала с малым ТКС (манганит).   

3.3. Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления

Перечень полупроводниковых материалов, в той или иной степени удовлетворяющих резистивной термометрии, в настоящее время чрезвычайно велик. Для всех полупроводников характерна высокая чувствительность сопротивления к температуре, на порядок и более превышающая чувствительность металлов. Промышленность серийно выпускает множество типов полупроводниковых термопреобразователей в различном конструктивном оформлении, называемых термисторами.

Термисторы широко используются для измерения температур в диапазоне (–100  +300) °С. Исходными материалами для изготовления термисторов служат смеси оксидов никеля, марганца, меди, кобальта, которые смешивают со специальным веществом в нужном соотношении; прессованием им придают необходимую форму, их спекают при температуре, близкой к температуре плавления используемых оксидов.

Так, например, термисторы типа КМТ, СТ1, ПТ изготавливают на основе кобальто-марганцевых, ММТ и СТ2 – на основе медно-марганцевых, СТ3 и МКМТ – медно-кобальто-марганцевых и СТ4 – никель-кобальто-марганцевых оксидных полупроводников.           

Термисторы имеют большое номинальное сопротивление (от единиц до сотен кОм), большой ТКС и малую инерционность. К числу их недостатков следует отнести нелинейность температурной зависимости сопротивления, отсутствие взаимозаменяемости из-за большого разброса номинального сопротивления и ТКС, нестабильность СХ.

Зависимость сопротивления термисторов от температуры описывается выражением:       

                    (24)

где R0 – сопротивление термистора при Т=273, T=273° + θ – абсолютная температура; B – постоянная материала.

Сопротивление полупроводникового термопреобразователя измеряется неуравновешенным четырёхплечим мостом постоянного тока (рис.8). Индикатором состояния моста является магнитоэлектрический логометр с подвижным магнитом и двумя неподвижными катушками, имеющими активные сопротивления R8 и R9. При изменении температуры величина сопротивления R15 изменяется, происходит перераспределение токов в рамках логометра и отклонение его подвижной системы.

Сопротивления R5 и R6, включенные по последовательно-параллельной схеме, являются корректирующими. Они выравнивают характеристики приемника.

Рис.8 Схема неуравновешенного четырёхплечего моста постоянного тока

3.4. Особенности устройства термометров сопротивления

Особенности устройства терморезисторного термометра ТНВ-15. Для измерения температуры наружного воздуха используется термометр ТНВ-15 с проволочным термопреопреобразователем П-5. Его теплочувствительный элемент 1 (рис.9) размещается в корпусе, внутренний канал которого расточен по профилю сопла Лаваля 2. Корпус, в свою очередь, крепится к основанию 4 с помощью полого откоса 3. Внутри откоса размещён подгоночный резистор 5 из манганита. Термопреобразователь П-5 устанавливается на борту самолёта так, чтобы продольная ось его корпуса совпадала с направлением набегающего потока воздуха.

                  

Рис.9. Устройства терморезисторного термометра ТНВ-15:

1 – теплочувствительный элемент; 2 – внутренний канал корпуса; 3 – полый откос; 4 – основание; 5 – подгоночный резистор.

Принципиальная электрическая схема термометра ТНВ-15 показана на рис.10. Это четырёхплечий неуравновешанный мост с магнитоэлектрическим логометром. Примененный логометр с подвижными рамками имеет увеличенный размах шкалы термометра, однако ему свойственен ряд недостатков, связанных с малой   вибропрочностью и сложностью конструкции подвижной системы. К одной из диагоналей которого подается питание от сети постоянного тока 27 В. Во вторую диагональ включены две рамки логометра.

Сопротивления Rl, R2, R4, R6, R9, R10 выполнены из манганина, сопротивления R3, R5, служащие для температурной компенсации, из меди.

Равновесие моста обусловлено равенством

R9R4=(R11+R10)(R2+R3).

В этом случае в рамках логометра протекают равные по величине токи. Взаимодействуя с неравномерным полем постоянного магнита логометра, рамки устанавливают подвижную систему и стрелку указателя против среднего деления шкалы.

Рис.10. Принципиальная электрическая схема термометра ТНВ-15

При любом другом значении температуры сопротивление приемника имеет определенную величину, равновесие моста нарушается, изменяется соотношение токов в рамках, причем каждому отношению токов соответствует единственное положение подвижной системы.

Диапазон измерения температуры ТНВ-15 от -60 °С до +150 °С с показывающим прибором ТНВ-1. Основная погрешность измерения температуры на рабочем участке диапазона измерения приборов не превышает 4 °С.  

Особенности устройства терморезисторного термометра ТУЭ-48. Унифицированный терморезисторный термометр типа ТУЭ предназначен для измерения температуры масла, воды, воздуха, наружного воздуха и др. Он состоит из датчика и указателя. Датчик включает теплочувствительный элемент ТЭ, корпус и штепсельное соединение (рис.11).

Рис.11. Устройство датчика термометра ТУЭ-48:

1 – спираль; 2- стойка; 3 – никелевая проволока; 4 – пластина; 5 - теплопроводящая пластина; 6 – корпус; 7 – прокладка; 8 – колодка; 9 – гайка; 10 - штепсельный разъем

Теплочувствительный элемент выполнен из никелевой неизолированной проволоки 3, намотанной на две пластины из слюды 4. Изоляция никелевой обмотки с наружной стороны осуществляется тонкими слюдяными прокладками 7, поверх которых помещены теплопроводящие пластины из серебра, соприкасающиеся с корпусом датчика 6. Такая конструкция ТЭ обеспечивает хороший теплообмен с измеряемой средой, способствующей уменьшению погрешностей прибора. Корпус датчика изготовлен из нержавеющей стали.

В термометрах ТУЭ-48 указателем является логометр с подвижным магнитом и неподвижными рамками (рис.12).

Рис.12. Устройство логометра термометра ТУЭ-48:

1 – демпфер; 2 – магнит подвижной системы; 3 – катушка внутренняя; 4 – магнит для возвращения стрелки; 5 – стрелка; 6 – подпятник; 7 – основание; 8 – магнитный экран; 9 – ось подвижной системы; 10 – катушка; 11 – экран.  

Подвижная система логометра состоит из плоского железоникельалюминиевого магнита 2, укрепленного на оси 9, и стрелки 5 с балансировочными грузами. На концах оси 9 запрессованы керны 11 из кобальтовольфрамовой стали, опирающиеся на подпятники 6 из корунда.

Подвижный магнит окружен демпфером 1 из красной меди. При колебаниях подвижной системы в демпфере возникает вихревые токи, способствующие успокоению системы.

На демпфер надеты две пары катушек: внутренняя 3 и наружная 10, расположенные под углом 120 °.

Для возвращения стрелки в нулевое положение при выключенном токе служит неподвижный магнит 4. Создаваемый им возвращающий момент более чем на два порядка меньше момента логометра. Логометр защищен от влияния внешних магнитных полей экраном 8 из пермаллоя, являющимся также магнитопроводом для потоков катушек.

         Принципиальная электрическая схема термометра ТУЭ-48 (рис.13).

Рис.13. Принципиальная электрическая схема термометра ТУЭ-48

Сопротивление термопреобразователя измеряется двойным мостом постоянного тока. В схеме двойного моста выводы катушек (рамок) логометра с одной стороны соединены вместе, а с другой стороны через сопротивления R4, R5. Токи, протекающие по катушкам логометра, и соответственно потенциалы точек А, В, С зависят от величины сопротивления R8, размещенного в приемнике температуры. В частности, с увеличением R8 потенциал точки А увеличивается, и наоборот.

Если температура окружающей среды постоянна, потенциалы точек В и С постоянны по величине, так как величины сопротивлении R2, R3, R4, R5, R6 в этом случае не изменяются. Сопротивления моста подобраны так, что при температуре -50 °С потенциалы точек А и С равны между собой, а потенциал точки В больше потенциала точки А. Вследствие такого распределения потенциалов ток в катушке R10 равен нулю, а в катушке R9 достигает максимального значения. Постоянный магнит логометра устанавливается в направлении вектора поля катушки R9.

При температуре +50 °С разность потенциалов точек А и В равна разности потенциалов точек А и С. Токи в катушках логометра равны по величине и направлены от точки В к точке А и от точки А к точке С. Магнит логометра устанавливается в направлении результирующего вектора полей обеих катушек. Это положение магнита соответствует среднему положению стрелки на шкале указателя.

При увеличении температуры с +50 до +150 °С потенциал точки А приближается к потенциалу точки В, поэтому ток в катушке R9 уменьшается до пуля, а в катушке R10 увеличивается до максимального значения. Подвижный магнит поворачивается в сторону катушки R10.

Каждая катушка логометра имеет одинаковое число витков. Сопротивление внутренней рамки меньше, чем наружной, поэтому в цепь внутренней рамки включено сопротивление R11 для обеспечения симметричности схемы и температурной компенсации. Резисторы R3 и R4, имеющие положительный температурный коэффициент сопротивления, также служат для температурной компенсации инструментальной погрешности показывающего прибора. При этом изменение сопротивления R3 компенсирует изменение тока в обмотке R10 из-за изменения температуры окружающей среды, а изменение сопротивления R4 - в обмотке R9.

Термометр типа ТУЭ-48 имеет следующие характеристики:

- диапазон измерения от – 70 до 150 °С, цена деления 10 °С;

- погрешность измерения при нормальной температуре 1,5 %;

- термометр работает от источника питания постоянного тока напряжением 272,7 В;

- датчики и указатели разных комплектов взаимозаменяемы.   

Конструкция приёмника температуры и преобразователя.

Приёмник температуры П-69-2М (рис.14) состоит из корпуса 1, внутри корпуса находятся два чувствительных элемента (изоляционная пластинка 2, на которую бифилярно намотана платиновая микропроволока 3).                                              

                                       

Рис.14. Устройство приёмника температуры П-69-2М:

1 – корпус; 2 – чувствительный элемент (изоляционная пластинка); 3 – платиновая проволока; 4 – трубка; 5 – колодка; 6 – втулка; 7 - стойка; 8 – выходные концы; 9 – штепсельный разъем

Все детали приёмника крепятся к стойке 7 и втулке 6, выполненные из жаропрочной хромоникелевой стали. Для защиты от солнечной радиации поверхность датчика полируется. Выходные концы 8 сопротивления через колодку 5 и трубку 4 соединены со штепсельным разъёмом 9.     

Преобразователь смонтирован в отдельном корпусе. На изолированных платах собраны мультивибратор, триггер, интегратор и компаратор.

Соединение с приёмником температуры, блоком питания и регистрирующими устройствами производится через штепсельный разъём.                                                                     

3.5. Параметры терморезисторов

1. Теплоёмкость терморезистора (С) – количество тепла, которое может аккумулировать терморезистор при изменении его температуры на 1 °С:

  ,                (25)

где WT – тепло, выделенное в теле терморезистора; Wα – тепло, рассеянное в окружающую среду.  

С однозначно определяется температурой терморезистора и численно равна энергии, которую необходимо сообщить терморезистору, чтобы изменить его температуру на 1°С.

2. Динамический коэффициент рассеяния мощности  кД:

                                                                           (26)

где ; kД - определяется температурой терморезистора Т, температурой окружающей среды θ и зависит от термодинамических свойств последней, площади и природы поверхности терморезистора.

3. Тепловая постоянная времени τ:

                                                                                                       (27)  

4. Электрическая постоянная времени терморезистора τe характеризует скорость изменения тока и напряжения в процессе их установления. Электрическая постоянная времени τe связана с тепловой постоянной времени τ и динамическим множителем D соотношением:

                                                                                                 (28)

5. Динамический множитель:

или                    (29)

3.6. Погрешности терморезисторных термометров

Основными погрешностями приборов прямого преобразования являются:

- методические погрешности из-за нагрева током теплочувствительного  элемента;

- инструментальные температурные погрешности, вызванные различным нагревом элементов прибора при изменении температуры окружающей среды;

- погрешности от влияния внешних электрических и магнитных полей;

- погрешности трения, шкаловые погрешности.  

Погрешность от нагрева теплочувствительного элемента током может быть доведена до допустимых пределов путём выбора Rθ из условия Rθ<<R1. (R1 – сопротивление ветви моста). Кроме того, чем интенсивнее теплообмен между теплочувствительным элементом и средой, тем эта погрешность меньше.

В приборах с логометрическим указателем показания не зависят от колебания напряжения питания моста. Инструментальные температурные погрешности возникают из-за изменения сопротивлений рамок при колебаниях температуры окружающей среды.

В приборе уравновешивающего преобразования имеют значение погрешности от нагрева теплочувствительного элемента током и от непостоянства передаточного коэффициента от двигателя до токосъёмника потенциометра.

Эти погрешности достаточно малы.

 

4. Термоэлектрические термометры.

Термоэлектрические термометры в авиации используются в основном для измерения температуры отдельных частей силовых установок и газовых потоков, выходящих из реактивного сопла двигателя.

Принцип действия термоэлектрического термометра основан на использовании термоэлектрического эффекта.

Явление термоэлектричества  заключается в возникновении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) в спае двух проводников из двух разнородных токопроводящих материалов при наличии разности температур места соединения проводников и их свободных концов. Такая цепь, составленная из двух разнородных металлов, называется термопарой. Проводники, из которых состоит термопара, называются тероэлектродами. Одну точку соединения термоэлектродов называют рабочим концом (горячим спаем), а другуюсвободным концом (холодным спаем). Физическая сущность явления объясняется следующим. Атомы металлов составляют пространственную решетку, внутри которой свободные электроны, участвующие в тепловом движении, образуют электронный газ. Плотность электронного газа для разных металлов неодинакова. Из-за этого на границе соприкосновения двух разнородных металлов возникает стремление к выравниванию плотности электронного газа. Часть электронов переходит из одного металла в другой. При этом один металл заряжается положительно, другой отрицательно. Возникает контактная разность потенциалов, которая уравновешивает разность давления электронного газа. Контактная разность потенциалов не зависит от формы и геометрических размеров термоэлектродов и определяется разностью температур горячего и холодного спаев и свойствами металлических проводников термопары.

Если спаять между собой концы двух разнородных проводников А и В (рис. 15. а), то при одинаковой температуре обоих спаев тока в цепи не будет. В обоих спаях возникает одинаковая по величин, но обратная по знаку контактная разность потенциалов, причем суммарная термоЭДС в замкнутой цепи равна нулю. При нагреве одного из спаев до температуры tГС электроны на горячем конце приобретут более высокие энергии и скорости, чем на холодном. Возникающие в результате этого потоки электронов и связанные с ними накопления зарядов приводят к тому, что контактная разность потенциалов в нагретом спае, увеличивается, а в холодном остается прежней. В результат возникает термоЭДС, зависящая от разности температур tГС – tХС. В цепи потечет ток. Направление тока зависит только от материала термоэлектродов. Условились называть положительным тот электрод, по направлению к которому течет ток через горячий спай (положительный - А). 

Для большинства термопар контактные ЭДС возникают при любых температурах и являются их линейными функциями, так что можно принять

                

                                                               (30)

где к - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств материалов термопары.

Однако для некоторых термопар контактные ЭДС являются нелинейными функциями температуры. В частности, величина ЭДС может быть приближенно выражена квадратичной функцией температуры горячего спая при температуре холодного спая, равной нулю (tХС = 0):

                                                     (31)

где tГС -  температура горячего спая;

а и b - постоянные коэффициенты, характеризующие свойства металлов термопары. Для электродов применяются материалы обеспечивающие наибольшее значение ТЭДС.

РИС.15.  Термопары

а - возникновение термоЭДС; б - ведение термоэлектродных проводов; в - градуировочные характеристики.

Таким образом, измеряя термоЭДС, развиваемую термопарой, можно определить температуру горячего спая. В этом и состоит принцип действия термоэлектрических термометров.

Электродвижущую силу, развиваемую термопарой, можно измерить с помощью гальванометра или компенсационным методом.

Метод измерения с помощью гальванометра основан на измерении силы тока, протекающего в замкнутой цепи, составленной из последовательно соединенных термопары и чувствительного гальванометра (рис.15., б). Измерение ЭДС сводится к измерению силы тока, пропорциональный величине измеряемой ЭДС.

Для измерения термоЭДС в термоэлектрических термометрах применяют магнитоэлектрической гальванометр, высокая чувствительность которого обеспечивает такие измерения. Прибор работает, как милливольтметр, а шкала его отградуирована в градусах Цельсия.

Показания измерителя будут соответствовать температуре, измеряемой среды только в случаев обеспечения условия постоянства температуры свободных концов термопары или учета изменения этой температуры, для чего свободные концы термопары с помощью соединительных проводов С и D вынесены в зону небольших колебаний температуры (на приборную доску). Практически температура среды, окружающей свободные концы, термопары, изменяется в пределах от +50 до - 60° С.

Материалами для изготовления термопар служат благородные и неблагородные металлы, сплавы и полупроводники. Термопары из благородных металлов применяются для измерения высоких температур и при особо точных измерениях. Для технических измерений используются термопары из неблагородных металлов, сплавов и полупроводников. Такие термопары имеют более значительные по величине ТЭДС, чем термопары из благородных металлов, и их изготовление дешевле. В технике применяют также для изготовления термопар металлические электроды в паре с неметаллами.

Каждая термопара, состоящая из двух термоэлектродов, характеризуется зависимостью изменения термоЭДС от температуры, называемой градуировкой. На термопарах и шкале показывающего прибора, изготовленных для одной градуировки, ставится знак «Гр» с обозначением градуировки. Например, «Гр ХА» - градуировка термоэлектродов хромель-алюмель. Наиболее широкое применение в авиационных термометрах получили термопары: хромель-копелевая (хромель - сплав из 89 % Ni, 9.8 % Cr, 1 % Fe, 0.2 % Мn; копель - сплав из 45%  Ni, 55% Сu); хромель-алюмелевая (алюмель - сплав из 94 % Ni, 0.5 % Fe, 2% AI, 2.5 % Mn и 1% Si), железокопелевая, медькопелевая, медьконстантановая и др. Принято в обозначениях градуировок термоэлектрических преобразователей первым указывать положительный термоэлектрод, вторым - отрицательный.

Зависимось термоЭДC пpeoбpaзoзaтeля от разности температур его горячего и  холодного спаев устанавливают экспериментальным путем и представляют в виде таблиц или графиков, которые  называются градуировочными.

В справочных таблицах обычно приводят значения термоЭДС для термоэлектродов из различных материалов и сплавов, соединенных с нормальным платиновым термоэлектродом, причем температура холодного спая принимается равной 0°С. На рис.15., в показаны градуировочные характеристики некоторых термопар.                                                  

Как видно из формулы (30), непостоянство температуры холодного спая является причиной одной из методических погрешностей термоэлектрических термометров. Для ее уменьшения применяют либо различные способы компенсации, либо такие термопары, которые не требуют компенсации этой погрешности. Значительное распространение в авиационных термометрах получила термопара из никель-кобальтового сплава (НК) и специального алюмеля. ТермоЭДС, развиваемая термопарой НК-СА, появляется только тогда, когда разность температур составляет 240° С, при этом колебания температуры холодного спая в пределах от -60 до +50° С практически не влияют на показания прибора. Характеристика такой термопары приведена на рис. 15, в.

Для получения большей величины термоэлектродвижущей силы необходимо увеличивать разность температур горячего и холодного спаев, т. е. отводить холодный спай дальше от горячего. В то же время увеличение длины и соответственно сопротивления соединительных проводов уменьшает величину тока гальванометра, измеряющего термоЭДС. Изменение сопротивления соединительных проводов вследствие колебаний температуры наружного воздуха приводит к возникновению погрешности комплекта. Поэтому выбор материала и длины проводов, соединяющих термопару с указателем, в термоэлектрических термометрах имеет очень важное значение.

Материал этих соединительных проводов может быть таким же, как и материал электродов термопары. В таком случае холодным спаем служит место подключения соединительных проводов к указателю. Однако в случае применения термопар из благородных металлов (например, из платины и ее сплавов) термоэлектродные соединительные провода выполняются из дешевых металлов, термоэлектрически идентичных термоэлектродам. Под термином «термоэлектрическая идентичность» понимается отсутствие термоЭДС в паре, составленной из соединительного провода и присоединенного термоэлектрода. Холодные спаи термоэлектродов могут выводиться и в соединительную коробку, устанавливаемую в месте, исключающем повышение ее температуры.

Во всех случаях для каждой термопары из определенных термоэлектродов необходимо применять свои термоэлектродные провода, величина электрического сопротивления которых должна быть строго определенной и не должна, зависеть от окружающей температуры. Значение сопротивления соединительных проводов, входящих в комплект термоэлектрического термометра взаимозаменяемой частью, указывается при градуировке прибора. Длину соединительных проводов изменять нельзя.

Для обеспечения взаимозаменяемости и удобства монтажа на летательном аппарате термоэлектроды А и В и соединительные провода C и D (рис.15., б), входящие в комплект термометра, изготовляются отдельно. При этом термоэлектроды выполняются короткими, а длина соединительных проводов зависит от расстояния до гальванометра.

Если холодный спай вынесен к гальванометру, то при неодинаковой температуре в точках a и b присоединения к прибору могут возникнуть паразитные термоЭДС, которые являются причиной возникновения еще одной методической погрешности термоэлектрических термометров. Чтобы уменьшить эту погрешность, точки должны быть расположены как можно ближе одна к другой.

Термоэлектрические термометры предназначены для измерения высоких температур. Термопары этих приборов защищены оболочками, обладающими жаростойкостью, газонепроницаемостью, способностью выдерживать резкие изменения температуры, хорошей теплопроводностью и механической прочностью.

По своему назначению авиационные термоэлектрические термометры можно разделить на три группы. 

К первой группе относятся термометры типа ТВГ, ИТГ и ТСТ, служащие для измерения температуры выходящих газов турбореактивных, турбовинтовых авиационных двигателей и турбостартеров.

Ко второй группе относятся термометры типа ТЦТ, измеряющие температуру головок цилиндров поршневых двигателей и других твердых тел.

В третью группу объединяются измерительные системы типа ИТ, ИА, предназначенные для измерения температуры газов, выходящих из реактивного сопла двигателе и турбин низкого и высокого давления.                     

В качестве термопреобразователей в термоэлектрических термометрах используются различные термопары.

В термометрах ТВГ, ИТГ, ТСТ используются термопары типа Т-1, Т-9, Т-11,  Т-80, Т-82К, Т-99 различных градуировок.

В измерительных системах применяются термопары типа Т-99, Т-38, Т-93.

Термопары помещают в жаропрочный корпус с камерой торможения, аналогичной показанной на рис. 17. и равномерно размещают по периметру одного сечения выходного сопла двигателя.

В термометрах ТЦТ горячий спай термоэлектрического преобразователя Т-3 градуировки ХК прикрепляется к медному кольцу, которое устанавливается под зажигательную свечу поршневого авиадвигателя.

Способы соединения термопар различны. В термометрах типа ТВГ, ТСТ термопары соединяются электрически в одну термобатарею последовательно. В измерительных системах тепмопреобразователи имеют две комбинации параллельно или параллельно - последовательно соединенных термоэлектродов, при этом одна группа термопреобразователей используется непосредственно для измерения температуры, а другая - в качестве датчика регулятора температуры. Указанные способы соединения позволяют получить суммарную термоЭДС, пропорциональную среднему значению температуры выходящих газов. Соединение термопреобразователей осуществляется в соединительных коробках, расположенных в таком месте самолета, где температура окружающей среды меняется незначительно и не превышает 100° С.

Электрические схемы термометров ТЦТ, ТВГ, ИТГ, ТСТ одинаковы, отличия заключаются только в способах соединения термопар.

Устройство термоэлектрического термометра и работу его электрической схемы рассмотрим на примере термометра ИТГ-1.

Основными элементами электрической схемы являются термопреобразователь, соединительные провода и измерительный прибор (рис.16.). Термопреобразователь ТП1 представляет собой блок параллельно соединенных термопар. ТермоЭДС преобразователя измеряется магнитоэлектрическим милливольтметром.

Зависимость угла a поворота стрелки показывающего прибора от разности температур горячего и холодного спаев рассчитывается по формуле

(31)

где:     к - постоянная гальванометра;

В - магнитная индукция;

с - жесткость противодействующей пружины;

Rt, RСП - соответственно сопротивления термопары и соединительных проводов;

R1 - подгоночное сопротивление  соединительных проводов;

Рис. 16. Принципиальная электрическая схема ИТГ-1.

R2 - добавочное сопротивление измерителя, обеспечивающее постоянство внутреннего сопротивления милливольтметра;

R3 - сопротивление рамки;

R4 - термокомпенсационное  сопротивление, предназначенное для уменьшения погрешности прибора из-за изменения сопротивления рамки указателя;

Rпp и Rб - соответственно электрические сопротивления противодействующих пружин и биметаллического корректора.

Комплект термометра ИТГ-1 состоит из измерителя ИТГ и термопар Т-99. Вместе с измерителем ИТГ могут работать термопары Т-38-3. Особенностью термометра является применение сдвоенных термопар, соединенных параллельно и образующих две самостоятельные цепи по 12 термопар Т-99 или по 7 термопар Т-38 в каждой цепи. Одна цепь подключается к указателю термометра, другая

- к регулятору температуры

Рис.17 . Термопара Т – 99: 1 – корпус; 2,3 – контактные винты; 4 – термоэлектроды; 5 – входные отверстия; 6 – камера торможения; 7 -  выходное отверстие; 8 – термоэлектродный спай; 9 – штуцер.

Сдвоенная термопара Т-99 имеет неразъемную конструкцию

(рис. 17.) и состоит из корпуса 1, термоэлектродов 4, выполненных из сплавов хромеля (положительные) и алюмеля (отрицательные), и штуцера 9. В корпусе термопары, изготовленном из жаропрочного сплава, размещены два независимо работающих термоэлектродных спая 8, находящихся непосредственно в газовом потоке. Камера торможения 6 имеет два входных отверстия 5 диаметром 3 мм и одно выходное отверстие 7 диаметром 4 мм, что позволяет получить осредненную температуру по высоте термопары. Штуцер 9 запрессован и припаян к корпусу 7 термопары. Термоэлектроды 4 приварены к контактным винтам 2 и 3. Термопары соединены в термобатарею из 12 параллельно включенных термопар и подключаются к указателю соединительными проводами из термоэлектродного материала (хромеля и алюмеля). Для подгонки сопротивления внешней цепи термометра (включая термопары) до величины (7.5+0.1) Ом при температуре +20 °С в штепсельный разъем, подходящий к указателю, впаяно дополнительное сопротивление. Головка термопары выдерживает рабочую температуру до +200°С, предельную -  до +250°С.

Указатель ИТГ-1 представляет собой магнитоэлектрический милливольтметр, магнитная система которого состоит из постоянного магнита, магнитопровода и сердечника. К магниту со стороны сердечника прикреплен полюсный наконечник в виде пластины из мягкого железа. Рамка перемещается в зазоре  между полюсной пластиной и сердечником магнитопровода. В подвижную систему прибора вместе с рамкой входят противодействующая пружина, которая одновременно служит токопроводом. На оси подвижной системы закреплена стрелка указателя.

В конструкции прибора предусмотрен биметаллический корректор, который служит для компенсации погрешности термометра, возникающей из-за изменения температуры холодного спая. При изменении температуры биметаллическая спираль поворачивает подвижную систему и стрелку прибора на дополнительный угол. Для регулировки биметаллического компенсатора служит винт.

Измеритель ИТГ-1 имеет шкалу с углом размаха 230°, диапазоном измерения от 200 до 1100°С, оцифорованную на точках 2, 4, 8, 10, соответствующих сотням градусов Цельсия (´100°С).

Нулевое положение стрелки обозначено точкой. Цена деления от 200 до 300°С и от 1000 до 1100°С – через 50°С. Цена деления на остальном участка шкалы – через 20°С. На шкале указаны шифр прибора “ИТГ-1”, градуировка “Гр. ХА”, градуировочная величина сопротивления внешней цепи “ RВН – 7.5W ” и номер  измерителя. Погрешность показаний комплекта при температуре наружного воздуха (20±5)°С составляет ±12°С в диапазоне от 450 до 750 °С; ±15° в диапазоне от 750 до 1000° С; ±30° в диапазоне от 1000 до 1100°С.

Сдвоенная измерительная аппаратура 2ИА-7 предназначена для измерения температуры газа авиационных двигателей в условиях полета и на земле.

Рабочий диапазон измерения температуры – от 300 до1000°С.

Погрешность показаний аппаратуры при температуре внешней среды (+25±10)°С составляет ±6°С в рабочем диапазоне температур и ±7°С в остальных диапазонах (0 - 300°С, 100 – 1200°С). Электропитание: ~115В ± 5% с частотой 400Гц +7%; = 27В ± 10%.

В комплект аппаратуры входят два указателя температуры УТ – 7А, сдвоенный усилитель 2УЭ-6В и две переходные колодки ПК – 9Б.

Термопреобразователем служит коллектор термопар, состоящий из 12 параллельно соединенных хромель-алюмелевых термопар типа Т-99-3, Т-93-2, Е-38-3, Т-82Г.

Радиальное расположение термопар по периметру авиадвигателя обеспечивает измерение среднемассового значения температуры выходящих газов. 

Принцип действия аппаратуры основан на компенсационном методе измерения термоЭДС. Функциональная схема одного канала системы 2ИА-7 приведена на рис.18.

Рис.18. Измерительная аппаратура 2ИА – 7.

Встречно с термоЭДС термопар включено компенсирующее напряжение, снимаемое с мостовой схемы, собранной на резисторах R9, R10, R11 и размещенной в указателе У-7А.

Мостовая схема запитывается постоянным током через стабилизатор напряжения. Величина компенсирующего напряжения моста зависит от положения напряжения токосъемника потенциометра обратной связи R9. Разность ТЭДС  и компенсирующего напряжения преобразуется с помощью входного модулятора, собранного на интегральных прерывателях ПП1 и ПП2 и входном трансформаторе ТР2, в переменное напряжение частотой 400Гц. Опорное (коммутационное) напряжение подается на модулятор через трансформатор ТР1. Таким образом, со вторичной обмотки трансформатора ТР2 будет сниматься сигнал рассогласования в виде напряжения переменного тока, которое усиливается в усилителе напряжения и усилителе мощности и подается на реверсивный двигатель отработки, перемещающий токосъемник потенциометра обратной связи до тех пор, пока компенсирующее напряжение не сравняется с измеряемой термоЭДС и их разность не станет равной нулю. Таким образом,  каждому положению токосъемника потенциометра обратной связи соответствует определенное значение термоЭДС, т. е. определенная измеряемая температура.

Двигатель через редукторы перемещает стрелки указателей грубого и точного отсчета. В указателе имеется узел сигнализации, обеспечивающий подачу сигнала при определенных показаниях прибора (рабочей или критической температуре).

В аппаратуре предусмотрена автоматическая компенсация термоЭДС холодного спая термопары напряжением мостовой схемы переходной колодки, меняющимся в зависимости от температуры холодного спая термопары. Компенсирующее напряжение мостовой схемы, одним плечом которой является термочувствительное сопротивление R8, включено встречно  с термоЭДС холодного спая  термопары. Мостовая схема запитывается от стабилизатора напряжения СН.

В состоянии равновесия термоЭДС холодного спая  уравновешена напряжением диагонали мостовой схемы, и в измерительную цепь подается сигнал от термопары, соответствующей температуре горячего спая.

При изменении температуры окружающей среды меняется ТЭДС холодного спая термопары, но одновременно меняется и напряжение диагонали мостовой схемы за счет изменения никелевого резистора R8, имеющего температуру холодного спая термопары. Это изменение напряжения диагонали мостовой схемы полностью компенсирует изменение термоЭДС холодного спая термопары.

В аппаратуре 2ИА-7 предусмотрен встроенный контроль работоспособности. При нажатии кнопки КН1  шунтируются напряжения, поступающие с  коллектора термопар и мостовой схемы колодки ПК-9Б. При этом стрелки указателя должны находится в диапазоне шкалы 0 - 150° С.

Помимо измерительной аппаратуры 2ИА-7А на самолетах устанавливаются измерительные системы 2ИА-6, ИА-11А, ИА-12А и измерители температуры ИТ-2Т. в этих термометрах термоЭДС одного или группы термопреобразователей сравниваются с напряжением постоянного  тока на выходе источника регулируемого напряжения.  Схема сравнения служит для получения компенсирующего, которое благодаря наличию следящей системы стремится быть равным или противоположным по знаку термоЭДС термопары.

Конструктивной особенностью измерительной аппаратуры ИА-11А, ИА-12А является применение в ней ленточных показывающих приборов типа ИТГП.

Авиационным термометрам свойственны погрешности: температурные методические, температурные инструментальные и динамические.

Температурные методические погрешности термометров возникают прежде всего из-за того, что температура термопреобразователя не совпадает с температурой контролируемой среды. Совпадение этих температур и, следовательно, уменьшение методической погрешности зависит от размеров, формы, материалов термопреобразователя, от условий и способа передачи тепла, от степени заторможенности газового потока.

Характер теплообмена между средой и ЧЭ влияет на динамическую погрешность, т. е. на запаздывание показаний термометра. Эта погрешность характеризуется постоянной времени t термометра и зависит от свойств прибора и скорости изменения измеряемой температуры. Для уменьшения ее в приемниках П-77 устанавливают бронзовые посеребренные пластины, в термометрах ТЦТ термопару крепят к медному кольцу, а в термопарах термоэлектрических приборов, измеряющих температуру выходящих газов, уменьшают объем камеры торможения. Применяемые меры достаточно эффективны, но позволяют снизить постоянную времени лишь до определенной величины. Например, t для преобразователей П-1 равна 3 с, для П-5 – от 2 до 3 с, для термопреобразователей ТВГ - примерно 2.5 с.

В термометрах сопротивления температурная методическая погрешность обусловлена дополнительным изменением сопротивления теплочувствительного элемента вследствие нагрева его током измерительной системы.

Изменения напряжения питания также приводят к возникновению дополнительной погрешности. Для схем с магнитоэлектрическим логометром такие погрешности существенны при колебаниях напряжения больше ±10%.

В термоэлектрических термометрах температурные методические погрешности возникают из-за изменения температуры холодного спая, возникновения паразитных термоЭДС, изменения сопротивления измерительной цепи, неполного торможения газового потока.

Для уменьшения влияния температуры холодного спая в термометрах ИТГ, ТЦТ применяют биметаллические корректоры, в термометрах ТВГ - термопары градуировок НК-СА и НК-СК, генерирующие термоЭДС при температуре горячего спая более 100 - 300° С, в измерительной аппаратуре ИА устанавливают схемы компенсации.

Инструментальные погрешности в термометрах сопротивлеия и в термоэлектрических термометрах серии ИТГ, ТВГ и ТЦТ возникают из-за изменения сопротивления рамок измерительных механизмов показывающих приборов, а также из-за влияния внешних электрических и магнитных полей, трения и т. д.

Температурные инструментальные погрешности уменьшают путем включения термочувствительных резисторов с положительным термокоэффициентом сопротивления (ТКС) в термометрах ТУЭ и ТНВ и с отрицательным ТКС в термометрах с полупроводниковым термопреобразователем, а также в термометрах ТЦТ, ТВГ, ИТГ. Для уменьшения погрешностей от влияния внешних полей в указателях термометров сопротивления применяют экран из пермаллоя.

Термометры сопротивления и термоэлектрические термометры имеют свои особенности эксплуатации.

В процессе технического обслуживания термометров сопротивления необходимо соблюдать  взаимозаменяемость приемников температуры в соответствии с их техническими xapaктepиcтиками.

При замене приемника нельзя изменять условий теплообмена. Необходимо тщательно следить за чистотой поверхности теплоприемников.

Возможные неисправности термометра сопротивления, можно проанализировать, используя  электрическую схему комплекта (рис. 17.,а).

Если стрелка указателя отклоняется вправо до упора (“зашкаливает” за максимальный предел измерения), что соответствует значению Rt ® ¥, это может быть cледствием обрыва терморезистора приемника температуры или провода, соединяющего его с прибором. Если указатель “бьет” за левую крайнюю отметку, что соответствует Rt ® 0, это указывает короткое замыкание проводов или термосопротивлении приемника.

К надежности и исправности термоэлектрических термометров предъявляются особо высокие требования, так как контроль теплового режима авиационных двигателей существенным образом влияет на предотвращение пpeждeвpeмeннoгo cнятия иx c эксплуатации и безопасность полетов. Так, при запуске двигателя, а также в полете возможны превышения значений температуры выходящих газов за предельные (критические) Ткр. Чтобы предотвратить последствия заброса  температур из-за недостаточноого внимания членов экипажа, применяют кроме автоматов ограничения устройства сигнализации о критических значениях температур. Например, в измерительной аппаратуре 2ИА – 7А  в зависимости от того, на каком объекте она устанавливается, предусмотрена сигнализация восьми значений критических температур от 670 до 975° С. Помимо этого, схемой измерения предусматривается встроенный контроль работоспособности, который в некоторых измерительных системах разделяется на контроль при работающем  и контроль при неработающем двигателе.

Для термоэлектрических термометров типа ТВГ, ТЦТ, ТСТ характерно, что их работоспособность можно проверить только при работающих двигателях. Если при этом термометр не выдает показаний или показания его занижены причинами неисправностей могут быть:

обрыв в термопаре или соединительных проводах;

неправильное присоединение проводов в клеммной колодке;

нарушение градуировки прибора;

увеличение сопротивления элементов электрической схемы;

износ деталей в подвижной системе магнитоэлектрического указателя.

5. Общие методические погрешности датчиков температуры

Механическим и электрическим датчикам температуры, соприкасающимся со средой, температура которой измеряется, свойственны следующие методические погрешности.

  1.  Погрешность из-за потерь от теплоизлучения и теплопроводности. Эта погрешность обусловлена тем, что температура стенок трубопровода отличается от измеряемой температуры газа или жидкости, текущих по этому трубопроводу. В результате наряду с полезным теплообменом между датчиком и стенками трубопровода вследствие лучеиспускания и теплопроводности.
  2.  Погрешность от неполного торможения газового потока. В термометрах, предназначенных для измерения истинной температуры Т встречного потока воздуха, возникает погрешность, причиной которой является повышение температуры датчика из-за перехода в тепло кинетической энергии потока воздуха при его торможении датчиком.
  3.  Динамическая погрешность. Эта погрешность обусловлена тем, что тепло передается от среды к чувствительному элементу с некоторым запаздыванием вследствие конечной скорости передачи тепла, зависящей от материала, массы и поверхности термопатрона.

6. Контрольные вопросы:

1. Общее определение понятия температуры?

2. Чем определяется температура в пространстве с крайне разряженной материей?

3. Какое соотношение между температурой Кельвина и Цельсия? Где впервые они начали использоваться как Международные температуры?

4. Какие параметры влияют на теплообмен между средой и чувствительным элементом?

5. По каким принципам разделяются термометры?

6. Принцип действия биметаллического термометра?

7. Принцип действия термометра сопротивления?

8. Приведите цепочки прямого и уравновешивающего преобразования терморезисторов?

9. Каким требованиям должны удовлетворять теплочувствительные элементы?

10. Назовите основные погрешности преобразователей?

11.Принцип действия термоэлектрического термометра.

12. Материалы термопар, их характеристики.

13.Схемы включения термоэлектрического термометра.

14.Погрешности термоэлектрического термометра.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29442. Характеристика отраслевой структуры национальной экономики 16.42 KB
  Характеристика отраслевой структуры национальной экономики Отраслевая структура национальной экономики заключается в группировке хозяйствующих субъектов в однородные по своему составу группы связанные однородными функциональными характеристиками – отрасли национальной экономики. Для них характерны следующие черты: повышение значения и объема отрасли услуг – интеллектуальной информационной сферы; снижение объемов добывающей отрасли по сравнению с прочими; рост промышленного производства на фоне сельскохозяйственного сектора экономики. Он...
29443. Теоретические концепции регулирования экономики: классическая и кейнсианская 16.37 KB
  В мировой экономической литературе можно выделить два основных направления механизма регулирования национального производства в условиях рынка. Первое — классическое направление автоматического саморегулирования рыночной системы
29444. Рынок и государство. Роль государства в рыночной и командно-административной экономике. Экономические функции государства 18.49 KB
  Роль государства в рыночной и командноадминистративной экономике. Экономические функции государства. Роль государства в рыночной экономике Представления о рыночной экономике как куплепродаже по свободным ценам не исчерпывает всего многообразия рыночных отношений. Основной для любого государства является факт государственного вмешательства в экономику.
29448. Модель LM 30.14 KB
  В основе построения кривой LM лежит кейнсианская теория предпочтения ликвидности объясняющая как соотношение спроса и предложения реальных запасов денежных средств определяют ставку процента. Рассмотрим построение кривой LM на основе графического анализа равновесия денежного рынка. Графический вывод кривой LM первый способ На рис. Пересечение кривой спроса с кривой предложения денег дает нам ставку процента r1 которая уравновешивает рынок денег при данном уровне дохода Y1.