Температура является мерой для описания энергетического состояния элементов конструкции, рабочей жидкости или газа. В процессе технической эксплуатации самолетов и двигателей измерения температуры занимают одно из самых основных мест.
В процессе теплообмена тепловая энергия переходит от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым, вплоть до установления теплового равновесия (выравнивания температуры). Таким образом явления теплообмена характеризуют температуру как физическую величину, определяющую направление передачи тепловой энергии.
Наибольшее распространение и применение в практике температурных измерений получили шкала Цельсия и абсолютная термодинамическая шкала Кельвина.
При построении температурной шкалы обычно выбираются две опорные точки, представляющие собой легко воспроизводимые значения температур. Обычно это температуры фазового равновесия однокомпонентных систем (точки кипения, затвердевания, таяния и т.д.). Этим температурам приписывают начало и конец или промежуточные точки температурной шкалы. За единицу шкалы принимается какая-либо целая часть этого интервала, называемая градусом, т.е.
1 градус =(t 1 -t 2)/N,
где N – число частей (делений) шкалы.
В шкале Цельсия в качестве опорных точек t 1 и t 2 приняты температуры замерзания 0 0 С и кипения 100 0 С океанской воды.
В абсолютной термодинамической шкале Кельвина за начало отсчета принят абсолютный ноль (0 К), а в качестве второй опорной точки – температура тройной точки океанской воды (273,16 К). Температура тройной точки воды – точка существования льда, воды и пара равна 273,16 К (при Р = 4,58 мм рт ст).
Для измерения температуры подбирается рабочее вещество, которое не меняет своего агрегатного состояния в пределах основного интервала температурной шкалы. Для этого вещества выбирается какое-либо свойство Е называемое термодинамическим (например, объемное или линейное расширение, электро сопротивление). Предполагая, что это свойство линейно связано с температурой, выводится основное уравнение температурной шкалы:
t = t 1 +(t 2 -t 1)(E t -E 1)/(Е 2 -E 1)
где Е 1, Е 2, Е t - значения свойства Е при температурах t 1, t 2 и t.
Данное выражение позволяет по результатам измерения величины Е определить значение измеряемой температуры.
В качестве рабочего вещества в шкале Цельсия обычно используются жидкости (ртуть, спирт и т.д.).
Виды термометров:
Жидкостные термометры (стеклянные);
Манометрические термометры (газовые и жидкостные);
Термоэлектрические термометры (термопары);
Термометры электросопротивления;
Радиационные термометры (пирометры).
Жидкостные термометры.
Действие жидкостных термометров основано на изменении объема (высоты столба) жидкости при изменении температуры.
В качестве рабочих жидкостей применяют: ртуть, толуол, этиловый спирт и д.р.
Жидкостные термометры широко применяются при измерении t 0 C жидкостей и газов.
Достоинства: широкий диапазон измеряемых температур (от -50 до 500 0 C), простота использования, высокая точность (цена деления до 0,1 0 C), нет необходимости применения в источниках питания и дополнительных приборах измерения.
Недостатки: невозможность измерения температуры в точке, чувствительность к ударам и вибрациям, значительная инерционность, невозможность дистационных измерений (датчик и «указатель» - одно целое).
Манометрические термометры.
Действие манометрических термометров основано на зависимости рабочего вещества, заключенного в замкнутом объеме. При погружении датчика термометра (термобаллона, заполненного рабочим веществом) в измеряемую среду, рабочее вещество стремится изменить свой объем, т.к. объем датчика, const, то происходит изменение давления. Давление рабочего вещества измеряется манометром, соединенным с датчиком капиллярной трубкой, длина трубки может достигать 50 м. Термометры данного типа обычно используются для дистанционного измерения температуры в пределах от –160 до +600 0 C с ценой деления до 0,1 0 C.
Термометры электросопротивления.
Действие термометра электросопротивления основано на изменении удельного сопротивления проводников электрического тока (механическая проволока) при изменении температуры. Диапазон измеряемых температур составляет от -100 до +500 0 C.
Конструктивно представляет собой сопротивление (проволока намотанная на жесткий, изолирующий каркас) диаметр проволоки 0,05-0,1мм сопротивление 45-1000м материал проволоки: медь (для температур -50 до +150 0 C), никель (от -50 до +200 0 C), платина (от -200 до +500 0 C).
Каркас с обмоткой помещается в корпус, который защищает от химических воздействий внешней среды от значительных давлений.
Достоинства : возможность дистанционных измерений и автоматической записи, широкий диапазон измеряемых температур, высокая точность измерений, простота.
Недостатки : невозможность измерения температуры в точке, значительная инерционность, требуются дополнительные источники питания и электроизмерительные приборы.
Применяются для измерения температуры воздуха на входе в двигатель, в системах КВ и ПОС, измерение температуры масла П-77, топлива, температуры в масляных полостях двигателя (термометры типа ТУЭ-48- термометр унифицированный электрический).
Радиационные термометры (пирометры)
Действие радиационного термометра основано на регистрации теплового излучения поверхности нагретого тела. По принципу действия различают яркостные и собственно радиационные пирометры. Яркостные пирометры используются для измерения относительно высоких (выше 600 0 C) температур, их действие основано на зависимости спектральной яркости поверхности нагретого тела от температуры. При проведении измерений, яркость свечения поверхности тела сравнивается с яркостью свечения нити пирометрической лампы, помещенной в поле зрения наблюдателя. Температура тела при этом определяется по величине тока, идущего на нагрев нити лампы в момент равенства яркостей. Так например, яркостный пирометр типа ОППИР позволяет измерять температуру тел в диапазоне от 700 до 6000 0 C, с погрешностью Dt менее ±20 0 C.
Радиационные термометры используются для измерения температуры поверхностей тел выше 100К. Действие радиационных термометров основано на регистрации потока излучения (фотонов). При проведении измерений поток излучения с помощью объектива направляется на фотометрическое устройство (термопару), которая вырабатывает ТЭДС пропорциональную температуре исследуемого тела.
Так например, радиационный пирометр типа РАПИД позволяет измерять температуру тел в диапазоне от 370 до 2800 К с погрешностью ±8 К.
Достоинства: дистанционность измерений, возможность бесконтактного измерения t, широкий диапазон.
Недостатки : относительная сложность.
Термоэлектрические пирометры (термопары)
Сила, вызывающая появление тока называется ТЭДС.
Величина ТЭДС зависит от природы металлов и разности температур горячего и холодного спаев. Если температуру холодного спая поддерживать постоянной (0 0 C), то величина тока (ТЭДС) будет зависеть только от температуры горячего спая. До начала измерений у термопар снимают градуировочную характеристику, в процессе которой при постоянной температуре «холодного» спая, «горячий» спай последовательно нагревают до различных температур и определяют развиваемую термопарой ТЭДС. Зависимость ТЭДС от температуры представляет собой нелинейную функцию. Термопары общепромышленного назначения выпускаются в соответствии с ГОСТ 6616-74, градуировочные таблицы термопар даны в ГОСТ 3044-77.
По материалу применяемых в термопарах проводников они делятся на две группы: термопары из благородных и неблагородных металлов.
Из первой группы нашли широкое применение термопары:
Платинородий –платиновая;
Платиноиридий-платиновая.
Эти термопары применяются для регистрации высоких температур (до 1600 0 C), для исследования процессов горения основных и форсажных камер сгорания.
К недостаткам платиновых термопар следует отнести: 1) Малая величина развиваемой ТЭДС, в связи с чем требуется высокочувствительная электроизмерительная аппаратура. 2) Большое удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления. 3) Высокая стоимость, из-за чего электроды делаются небольшой толщины и как следствие низкая механическая прочность. 4)Изменение термоэлектрических свойств в среде водорода, окиси углерода и др., что требует применение защиты.
1. в качестве термоэлектродов для термопар второй группы используются специальные сплавы (хромель – сплав на основе никеля с добавлением девяти процентов хрома, алюмель – сплав на основе никеля + Al, Mn, Co, копель – сплав меди с никелем и марганцем, никель кобальтовый сплав, НЖ – сплав никеля с железом и д.р.). Эти сплавы обладают необходимыми физическими свойствами такими как (большой уровень развиваемой ТЭДС, коррозионная стойкость и т.д.).
2. из термопар второй группы наиболее часто применяется хромель-алюмелевая ХА, хромель-копелевая ХК термопары и термопар из сплава НК-СА (никелькобальтовый сплав – специальный алюмель; термопары типа ТВГ – 11).
Основным достоинством термопар второй группы является их доступность и малая стоимость. Благодаря этому электроды можно делать значительной толщины (если при измерениях не имеет значения инерционность показаний), что увеличивает механическую прочность и снижает электрическое сопротивление электродов.
Хромель-алюмелевая термопара хорошо работает в условиях наличия окислителей и имеет практически линейную градуировочную характеристику. Недостатком данной термопары является повышенная хрупкость при температуре более 1000 0 C пригодна для длительных измерений, при температурах до 1000 0 C и при кратковременных измерениях температура до 1300 0 C .
Термопары и сплавы НК-СА – термопары типа ТВГ -11. Особенностью данных термопар является их термоэлектрическая характеристика. При изменении температуры в интервале от 0 до 200 0 C термопара практически не развивает ТЭДС, что позволяет не помещать «холодный» спай в термостат. По жаростойкости не уступает ХА термопаре, однако имеет существенный недостаток: низкий уровень развиваемой ТЭДС.
Хромель-копелевая термопара.
Применяется в основном для измерения температуры газа за компрессором. По жаростойкости уступает перечисленным выше из-за низкой жаростойкости копеля.
Достоинства: самый высокий уровень развиваемый ТЭДС. Длительные измерения температур до 600 0 C, кратковременные – температур до 800 0 C.
Термоэлектроды, соединенные между собой, помещаются в изоляционный материал. Для предохранения изолятора от механических повреждений он заключается в металлический корпус. На конце защитного корпуса имеется планка для крепления соединительных проводов.
Термоэлектроды соединяются сваркой или пайкой.
Если градуировочная характеристика термопары представляет собой прямую линию, то можно одним измерением определить среднюю температуру из показаний нескольких термопар. Термопары соединяются последовательно и образуют термобатарею, ТЭД сила батарей равна сумме ТЭД термопар.
Достоинства термопар : возможность измерения температуры в точке, широкий диапазон измерения (от 100 до 2000 0 C), возможность дистанционной передачи измерений.
Недостатки термопар: необходимость применения точных и чувствительных электроизмерительных приборов, необходимо поддерживать температуру холодного спая.
Кроме выше перечисленных способов и средств измерения температуры в практике эксплуатации АТ находят применение следующий способ: способ термометрирования по изменению агрегатного состояния вещества. Этот способ находит применение в случаях, когда необходимо проконтролировать наступление какого-либо предельного состояния. 1) например, выплавление термосвидетелей в авиационных колоссах говорит о перегреве тормоза колеса; 2) одним из диагностических признаков погасившегося разрушения подшипников опор ГТД является повышение температуры масла, откачиваемого от опор. Для этого используются термостружкосигнализаторы. В качестве чувствительного элемента используется материал, температура плавления которого равна предельной температуре масла.
Достоинство: простота.
Метод термоиндикаторных красок. Применение термоиндикаторных красок основано на том, что ряд химических веществ меняет свой цвет при нагреве выше определенной температуры и сохраняет его затем при охлаждении. Набором термоиндикаторных красок можно измерять различные температуры от 40 то 1100 0 C, а также получить распределение температуры по поверхности. Перед экспирементом образцы красок наносят на детали, которые нагревают в электропечи до различных температур и фиксируют температуры перехода и получаемые оттенки. В дальнейшем они используются для расшифровки результатов экспериментов. Так как термоиндикаторные краски регистрируют максимальную температуру во время опыта, то выход на исследуемый режим не должен сопровождаться забросами температур.
Достоинства: нет необходимости препарировать детали и узлы, не нарушаются условия теплообмена деталей с окружающей средой, можно применять для термометрирования движущихся деталей, не требуются измерительные приборы, простота применения и механическая прочность.
Недостатки: 1) невозможность измерения температуры детали на переходных режимах; 2) измеряется температура только поверхностного слоя материала.
Погрешности измерения температур, связанных с установкой термометра.
При проведении температурных измерений, как и при любых других измерениях неизбежно присутствуют ошибки. Анализируя ошибки измерений, необходимо иметь ввиду, что термометры регистрируют собственную температуру. Поэтому точность измерения зависит не только от точности регистрирующих приборов, но и от разности между температурой среды и температурой термометра. Для того чтобы уменьшить ошибку измерений, необходимо знать причину ее появления.
1. Погрешности, связанные с теплопроводностью материала термометра. Возникают в следствие того, что при погружении чувствительной части термометра в измеряемую среду, часть термометра остается за пределами среды и следовательно имеет другую температуру. Из-за этого начинается отвод тепла от чувствительной части и следовательно показания отличаются от истинной температуры. Ошибка измерений тем больше, чем больше разность температуры среды, поэтому в месте установки термометра необходимо утеплять конструкцию.
Кроме того на величину ошибки оказывает влияние и длина погружаемой части термометра – чем больше погружен термометр, тем меньше ошибка измерения.
Термометры из материалов с большим коэффициентом теплопроводности дают большую ошибку, а сравнению с термометрами из материалов с малым коэффициентом теплопроводности.
Уменьшение диаметра термометра уменьшает ошибку измерения.
Рассмотренные ошибки возникают и при измерении поля температур, имеющего большой градиент, когда разные участки термометра подвергаются воздействию разных температур.
При отсутствии больших градиентов температур ошибка связана с теплопроводностью незначительно, если длина погруженного термометра больше 20ти его диаметров.
2) Погрешности связанные с излучением тепла поверхностью термометра.
Данная погрешность зависит:
1. От разности температур стенки трубопровода и поверхности термометра (чем больше разность, тем больше ошибка). Для уменьшения ошибки стенки утепляют.
2. От коэффициента теплоотдачи от среды к термометру (чем больше коэффициент теплоотдачи, тем меньше ошибка).
3. От коэффициента лучеиспускания термометра (чем больше лучеиспускания термометра, тем больше ошибка) Для уменьшения коэффициента лучеиспускания термометра необходима шероховатость поверхности
Одним из конструктивных методов борьбы с погрешностью является экранирование термометра. За счет этого можно повысить температуру???стелки???участвующей в лучистом теплообмене с термометром. Кроме того, ошибки связанные с лучистым теплообменом сильно зависят от от температуры (чем больше температура, тем больше ошибка).
В заключение необходимо отметить, что в реальных условиях при измерении температур ошибки измерений, связанные с установкой термометров могут быть значительными. При установке термометра может исказиться температурное поле (из-за изменения линий тока газа или жидкости). Наличие частиц топлива может вызвать занижение показателей термометра из-за охлаждения его каплями, или завышенные показатели в случае догорания смеси. Кроме того поверхность термометра может являться катализатором.
3) Погрешности измерения температуры, связанные с тепловой инерционностью термометров.
Вызваны тем, что при изменении температуры среды, изменение температуры материала термометра (горячий спап, термосопротивление, объем жидкости в жидком термометре и др.) происходит с запаздыванием во времени.
В общем случае тепловая инерционность меньше, если меньше удельная теплоемкость материала, если меньше его объем и плотность.
4) Погрешности измерения температур в газовом потоке, движущемся с большой скоростью.
Причина появления погрешностей заключается в том, что температура поверхности тела помещенного в поток газа, не одинакова в различных точках.
На передней стороне тела имеется точка, в которой поток полностью тормозится и температура достигает максимального значения – температуры торможения Т * . В остальных точках поверхности температура устанавливается между Т * и Т (температурой потока газа). Средняя температура термометра лежит в пределах от Т до Т * .
Чтобы избежать погрешности, термометры предназначенные для измерения температур в высокоскоростном газовом потоке снабжают «ловушками», в которых поток тормозится и определяется Т * .
Измерение давления.
Для измерения скорости полета самолета применяется аэрометрический (манометрический) , тепловой, механический, термодинамический, ультразвуковой, доплеровский, инерциальный и др. методы.
Аэрометрический метод основан на измерении динамического напора воздуха, зависящего от скорости полета. Тепловой метод использует обдув нагретого тела потоком воздуха, от скорости j зависит теряемая при этом теплота. Механический метод использует вращение турбинки помещённой в поток. Термодинамический метод предусматривает измерение температуры торможения потока. Ультразвуковой метод основан на том, что скорость ультразвуковых колебаний, распространяющихся в воздушном потоке, относительно самолета определяется векторной суммой скорости ультразвука относительно воздуха и скорости самолета. Инерциальный метод основан на измерении ускорения и его интегрировании. В доплеровском методе используется измерение разности частот радиосигналов: излучаемые к земле и отражаемые от нее (GPS).
В ГА наиболее распространены аэрометрические методы измерения скорости полета, углов атаки α и углов скольжения.
1) Измерение давления в потоках газа и жидкости.
I. Измерение статического давления
Измерение статического давления на поверхности тел и стенках каналов осуществляется с помощью дренажирования. К форме и расположению дренажных отверстий предъявляются определенные требования:
· Ось поверхности должна быть перпендикулярна отверстию
· Диаметр отверстия должен быть в пределах 0,5-1,5 мм
· Кромки отверстия не должны иметь заусенцев, скруглений и фасок
· Вблизи отверстия стенка должна быть гладкой – без выступов, впадин и рисок
Так например наличие скругления кромки радиусом в четверть диаметра вызывает увеличение давления на 0.9%.
Наиболее часто для измерения статического давления применяют дисковые насадки. 
II. Измерение динамического давления
Динамическое давление в потоке это разность между полным и статическим давлением – используется в основном для определения скорости газодинамическим методом.
Для определения применяют насадки, представляющие собой комбинацию насадок полного и статического давлений. 
Размеры комбинированных насадок нормализованы.
III. Измерение полного давления.
При обтекании тел потоком газа или жидкости на их поверхности имеется определенное распределение давления. В точке, где скорость потока падает до нуля давление на поверхность равно полному давлению. Т.е. сумме статического и динамического давлений. Для измерения давления эту точку соединяют с манометром.
Если ось приемной трубки совпадает с направлением потока, то измеряется истинное полное давление. Если поток будет набегать под некоторым углом φ к оси (углом скоса потока), то критическая точка расположится на другом месте и манометр покажет меньшее значение давления. Простейшие насадки Г-образной формы чувствительны к скосу потока, поэтому в тех случаях, когда неизвестно направление натекания используются комбинированные насадки малочувствительные к углу скоса потока. 
В механических указателях ИВС используется косвенное ведение поправки на изменение температуры, основанное на взаимосвязи Рст и температуры.
 |
При измерении индикаторной скорости полагают, что ρвоздуха постоянна и равн ρо в норм стандартных условиях.
Конструкции манометров.
При практических измерениях давления находят применение следующие виды манометров:
· Жидкостные
· Пружинные
· Грузопоршневые
Жидкостные манометры
Применяются для измерения избыточного давления и для измерения перепада давлений. Измеряемое давление уравновешивается столбом жидкости и атмосферным давлением, а дифференциальных манометрах уравновешивается только столбом жидкости. 
В качестве жидкостей применяют дистиллированную воду (ρ=1,0), метиловый спирт (ρ=0,791), ртуть (ρ=13,546). (при t=20˚C, для воды при t=4˚C).
Требуемая точность и удобство пользования обеспечивается выбором соответствующей жидкости для заполнения манометра так, чтобы высота столба в рабочем диапазоне измеряемых давлений была 500-1500 мм.
Для уменьшения погрешности возникающей из-за капиллярных свойств жидкости, применяют калиброванные трубки с внутренним диаметром не менее 5 мм.
Достоинства : простота конструкции, широкий диапазон измерений (до 0.2 МПа), достаточная точность.
Недостатки : непрочность, использование в качестве заполнителя вредных жидкостей, сложность автоматизации измерений.
Пружинные манометры
В пружинных манометрах измеряемое давление вызывает деформацию упругих элементов. Величина деформации служит мерой давления. Пружинные манометры могут быть чисто механическими, а также совмещать в себе механическую и электрическую часть.
Манометр с трубчатой пружиной.
Давление через штуцер поступает во внутреннюю полость трубчатой пружины, под действием давления трубка стремится распрямиться, и через систему рычагов поворачивает стрелку.
Манометр с мембранной коробкой и электрическим преобразователем.
Действие давления подводимого к мембранной коробке вызывает ее деформацию, деформация коробки воспринимается потоком, воздействующим на входное звено первичного электрического преобразователя (реостатный, индуктивный, емкостный, вибрационно-частотный).
Достоинства : широкий диапазон измеряемых давлений (от 1·10 -4 до 1000МПа), точность, простота в эксплуатации.
Грузопоршневые манометры.
Измеряемое давление в грузопоршневых манометрах уравновешивается грузом и определяется по известной площади поршня и массе груза.
Наибольшее применение находят для проверки и градуировки других манометров.
Схема грузопоршневого манометра. 
Подъем поршня при измерении должен иметь определенную величину. Перед измерением тарелку приводят во вращение для снятия трения покоя.
Измерение скорости и направления потока.
При определении скорости потока используются газодинамические методы основанные на уравнении Бернулли. Для этого необходимо знать динамическое давление и плотность газа. Для определения величины динамического давления используются комбинированные насадки.
Определение направления потока.
Применяются 2 метода:
1) газодинамические
2) методы визуализации потоков.
1) Для определения направления потока газодинамическими методами используются специальные насадки. Чаще всего используется пятидырчатая насадка, позволяющая определить направление потока в пространстве. Для определения направления вектора скорости потока насадка вводится в поток и поворачивается относительно оси «a» таким образом, чтобы трубка 2 и 3 регистрировали одинаковое давление. Затем насадка поворачивается относительно оси «b» таким образом, чтобы трубки 5 и 4 регистрировали одинаковое давление. После этого направление вектора скорости совпадает с направлением трубки 1 и его определяют относительно первоначального положения насадки.
Для выяснения направления потока за плохо обтекаемыми телами используется специальная насадка, имеющий 2 трубки ориентированных в противоположные стороны друг от друга.
Достоинства : Насадки могут выполнены малых размеров (диаметры трубок 0,4-0,5 мм, наружный диаметр насадок 4-5 мм) что позволяет говорить о измерении направления потока в точке. При тщательном изготовлении и градуировке погрешность измерения не превышает 0,2˚.
Недостатки : Малая жесткость и как следствие подверженность вибрации
2) При использовании метода визуализации потока в поток вводятся:
1) твердые, жидкие или газообразные частицы (окись магния, пары минеральных масел, дым)
2) Нити или флажки (помещаются в поток легкие шелковые нити или флажки), а для горячих потоков из листовых пластин.
Данные методы широко применяются для исследования потока вблизи поверхности тел, а также в области затененного потока за телом.
Применяется при относительно малых скоростях потока (до 70 м/с).
Измерение давлений.
Измерение сил в процессе испытаний ЛА необходимо в первую очередь для определения: величины силы тяги двигателя, крутящего момента, расхода топлива весовым методом, усилия развиваемые гидро- электро- приводами и т.д. Динамометры разделяют по принципу действия на механические (пружинные или рычажные), гидравлические и упругие силоизмерители с электрическими первичными преобразователями.
Практическое применение находят рычажные, гидравлические динамометры и упругие силоизмерители с электрическими первичными преобразователями.
1) Рычажные динамометры. 
Принцип работы рычажного динамометра основан на уравновешивании момента от измеряемой силы, моментом груза Q, подвешенного на рычаг.
Простейшее исполнение рычажного динамометра. В таком исполнении динамометр неудобен из-за неравномерности шкалы. Для выравнивания шкалы поверхность сектора специально профилируют.
Кроме того широкое распространение для измерения усилий получили рычажные самоустанавливающиеся весовые элементы – рейтерные весы.
«+»: Имеют приведённую погрешность до +/- 0,05% (в зависимости от шага резьбы ходового винта). За счёт изменения плеча подвижного груза – рейтера происходит уравновешивание измеряемые усилие. На левый рычаг весов навешивается диапазонные грузы, комбинация которых позволяет получить широкий диапазон измеряемых усилий.
«-»: Значительная инерционность; необходимость установления всех люфтов и защиты шарниров.
Следующим видом динамометра являются гидравлические динамометры - (месдозы)
Принцип действия гидравлического динамометра основан на том, что под воздействием измеряемой нагрузки, давление жидкости в измерительной полости месдозы будет измеряться, и изменение давления будет являться мерой приложенного усилия.
Гидравлические динамометры имеют два конструктивных исполнения:
- Непроточная месдоза
«-»: влияние изменения температуры на показания. При наличии воздуха в полости, перемещение мембраны становится большим, в результате приходится учитывать жёсткость мембраны, так как появляются дополнительная погрешность, связанная с var жёсткостью мембраны.
2. Проточная месдоза
В проточной месдозе, в измерительной полости постоянно осуществляется циркуляция жидкости, за счёт этого обеспечивается исключение воздушных пробок и независимость от температуры.
Упругие силоизмерители с электрическими первичными преобразователями.
Представляют собой упругий измерительный элемент, деформация которого вызывает изменения параметров первичного электрического преобразователя.
Упругий динамометр с вибрационно-частотным преобразователем.
«+»: Широкий диапазон измеряемых усилий (до 1000000Н),
малая погрешность (до +/-0,5%), малоинерционны – позволяют регистрировать быстро изменение силы, позволяют производить автоматическую регистрацию, к дистанционному измерителю.
«-»: Температурные погрешности.
Измерение крутящего момента .
Измерение крутящего момента необходимо для определения мощности.
Для измерения крутящего момента используется балансирные устройства, гидравлические измерители крутящего момента, гидротормозы и электрические измерители крутящего момента – тарзиометры.
Балансирные устройства – устройства, в которых Мкр определяется по реактивному моменту на статоре при вращении ротора.
Так как Мтр в подшипниках может быть довольно существенным, то его необходимо уменьшить или учесть при определении Мкр. Для этого при отключённой от двигателя нагрузке, определяют Мб’=Мтр при каждой частоте вращения и учесть при обработке результатов эксперимента.
Гидравлические измерители крутящего момента – ИКМ.
ИКМ получили широкое распространение, входят в конструкцию двигателя и являются штатным прибором контроля.
Реактивный момент, возникающий на неподвижной шестерне планетарного редуктора (и равный Мкр), передаёт на конус двигателя через шарики, расположенные в трапецеидальных выемках.
При увеличении нагрузки шарики отжимают поршень, который перемещаясь частично перекрывает отверстие для слива масла. Это вызывает повышение давления масла под поршнем. Движение поршня прекращаются, когда сила, отжимающая его, уравновешивается давлением масла. После соответствующей градуировки давление в полости под поршнем служит мерой крутящего момента.
В результате скручивания вала под действием крутящего момента происходит изменение зазора и следовательно изменение количества слитого масла и Р, по изменению Р измеряется Мкр.
«-»: Требуется высокая точность изготовления => высокая стоимость
Гидротормоз – устройство, предназначенное для поглощения и измерения мощности и измерения Мкр.
Преимущество: удобство в эксплуатации; годны для поглощения больших мощностей; погрешность определения Мкр не > 0,5% от измеряемой величины; малые габариты.
Недостатки: большое потребления воды; нельзя применять при малых частотах вращения; необходимость поддерживать температуру сливаемой воды не более 50°С – 60°С.
Инерционность – всевозможно измерять переменные нагрузки.
Торзиометры - применяются в тех случаях, когда применение других способов затруднительно, или когда необходимо измерить быстроизменяющиеся нагрузки. Измерение момента происходит при преобразовании в электрический сигнал деформации упругих элементов.
Различают торзиометры нуждающиеся и ненуждающиеся в контактном токосъемном устройстве.
На вал, передающий измеряемый момент, наклеиваются два тензометра, расположенные перпендикулярно друг к другу и под углом 45° к оси вала. Оба тензометра включаются в два соседних плеча моста.
При таком расположении тензометров изгибающие деформации вала не оказывают влияние на точность измерения, т.к. преобразователи подвергаются одинаковому воздействию. Близкое расположение тензометров друг к другу исключает температурные погрешности.
Недостаток: необходимость токосъемников.
- Фотоэлектрические торзиометры, такие торзиометры не нуждаются в токосъемном устройстве.
Конструктивно выполнен в виде вала, на котором на базовом расстоянии L, жестко закреплены диски с радиальными прорезями.
Между дисками расположен источник света. С другой стороны каждого диска за диафрагмой расположены фотоэлементы. Диски относительно друг друга регулируются так, чтобы при вращении с нулевой нагрузкой, свет от источника попадал одновременно на оба фотоэлемента.
При измерениях, когда Мкр не равен нулю, за счет скручивания вала диска сдвинутся относительно друг друга и свет будет попадать на фотоэлементы не одновременно. По величине сдвига времени определяется величина Мкр.
Недостаток: необходимо довольно длинного вала.
Общий недостаток для торзиометров: низкая точность
Методы и приборы для измерения расхода жидкости и газа.
Измерения расхода в практике испытаний и эксплуатации АТ занимает довольно существенное место. Так, например, для оценки технического состояния плунжерного насоса используется характер изменения расхода жидкости в зависимости от давления.
Для определения силы тяги двигателя можно установить его на специальный стенд и измерить с помощью динамометра силу тяги, а можно определить силу тяги двигателя имея измеренные значения расхода воздуха, и скорости истечения из реактивного сопла.
Для определения расхода воздуха через двигатель наиболее часто используется метод измерения с помощью лемнискатного насадка.
Лемнискатный профиль обеспечивает безотрывное втекание воздуха, и, следовательно, равномерное поле скоростей на входе в двигатель.
Уравнение лемнискаты в полярных координатах r 2 =a л 2 cos 2α, где a л =(0,6-0,8) Dв 
Измерение статического давления производят в прямолинейной участке входного устройства, на расстоянии 0,25 Dв от конца лемнискаты.
Для измерения расхода необходимо определить скорость потока в сечении, с помощью комбинированного плотностью и площадь сечения насадка, плотность воздуха определяется температура и давление.
Для определения скорости, используется комбинированный насадок, для определения плотности обходимо знать давление и температуру воздуха. Температура измеряется с помощью термопары. Площадь сечения определяется с учетом затекания от установленных приемника давления и термопары. G=ρ*V*F
В случае если по каким-то причинам лемнискатный насадок не может быть установлен на двигатель, то расход газа измеряется в реактивном сопле с помощью неподвижных или качающихся гребенок полного давления и термопар.
Достатки: малое сопротивление и как следствие небольшие потери полного давления.
Недостатки: необходимость изготовления лемнискатного насадка.
1) Принцип действия расходомера переменного перепада давления основан на зависимости перепада давления, создаваемого неподвижным устройством, устанавливаемым в трубопроводе, от расхода вещества.
Из расходомеров переменного перепада давления наибольшее распространение получили р-ры точки сужающими устройствами – дроссельные р-ры.
Выполняются в виде диафрагмы, сопла или трубки Вентуры и представляют собой местное сужение трубопровода, в j происходит разгон потока и уменьшения статического давления. По перепаду, давления до дросселя и в месте сужения определяется расход жидкости или газа.
Для не сжимаемой жидкости при отсутствии трения уравнения Бернулли и неразрывности при течении через дроссельный расходомер запишутся в виде:
P 1 +ρV 1 2 /2=P 2 +ρV 2 2 /2
F 1 ·V 1 = F 2 ·V 2 =F 0 μV 2
Сопло для измерения расхода.
Сопла и диафрагмы подробно исследованы и их размеры нормализованы.
Диаметр трубопровода D>50мм. Длина прямого участка трубопровода до дроссельного расходомера должна быть не менее (15-20) D и за ним (4-8) D.
Недостатками дроссельных расходомеров является их сопротивление, дающие потери полного давления. И невозможность измерения переменных расходов; узкий диапазон измерения (Qmax=3Qmin)
Объемные и массовые расходомеры.
Объемные и массовые расходомеры применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую точность измерения расхода жидкости +\- 0,5%
Схема объемного расходомера:
Для проведения измерений электроклапан закрывается, и жидкость от насоса поступает в компенсационный бак, а воздух, находящийся в нем перетекает в основной бак и выдавливает из него топливо к потребителю. Уровень топлива в баке и поплавок через фоторезистор включает секундомер. При достижении поплавком другого фотодатчика выдается сигнал на остановку секундомера и открытие электроклапана.
При этом средний секундный расход:
q=(Vм*ρ)/τ, где
Vм - мерный объем;
Ρ – плотность жидкости;
τ – время расходования мерного объема.
Недостатки: невозможность измерения мгновенного расхода; длительность замера и подготовки к замеру; необходимость измерения температуры, для определения плотности жидкости; трудность использования в магистралях с высоким давлением.
2) Расходомеры обтекания.
Принцип действия расходомеров обтекания основан на зависимости перемещения тела помещенного в поток от расхода.
Форма обтекаемых тел различна: поплавок, поршень, шар, диск, крыло и т.д. В большинстве приборов тело помещается прямолинейно вдоль своей вертикальной оси. У некоторых приборов тело поворачивается вокруг оси подвеса. Величина перемещения или угла поворота является мерой расхода.
А) Ротаметр – представляет собой коническую стеклянную трубку, расходящуюся вверх. На трубке нанесенные деления шкалы. Внутри трубки перемещается поплавок с косыми прорезями. Лоток движется по трубке поднимает поплавок до уровня, при котором динамическое сопротивление уравновешивает вес поплавка. Косые прорези на ободе поплавка вызывают его вращение центрирование его посреди потока. Кроме ротаметров имеющих наиболее широкое применение, используются так де следующие типы расходомеров обтекания.
б) Поплавковый расходомер
в) Поршневой расходомер
г) Шариковый расходомер
в шариковом расходомеров трубке изогнутой по дуге окружности и имеющий const сечения, под напором потока перемещается шарик. Противодействующей силой является проекция от веса шарика на ось трубки.
д) Расходомер с поворотной лопастью. Угол поворота является мерой расхода.
Преимущество: большой диапазон измерений, простота.
Недостатки: вибрация лопасти.
Ротаметры:
преимущество: простота конструкции, удобство применения, значительный диапазон измерений;
недостатки: отсутствие записи и передачи показаний на расстояние, хрупкость, непригодность для больших давлений и температур, довольно высокий уровень погрешности (до 2,5 %)
3) Тахометрические расходомеры.
Принцип работы т.р. основан на зависимости от устройства тахометрические расходомеры подразделяются на турбинные и камерные.
Турбинные расходомеры выполняются 2-х типом:
а) с тангенциальной турбиной
б) с аксиальной турбиной
В состав р-ра входит устройство для измерения угловой скорости вращения турбинки. 1.-электрический тахометрический преобразователь имеющий связь с турбинкой и нагружающий ее; 2.- устройства для бесконтактного (ненагруженного) измерения оборотов.
а) примером тахометрического нагруженного турбинного расходомера может быть следующая схема
б) ненагруженный тахометрический турбинный расходомер
Турбинные расх-ры применяются для измерения самых различных жидкостей, кроме очень вязких и сильно загрязненных. Для измерения газа применяются редка (т.к. из-за малой плотности газа à движущий момент незначительный, при больших скоростях газа à ускоренный износ опор).
Камерными называются тахометрические расходомеры, имеющие подвижные элементы, которые при движении (вращении) отмеривают определенные объемы.
Наиболее часто применяются шестеренчатые расходомеры и лопастные.
Камерные расходомеры применяются для измерения расхода жидкости и газа, имеют малую погрешность +\-0,5%-1,5%. Некоторые разновидности применяются для жидкостей имеющих вязкость до 300сСт.
Преимущества: наиболее точные.
Недостатки: тахометрические приборы измеряют объемный расход, при необходимости измерения массового расхода она дополняются устройством для определения плотности к счетно-решающей схемой.; очень чувствительные к загрязнениям и механическим примесям.
4) Ультразвуковые расходомеры.
Принцип работы ультразвуковых расходомеров основан на зависимости времени прохождения ультразвука через поток, от скорости движущегося потока.
При этом направление УЗК могут направлятся по и против потока, перпендикулярно потоку.
Основным элементом ультразвуковых расходомеров является приемники и излучатели УЗК. Их действие основано на пьезоэлектрическом эффекте.
Частота от десятков кГц до нескольких МГц. Время прохождения сигнала УЗК от излучателя до приемника
L – расстояние между приемником и излучателем.
C – скорость звука в данной среде (1000-1500м\с)
V – скорость потока.
Таким образом время прохождения сигнала прямо пропорционально скорости потока. Измерив Δτ – определяют V и расход.
5) Тепловые расходомеры.
Принцип действия теплового расходомера основан на том, что температура нагреваемого тела установленного в тепловой расходомер зависит от расхода вещества.
а) тепловой расходомер с термосопротивлением.
б) Тепловой расходомер с термопарой.
Калометрический тепловой расходомер – представляет собой две термопары помещаемые перед и за нагревательным элементом.
Преимущество: измерение массового расхода, могут применятся в трубах большого диаметра.
Недостатки: инерционность. 
Принята международная температурная шкала, в которой точке кипения воды (при нормальных условиях) приписано значение 100°, а точке таяния льда 0°. Температуры, измеренные по международной шкале, обозначаются через t, а численные значения сопропождаются знаком °С (полное наименование этого индекса «градус стоградусной шкалы»). В применявшихся ранее Шкалах Цельсия (°Ц), Реомюра (°Р) и Фаренгейта (°Ф) за основу принимались те же точки кипения воды и таяния льда, но приписывались им другие численные значения.
В прошлом специфические температурные измерения имели довольно широкое распространение. Например, в паровых котлах (без пароперегревателя) температуру насыщенного пара определяли, измеряя его давление, температуру поверхности нагретого металла определяли по цвету побежалости, по цвету свечения (визуально, па глаз). Однако в большинстве случаев физические свойства измеряемой системы зависят не только от температуры, но и от других ее свойств. Поэтому для определения температуры прибегают к введению в схему измерения так называемого измеряющего тела, физические свойства которого и их изменения в зависимости от температуры хорошо изучены.
Определение температуры какой-либо системы (среды) основывается на допущении, что между этой системой и измеряющим телом существует полное термодинамическое равновесие, т. е. отсутствует переход тепла. Обычно полностью достичь такого равновесия не удается из-за непостоянства температуры измеряемой среды, отвода тепла от измеряющего тела (например, по оболочке термопары), теплообмена излучением и т. д.
Методы и приборы для измерения температур классифицируются в зависимости от того, какие физические свойства измеряющего тела используются для определения температуры. Все методы разделяются па две основные группы, каждая из которых имеет свое подразделение.
- Группа I. Контактные методы (методы непосредственного соприкосновения) - измеряющее тело приводится в непосредственное соприкосновение с измеряемой системой (средой, телом).
- Класс А. Методы, основанные на тепловом расширении измеряющих тел: а) твердых тел; б) жидкостей; в) газов.
- Класс Б. Термометры электрического сопротивления1.
- Класс В. Термоэлектрические пирометры.
- Класс Г. Методы, основанные на изменении состояния измеряющего тела: а) точки плавления; б) точки кипения; в) упругости паров; г) изменения цвета.
- Класс Д. Калориметрические пирометры.
- Группа II. Неконтактные методы -измеряющее тело обычно Представляет вид радиометра 2, расположенного на расстоянии от И меряемой системы.
- Класс А. Измерение лучеиспускания абсолютно черного тела: а) пирометры полного излучения (радиационные); б) пирометры частичного излучения (оптические).
ЖИДКОСТНЫЕ СТЕКЛЯННЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ
Действие и устройство жикостных стеклянных термометровТермометры этого типа - самые первые приборы для измерения температур. На их базе создавались первые температурные шкалы Ломоносова, Цельсия, Реомюра и Фаренгейта, ими впервые оборудовались тепловые агрегаты. В настоящее время имеется значительное число более совершенных приборов для измерения температур.
Однако, несмотря па это, жидкостные стеклянные термометры имеют большое распространение в лабораторной и промышленной технике.
Типы термометров
Существуют две основные конструкции ЖИДКОСТНЫХ стеклянных термометров: палочные и со вложенной шкальной пластиной.
Палочный термометр имеет толстостенный капилляр с наружным диаметром 5,5-8 мм. Шкала (отметки и цифры) наносятся на внешней поверхности капилляра. В термометре второго типа шкала нанесена на специальной пластинке из молочного стекла, помещенной сзади тонкостенного капилляра, соединенного со ртутным резервуаром. Капилляр и шкальная пластинка заключены в наружную стеклянную оболочку, припаянную к резервуару.
Жидкостные стеклянные термометры по назначению разделяются на образцовые и рабочие. Здесь будут рассмотрены только рабочие термометры, нашедшие широкое применение и технике. Они разделяются на лабораторные, технические и ряд других.
В результаты измерений технических термометров не вносятся никакие поправки; погрешности их не должны выходить из допусков, установленных ГОСТами.
Лабораторные термометры изготовляются как со вложенной шкальной пластинкой, так и палочные.
Технические ртутные термометры общепромышленного применения типа выпускаются только со вложенной пластинкой.
У термометров с постоянными впаянными контактами в капилляр впаяны нулевой контакт, находящийся ниже начала шкалы, и один, два или три рабочих контакта, впаянные в местах, соответствующих значениям температуры, при которых должны подаваться сигналы.
Преимуществом данной конструкции контактного термометра является его простота. Однако впаянные контакты не позволяют и менять на конкретном термометре сигнализируемую (регулируемую) температуру, что часто бывает необходимо в производственных зданииях.
Погрешности жидкостно-стеклянных термометров
Величина основной погрешности, возникающей при нормальных условиях эксплуатации, устанавливается техническими условиями на конкретные типы термометров. Она зависит от типа термометров, температурного интервала измерений, цены наименьшего деления шкалы. Кроме основной погрешности, имеется ряд дополнительных погрешностей, суммарное значение которых может быть значительным. Перечислим некоторые из них.
I. Несовпадение измеряемой температуры и температуры самого термометра. Как и в других контактных видах измерения, температура самого термометра (а следовательно, отсчет по шкалам) будет отличаться от температуры среды вследствие отвода тепла по телу термометра и металлической оправе, лучистого теплообмена и т. д.
Все гермометры (и лабораторные, и технические) при выпуске проходят государственную поверку. Если термометры удовлетворяют требованиям в отношении допустимой Погрешности, то они клеймятся и могут быть выпущены в эксплуатацию. Лабораторные термометры, кроме того, снабжаются свидетельством, в котором указаны величины поправок на разных отметках шкалы и величина смещения пулевой точки, для того чтобы иметь ВОЗМОЖНОСТЬ вводить поправку в показания термометра.
Защитные оправы для технических термометров
Для удобства монтажа термометров, предохранения их от механических повреждении, а также для безопасной работы в случае установки их на агрегатах, находящихся под избыточным давлением, применяют защитные оправы. Согласно ГОСТу оправы разделяются в зависимости:
- от применения - на оправы, применяемые при условном давлении до 64 кГ/см2 и изолирующие резервуар термометра от непосредственного соприкосновения с измеряемой средой, и оправы открытые и перфорированные, применяемые при избыточном давлении, равном нулю, и допускающие непосредственное соприкосновение резервуара термометра с измеряемой средой;
- от способа крепления - на резьбовые и фланцевые;
- от формы нижней части - на прямые и изогнутые под углом 90, 120 и 135°;
- от длины нижней части - на 10 номеров.
- зависимости от давления измеряемой среды и от ее температуры нижняя часть оправы изготовляется из медных, латунных или стальник труб толщиной стенок 1-1,5 мм. Размеры, обозначенные на фигуре буквами, берутся в зависимости от длины хвостовой части термометра.
Помимо оправ, выпускаемых по ГОСТу, выпускаются оправы для работы в условиях специфических воздействий на них измеряемой среды или более высоких внешних нагрузок; они должны изготавливаться из материалов соответствующего качества и необходимых размеров.
Классификация средств измерения температуры
Классификация средств измерения температуры ведется по используемому термометрическому свойству:
1. Изменение давления рабочего вещества при постоянном объеме:
Газовые; пределы измерения -150…600 0 С;
Жидкостные; пределы измерения -150…600 0 С;
Конденсационные; пределы измерения -50…350 0 С.
2. Термоэлектрический эффект (термо ЭДС)
Термоэлектрические преобразователи (термопары); пределы измерения -200…2200 0 С.
3. Измерение электрического сопротивления
Металлические термопреобразователи сопротивления; пределы измерения -260…1100 0 С;
Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления; пределы измерения -240…300 0 С;
4. Пирометры излучения
Квазимонохроматические; пределы измерения 700…6000 0 С;
Спектрально отношения; пределы измерения 1400…2800 0 С;
Радиационные; пределы измерения 50…3500 0 С.
Манометрические термометры
Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего вещества в замкнутом объеме от температуры. В соответствии с агрегатным состоянием рабочего вещества в термосистеме манометрические термометры подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные).
Могут использоваться для измерения температур в диапазоне от -150 до +600 0 С. Диапазон измерения определяется свойствами рабочего вещества. Термометры с специальным наполнением могут применяться в диапазоне 100…1000 0 С.
|
Термосистема манометрического термометра (рис. 1) состоит из термобаллона 1, капилляра 2, плоской трубчатой пружины 3. Термосистема заполнена рабочим веществом в указанной замкнутой системе. Термобаллон помещается в среду, температуру которой необходимо измерить. При нагревании рабочее вещество расширяется и, поскольку система замкнутая, внутри ее давление увеличивается. Вследствие этого плоская пружина стремиться принять круглый профиль и она распрямляется, а свободный конец перемещается. Перемещение через тягу 5 передается на зубчатый сектор 6, который находится в зацеплении с зубчатым колесом 7. На ось колеса насажена стрелка указателя 8, которая вместе со шкалой 9 образуют отсчетное устройство прибора.
Для создания противодействующего момента предусмотрена 10, один конец которой закреплен на зубчатом колесе, а другой - на станине прибора. Влияние температуры окружающей среды на показания прибора компенсируется биметаллическим или инварным компенсатором 4.
Термобаллон - цилиндр, изготовленный из латуни или специальных сталей, стойких к воздействиям агрессивных сред. Диаметр термобаллона 5…30 мм, длина - 60…500 мм.
Капилляр - медная или стальная трубка с внутренним диаметром 0,1…0,5 мм. Длина капилляра в зависимости от эксплуатационных требований колеблется от нескольких сантиметров до 60 м. Медные капилляры имеют стальную пружинную защитную оболочку, предохраняющую их от механических повреждений в процессе монтажа и эксплуатации.
Для улучшении метрологических характеристик к манометрическим пружинам предъявляется ряд требований. С целью уменьшения температурной погрешности пружина должна иметь по возможности малый объем. Пружина должна иметь возможность раскручиваться на больший угол и свободный ее конец должен обладать значительным тяговым усилием для механического перемещения дополнительных устройств.
В зависимости от конструкции измерительной системы манометрического термометра он бывает показывающий, самопишущий, бесшкальный со встроенным датчиком для дистанционной передачи показаний на расстояние.
Газовые манометрические термометры предназначены для измерения температур в диапазоне -150…600 0 С. Термометрическое вещество - гелий или азот. Принцип работы основан на законе Гей-Люссака:
P t = P 0 (1 + βt) (9)
где Р 0 и Р t - давление при 0 0 С и при t ;
β - термометрический коэффициент давления газа, равный 1/273,15 или 0,00366 К -1 .
Теоретически линейная связь между Р t и t в соответствии с законом строго не сохраняется для реальных систем. Это связано с тем, что с изменением давления изменяется объем манометрической пружины, а с изменением температуры меняется объем термобаллона, а также происходит массообмен между термобаллоном и капиллярной трубкой. В тоже время эти изменения незначительны и практически можно считать, что шкалы газовых манометрических термометров равномерны.
Жидкостные манометрические термометры . В качестве термометрического вещества используется ртуть под давлением 10…15 МПа при нормальной температуре или толуол, ксилол, пропиловый спирт, силиконовые жидкости и т.п. вещества при давлении 0,5…5 МПа. При ртутном заполнении диапазон измерений составляет -30…600 0 С, а для органических жидкостей - 150…300 0 С.
Ввиду того, что жидкость практически несжимаема, объем термобаллона жидкостных манометрических термометров в отличии от газовых должен быть согласован со свойствами используемой манометрической пружины.
При изменении температуры в диапазоне от начальной t н до конечной t к их термобаллона объемом V τ вытесняется жидкость объемом DV τ :
DV τ = V τ (β ж - 3α)(t к - t н) (10)
где β ж - температурный коэффициент объемного расширения жидкости;
α - коэффициент линейного расширения материала термобаллона.
В жидкостных манометрических термометрах, как и в газовых, имеет место погрешность от изменения температуры окружающей среды. Для уменьшения этой погрешности принимаются те же меры, что и для компенсации указанной погрешности в газовых термометрах. Действие инварного компенсатора основано на том, что в капиллярную трубку помещается проволока из инвара и рабочее вещество оказывается в кольцевом зазоре между проволокой и стенкой капилляра. Диаметр проволоки выбирают таким, чтобы при повышении температуры в капилляре приращение кольцевого зазора было тем же, что и приращение объема жидкости в зазоре.
Манометрическим жидкостным термометрам свойственна гидростатическая погрешность, вызванная различным расположением измерительной части относительно термобаллона по высоте. Эта погрешность устраняется после монтажа прибора путем смещения указателя прибора на нужное деление по шкале.
Конденсационные манометрические термометры. В качестве термометрического вещества в этих термометрах используются легкокипящие жидкости, в частности пропан, этиловый эфир, ацетон, толуол, хлористый метил и т.п. В зависимости от используемого рабочего вещества диапазон измерений лежит в интервале -50…+350 0 С. Специально изготовленные конденсационные термометры применяются для измерения сверхнизких температур. Например, при заполнении гелием можно измерять температуру от 0,8К. Термобаллон термометра заполнен конденсатом на 0,7…0,75 объема, а над конденсатом находится насыщенный пар этой же жидкости (рис. 2).
Рис. 2 Термобаллон конденсационного термометра низкокипящих жидкостей от температуры Т :
(11)
где L - скрытая теплота испарения;
V п и V ж - удельные объемы пара и жидкости соответственно.
Давление в термосистеме конденсационного термометра равно давлению насыщенного пара при температуре рабочей жидкости, которая, в свою очередь, равна температуре измеряемой среды с помещенным в нее термобаллоном. Зависимость давления насыщенного пара от температуры однозначна (до критической температуры), но нелинейна, вследствие чего шкалы конденсационных термометров имеют значительную неравномерность. Для получения равномерной шкалы конденсационные термометры снабжают специальным линеаризирующим устройством. Рабочее давление в конденсационных термометрах зависит только от пределов измерения и закона изменения давления насыщенного пара от температуры.
В связи с этим изменение температуры окружающей среды не оказывают влияния на показания прибора. Действительно, если повышается температура капилляра и манометрической пружины, то объем наполняющей их жидкости увеличивается и частично вытесняется в Термобаллон, где часть объема насыщенного пара сконденсируется и давление в термосистеме не изменится. В силу того, что Термобаллон может быть выполнен малых размеров, эти термометры менее инерционны, чем другие. Кроме того, они более чувствительны, так как давление насыщенного пара резко изменяется с изменением температуры.
Конденсационным термометрам присуща гидростатическая погрешность и погрешность от изменения барометрического давления. Первая компенсируется аналогично жидкостным. Вторая имеет место лишь на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме невелико.
Манометрические термометры - достаточно простые устройства, позволяющие осуществлять автоматическую регистрацию измерений и передачу их на расстояние. Важное достоинство - возможность использования их на взрывоопасных объектах. Недостатки: необходимость частой поверки из-за возможной разгерметизации прибора и сложность ремонта.
Промышленные манометрические термометры имеют класс точности 1…4.
Передаточная функция манометрического термометра может иметь вид:
(12)
Измерение температуры термоэлектрическими термометрами - термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) основано на использовании открытого в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком термоэлектрического эффекта.
Термоэлектрический преобразователь представляет собой цепь, состоящую из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников.
Рис. 3 Схема ТЭП
При размыкании такой цепи на ее концах может быть измерена так называемая термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Следует отметить, что рассматриваемый эффект обладает обратным свойством: если в такую цепь из вне подать электрический ток, то один спай будет охлаждаться, а другой - нагреваться (эффект Пельтье, Жан Шарль Атаназ; французский физик).
Возникновение термоЭДС в современной физике объясняют различной работой выхода электронов различных металлов и поэтому при соприкосновении этих металлов возникает контактная разность потенциалов. Кроме того, при различии температур концов проводников в них возникает диффузия электронов, приводящих к возникновению разности потенциалов на концах проводников. Т.о., оба указанных фактора - контактная разность потенциалов и диффузия электронов - являются слагаемыми результирующей термоЭДС цепи, значение которой в конечном итоге зависит от природы термоэлектродов и разности температур спаев ТЭП.
Для математической формализации соотношения между контактной термоЭДС и результирующей термоЭДС цепи необходимо принять ряд условий. Один термоэлектрод, от которого в спае с меньшей температурой ток идет к другому термоэлектроду, принято считать положительным, а другой - отрицательным.
Обозначим контактную термоЭДС в спае между электродами А и В при температуре t как е АВ (t). Указанная запись означает, что если электрод А положительный и он в написании идет первым, то термоЭДС е АВ (t) имеет положительный знак.
При принятом условии запись е ВА (t) будет означать, что эта термоЭДС учтена с отрицательным знаком в соответствии с законом Вольта: в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при равновесии температур спаев термоток цепи равен нулю.
Исходя из этого можно заключить, что если спаи 1 и 2 имеют одну и туже температуру, например t 0 , то контактные термоЭДС в каждом спае равны между собой и действуют навстречу, и поэтому результирующая термоЭДС такого контура Е АВ (t 0 t 0) равна нулю, т.е.:
Е АВ (t 0 t 0) = e AB (t 0) - e AB (t 0) = 0 (13)
или с учетом того, что e AB (t 0) = - e B А (t 0),
Е АВ (t 0 t 0) = e AB (t 0) + e B А (t 0) = 0 (14)
Рассматривая это выражение с формальной точки зрения, можно принять следующее правило: результирующая термоЭДС контура равна арифметической сумме контактных термоЭДС, в символе которых очередность записи термоэлектродов соответствует направлению обхода контура (например, против движения часовой стрелки).
Для замкнутой цепи (рис. 3) результирующая термоЭДС составит:
Е АВ (t t 0) = e AB (t) + e ВА (t 0) (15)
или Е АВ (t t 0) = e AB (t) - e АВ (t 0) (16)
это уравнение называют основным уравнением ТЭП. Из него следует, что возникающая в контуре термоЭДС Е АВ (t t 0) зависит от разности функций температур t и t 0 . Если сделать t 0 = const, то
e AB (t 0) = с = const
и Е АВ (tt 0) t= const = e AB (t) - c = f(t) (17)
При известной зависимости путем измерения термоЭДС в контуре ТЭП может быть найдена температура t в объекте измерения, если температура t = const. Спай, погружаемый в объект измерения, называют рабочим (горячим) спаем или концом, а спай вне объекта - свободным (холодным) спаем или концом.
Следует отметить, что в явном виде зависимость
E = f(t) (18)
для конкретно используемых термоэлектродных материалов пока не может быть получена аналитически с достаточной точностью. Поэтому при измерении температур эта зависимость для различных ТЭП устанавливается экспериментальным путем методом градуировки и последующего нормирования или построения графика зависимости термоЭДС от температуры. В процессе градуировки температура свободных концов ТЭП должна поддерживаться постоянной на уровне t 0 = 0 0 C.
Необходимо подчеркнуть, что генерируемая в контуре ТЭП термоЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от размеров термоэлектродов и спаев.
Включение измерительного прибора в цепь ТЭП. Для измерения термоЭДС в цепь ТЭП включают измерительный прибор по одной из двух схем:
Рис. 4 Схемы включения прибора в цепь ТЭП
Обе схемы включения прибора можно представить как включение в цепь еще одного проводника С . При включении измерительного в разрыв спая свободного конца (схема а ) ТЭП имеет один рабочий спай 1 и два свободных спая 2 и 3.
При включении по схеме б ТЭП имеет четыре спая: рабочий 1, свободный 2 и два нейтральных 3 и 4 при постоянной температуре t 1 . Несмотря на внешнее различие схем, термоЭДС в обоих случаях будут одинаковы, если концы проводника С будут равны.
Для схемы а имеем:
Е АВС (tt 0 t 0) = e AB (t) + e В C (t 0) + e CA (t 0) = 0 (19)
Если температура всех спаев одинакова, то
E ABC (t 0 t 0 t 0) = e AB (t 0) + e BC (t 0) + e CA (t 0) = 0 (20)
e B А (t 0) = e BC (t 0) + e CA (t 0) (21)
Подставляя (21) в (19), получим
E ABC (tt 0 t 0) = e AB (t) + e BA (t 0) = e AB (t 0) = e AB (t) - e AB (t 0) = E(tt 0) (22)
т.е. уравнение полностью совпадает с основным уравнением ТЭП.
Для цепи б имеем:
Е АВС (tt 1 t 0) = e AB (t) + e BC (t 1) + e CB (t 1) + e BA (t 0) (22)
Учитывая, что e BC (t 1) = - e CB (t 1) и e BA (t 0) = -e AB (t 0), то
Е АВС (tt 1 t 0) = e AB (t) - e AB (t 0) = E(tt 0), (23)
т.е. уравнение (23) полностью совпадает с основным уравнением ТЭП.
Это свидетельствует, что введение третьего проводника на влияет на величину термоЭДС , и таким образом обе схемы включения измерительного прибора правомочны.
Поправка на температуру свободных концов ТЭП . Если температура t 0 ’ свободных концов ТЭП отлична от нуля, то показание измерительного прибора при температуре tрабочих концов будет соответствовать генерируемой в этом случае термоЭДС, равной
E(tt 0 ’) = e AB (t) - e AB (t 0 ’) (24)
Как отмечалось, градуировочная таблица или график зависимости термоЭДС от температуры соответствует условию, когда температура t 0 свободных концов термопары равна нулю. Если это условие сохраняется в процессе измерения, то
Е АВ (t 0 t 0) = e AB (t) - e AB (t 0) (25)
Вычтем из (25) выражение (24), тогда
E AB (tt 0) = E(tt 0 ’) + (26)
E AB (tt 0) = E AB (tt 0 ’) + E AB (t 0 ’ t 0) (27)
Здесь E AB (t 0 ’ t 0) представляет собой поправку, определяемую из градуировочных данных используемых ТЭП по измеренной температуре свободных концов. Найденное значение E AB (t 0 ’ t 0) прибавляется к измеренному прибором значению температуры E AB (t 0 ’ t 0) , если t 0 ’ > t 0 = 0, и отнимается при t 0 ’ < t 0 = 0. по значению полученного результата из градуировочной таблицы или графика находят искомую температуру.
Удлиняющие провода и термостатирование свободных концов . Для исключения влияния температуры измеряемого объекта на свободные концы ТЭП их следует удалить из зоны с переменной температурой. Для этого целесообразно удлинять не сами термоэлектроды, а продлевать их с помощью специальных проводов. Если провода выбраны правильно, то места их подключения к измерительному прибору рассматриваются как свободные концы.
Условия, которым должны отвечать термоэлектродные провода, определим из схемы рис. 5.
Рис. 5 Схема соединения ТЭП с ИП термокомпенсационными проводами развиваемая в цепи термоЭДС
E = e AB (t) + e BD (t 1) + e DC (t 0) + e CF (t 0) +e FA (t 1) (28)
Если принять, что все спаи имеют температуру t 1 , то
e AB (t 1) + e BD (t 1) + e DC (t 1) + e CF (t 1) +e FA (t 1) = 0 (29)
Вычитая (29) из (28) и имея ввиду уравнение (21), получим
Е = + = E AB (tt 1) + E FD (t 1 t 0) (30)
Пусть провода F и D имеют характеристику, совпадающую с термоэлектродами в интервале 0 0 С…100 ~ 120 0 С, то есть
E FD (t 1 t 0) = E AB (t 1 t 0) (31)
Тогда получим
Е = E AB (tt 1) + E AB (t 1 t 0) = E AB (tt 0) (32)
В практике подбор проводов производят по таблицам.
Свободные концы, удаленные от объекта измерения, подлежат термостатированию. Термостатирование при t = 0 0 С осуществляется путем погружения концов в пробирку с маслом, находящуюся в сосуде Дьюара с тающим льдом.
Для поддержания свободных концов при температуре, отличной от 0 0 С, используют коробки холодных спаев КХС, снабженные простым автоматическим биметаллическим терморегулятором. Обычно поддерживается температура 5060,5 0 С.
Способы соединения ТЭП . Соединяя между собой термопары различным образом, можно для конкретных задач измерения значительно улучшить их точность.
Рис. 6 Схемы соединения термоэлектрических преобразователей
При необходимости измерения разности температур используется дифференциальный способ соединения (рис. 6а). Здесь оба конца 1 и 2 являются рабочими и помещаются в среды с температурами t 1 и t 2 . Нейтральные концы 3 и 4 должны иметь одинаковую температуру t 0 . По развиваемой в контуре термоЭДС E(t 1 t 2) определяют разность t 1 - t 2 , используя соответствующий участок градуировочной кривой.
Если температура t измеряемого объекта незначительно отличается от температуры t 0 свободных концов ТЭП, то используют термобатарею, представляющую собой систему из n последовательно включенных ТЭП. Суммарная термоЭДС в контуре батареи в n раз больше, чем в одном ТЭП, т.е. равна nE AB (tt 0), благодаря чему увеличивается чувствительность измерения.
Термобатареи, собранные по схеме в рис. 6, называют дифференциальными преобразователями, с помощью которых измеряют любую разность температур. Здесь спаи 1 и 2 являются рабочими и располагаются в средах с температурами t 1 и t 2 , a спаи 3 и 4 действительно нейтральными с одинаковой температурой t 0 . Результирующая термоЭДС равна nE(t 1 t 2).
Требования к материалам ТЭП .
Несмотря на то, что любые два проводника способны развивать термоЭДС, лишь ограниченное число термоэлектродов используются для создания ТЭП.
К материалам термоэлектродов предъявляется ряд требований:
Однозначная и по возможности близкая к линейной зависимость термоЭДС от температуры;
Жаростойкость и механическая прочность с целью измерения высоких температур;
Химическая инертность;
Термоэлектрическая однородность материала электрода по его длине, что позволяет восстанавливать рабочий спай без переградуировки, а также менять глубину его погружения;
Технологичность изготовления с целью получения взаимозаменяемости по термоэлектрическим свойствам материалов;
Дешевизна;
Стабильность и воспроизводимость термоэлектрических свойств, что позволяет создать стандартные градуировки.
Ни один из существующих в настоящее время материалов не удовлетворяет полностью всем требованиям, в результате чего для различных пределов измерений термоэлектроды из различных материалов.
Сегодня наша промышленность выпускает достаточно большое количество типов ТЭП, способных измерять температуры в диапазоне от -270 0 С до 2500 0 С. Межгосударственный стандарт ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия» определяет понятия термоэлектрического преобразователя и термопары. Термоэлектрический преобразователь - устройство с металлическими термопарами в качестве термочувствительных элементов, предназначенных для измерения температуры. Термопара - два проводника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры. В стандарте нормализованы требования к 12 типам термопар (ТП), некоторые из них представлены в таблице 1.
Таблица 1 Характеристика основных видов ТП
Продолжение табл. 1
При выборе термопар особое внимание необходимо обращать на рабочую атмосферу измеряемой среды. Некоторые типы термопар имеют ограниченную область применения из-за своего химического состава или вредного воздействия рабочей среды на материалы термоэлектродов.
Рабочие среды подразделяются на окислительную, восстановительную и инертную. Под окислительной средой обычно подразумевается воздух (21% объема О 2) или смесь газов при избытке кислорода, в которой происходит окисление вещества. Присоединение атомами кислорода (образование оксида) - частный случай реакции окисления. Слабоокислительная среда содержит кислород в смеси газов на уровне 2…3%. В восстановительной среде идут химические реакции, в которых атомы и ионы присоединяют электроны. При этом происходит понижение валентности элемента. Примеры восстановительных сред - сухой водород Н 2 , СО, углесодержащие газовые среды, эндогаз, экзогаз, коксовый и доменный газы, диссоциированный аммиак, выхлопные газы камер сгорания. Инертная среда существует в газах N 2 , Ar, He и других инертных.
| Тип термопары | Рабочие атмосферы | |||
| окислительная | восстановительная | инертная | вакуум | |
| ТМКн (Т) | ++ | + | + | + |
| ТХК | ++ | - | + | + |
| ТХКн (Е) | ++ | - | + | + |
| ТЖК (J) | ++ | ++ | + | + |
| ТХА (К) | ++ | - | + | + |
| ТНН (N) | ++ | - | + | + |
| ТПП(R,S) | ++ | - | + | + |
| ТПР (В) | ++ | - | + | + |
| ТВР | - | Н 2 ++ | ++ | ++ |
2. «+» - эксплуатация в данной атмосфере возможна;
Конструкция ТЭП . Для предохранения от механических повреждений и вредного влияния объекта измерения термоэлектроды преобразователя помещают в защитную арматуру. На рис. 7 показано устройство стандартного термоэлектрического преобразователя.
В жесткой защитной гильзе 1 расположены термоэлектроды 3 с надетыми на них изоляционными бусами 4. Горячий спай 2 касается дна гильзы или может быть изолирован от него с помощью керамического наконечника. К термоэлектродам в головке 8 винтами 6 на розетке 5 подсоединяются удлинительные провода 7. Защитная гильза вместе с термоэлектродами вводится в объект измерения и крепится на нем с помощью штуцера 9.
Рис. 7 Конструкция ТЭП
Диаметр электродов 0,5…3 мм. Выбор конструкции ТЭП производится в зависимости от конкретных условий измерений.
Динамическая характеристика ТЭП в общем виде записывается в виде передаточной функции
(33)
Значения постоянной времени Т и транспортного запаздывания τ зависит от конструктивных размеров и используемых материалов защитных гильз. Для выпускаемых промышленностью ТЭП эти величины находятся в пределах Т = 1,5…8 мин, и τ = 9…30 с, а τ/Т = 0,11…0,78.
Средства измерения сигналов ТЭП
В качестве средств измерений, работающих в комплекте с ТЭП, используются милливольтметры магнитоэлектрической системы, потенциометры и нормирующие преобразователи.
Магнитоэлектрический милливольтметр . Схема измерительного механизма прибора показана на рис. 8.
Рис. 8 Схема измерительного механизма милливольтметра
крепятся одним концом к оси, другим - к неподвижной части прибора. Они же являются токоподводами.
Рамка представляет собой прямоугольник длиной l и шириной 2r и состоит из n витков тонкой медной проволоки. Благодаря сердечнику 1, расположенному внутри рамки, последняя оказывается под действием равномерного и радиального магнитного поля, в силу чего независимо от угла поворота рамки, плоскость ее оказывается параллельной вектору магнитной индукции В .
При протекании по рамке электрического тока I на подвижную систему действует магнитоэлектрический момент
М МЭ = 2rlBI (34)
где 2r - ширина рамки;
l - длина рамки.
Противодействующий момент М ПР , созданный спиральной пружиной или подвеской, равен
М ПР = Wφ (35)
где W - удельный противодействующий момент;
φ - угол поворота рамки.
При некотором угле поворота φ имеем
М ПР = М МЭ (36)
т.е. Wφ = 2rlBI (37)
или 
(38)
где S 1 = φ/I - чувствительность измерительного механизма к току, рад/А.
Для получения зависимости угла поворота рамки от напряжения U , подведенного к прибору с внутренним сопротивлением R М , из (38) имеем
(39)
где S U = S 1 /R M = φ/U - чувствительность прибора к напряжению.
Из (39) следует, что чувствительность к напряжению тем меньше чувствительности к току, чем больше внутреннее сопротивление прибора.
Измерение термоЭДС милливольтметром осуществляется по схеме, представленной на рис. 9.
Рис. 9 Схема измерения термоЭДС милливольтметром
Генерируемая ТЭП термоЭДС Е АВ (tt 0) создает в замкнутой цепи ток
где R AB , R FD , R C , R У, R Р, R Д - сопротивления термоэлектродов АВ , удлинительных проводов FD , соединительных линий С , уравнительной катушки, рамки милливольтметра, добавочной катушки соответственно;
R BH = (R AB + R FD + R C + R У) - внешнее по отношению к зажимам ab прибора сопротивление цепи;
R M = (R Р + R Д) - внутреннее сопротивление милливольтметра.
Представим (40) в виде
U ab = IR M = Е АВ (tt 0) - IR ВН (41)
Из (41) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение U ab , подведенное к его зажимам ab , всегда меньше, чем ЭДС в цепи, на значение падения напряжения IR ВН во внешней цепи, обусловленного проходящим в контуре током.
В силу того, что сведение к нулю IR ВН при использовании милливольтметра невозможно, следовательно принципиально невозможно непосредственное измерение ЭДС милливольтметром. В то же время при соблюдении определенных условий измерения с некоторой погрешностью можно принять, что показания милливольтметра однозначно зависят от развиваемой в цепи термоЭДС.
Подставляя (40) в (38), получим
(42)
Отсюда следует, что если иметь R BH + R M = const, то между показаниями φ милливольтметра и измеряемой термоЭДС была однозначная зависимость и шкалу прибора можно было бы градуировать в градусах, соответствующих термоЭДС для данного ТЭП. В то же время внутреннее и внешнее сопротивления меняются в зависимости от температуры окружающей среды, что приводит к погрешности измерения.
Покажем, что уменьшение погрешности может быть достигнуто за счет уменьшения отношения R BH / R M и уменьшения R Р /R M .
Преобразим (40) к виду
(43)
Из выражения (43) видно, что чем меньше отношение R BH / R M по сравнению с единицей, тем в меньшей мере изменение этого отношения, вызванного, например, изменением температуры окружающей среды, сказывается на линейной связи между U ab и Е АВ (tt 0) . Уменьшение отношения R BH / R M возможно за счет увеличения R M . Так как рамка милливольтметра выполнена из медной проволоки сопротивлением R P , то R M увеличивают путем увеличения последовательно соединенного с ней добавочного сопротивления R Д , выполненного в виде манганиновой катушки. Значительное увеличение R M приводит к снижению чувствительности по напряжению S U милливольтметра. Обычно R M = 100…500 Ом, а отношение R Р /R M ≤ 1/3, что значительно уменьшает температурный коэффициент прибора. Значение R BH стандартизовано в пределах 0,6…25 Ом и указано на шкале прибора.
Таким образом, использование градусной шкалы милливольтметра возможно, если градуировка ТЭП соответствует градуировке, указанной на шкале. При этом необходимо подогнать сопротивление внешней линии к значению R BH , указанному не шкале прибора, с помощью подгоночного сопротивления R У .
Милливольтметры, предназначенные для работы с ТЭП, по конструктивному исполнению бывают переносные и стационарные (щитовые). Стационарные милливольтметры имеют только градусную шкалу. Промышленностью выпускаются показывающие, самопишущие и регулирующие классов точности 0,5; 1,0; 1,5; 2,0.
Потенциометры . Принцип действия этих приборов основан на уравновешивании (компенсации) неизвестной ЭДС известным падением напряжения, создаваемым током от дополнительного источника. Схема, поясняющая компенсационный метод измерения ЭДС, показана на рис. 10.
Рис. 10 Принципиальная схема потенциометра
Замкнутый контур I содержит дополнительный источник тока напряжением Е б и реохорд (компенсационный резистор) R ab . Этот контур называют компенсационным. Контур измерения II включает в себя ТЭП, термоЭДС Е АВ (tt 0) которого измеряется, и высоко чувствительный гальванометр, выполняющий функцию нуль-индикатора (НИ), а также R ac реохорда от точки «а » до подвижного контакта «с ».
Измеряемый источник Е АВ (tt 0) включен навстречу дополнительному источнику Е б так, что токи от обоих источников на участке R ac идут в одном направлении. Если обозначить ток, проходящий в контуре I, через I б (рабочий ток), а ток для контура II при некотором положении движка С через I т, то на основании закона Кирхгофа для контура II справедливо равенство
Е АВ (tt 0) = I т R ВН + I т R НИ + I т R ас + I б R ас (44)
где R ВН - сопротивление проводов, включая ТЭП;
R НИ - сопротивление нуль-индикатора.
(45)
Перемещая движок С , можно добиться того, чтобы I т стал равным нулю. Это определится показанием нуль-индикатора, и тогда
Е АВ (tt 0) = I б R ас (46)
Полученное равенство указывает на то, что если в контуре, где расположен источник измеряемой ЭДС, ток равен нулю, то падение напряжения на участке R ac служит мерой измеряемой ЭДС. Преимуществом компенсационного метода является отсутствие тока в цепи в момент измерения. Это исключает необходимость учета сопротивления внешней цепи и изменения сопротивления этой цепи от температуры.
Компенсирующее напряжение I б R ac можно измерять двумя методами:
Поддерживая значение I б на постоянном уровне, изменять сопротивление R ac ;
Сохраняя сопротивление R ac постоянным, изменять значение рабочего тока I б .
Наибольшее распространение получил потенциометр с постоянной силой рабочего тока.
Автоматический потенциометр . Измерительная схема автоматического потенциометра представлена на рис. 11.
Работа схемы основана на принципе постоянства силы рабочего тока. Здесь предусматриваются два контура компенсации напряжения II и III . Контур III , содержащий в цепи резистор R M из медной проволоки, служит для автоматического введения поправки на температуру свободных концов ТЭП. Свободные концы ТЭП с помощью удлинительных проводов FD подводятся к резистору R M и находятся при одной температуре с ним. Остальные резисторы измерительной схемы потенциометра выполняют из манганина.
Для питания измерительных контуров II и III в современных потенциометрах применяют вместо батареи постоянного тока источник стабилизированного питания ИПС, в котором входное напряжение переменного тока 6,3 В выпрямляется и стабилизируется в выходное напряжение постоянного тока 5 В при нагрузке 1 кОм и токе нагрузки I 0 , равном 5 мА. При работе ИПС в составе потенциометра напряжение между точками к и d равно 1019 мВ. С вводом ИПС в измерительную схему отпала необходимость контроля рабочего тока, упростилась кинематика механизма, повысилась надежность прибора.
Рис. 11 Измерительная схема автоматического потенциометра
Подключение к клеммам К 1 и К 2 нормального элемента и последовательно соединенного с ним нуль-индикатора осуществляется для контроля рабочего тока I 2 лишь при поверке и градуировке прибора. При этом U ke = I 2 R к =Е нэ . Обычно R к = 509,3 Ом, тогда I 2 = 2 мА; R у - резистор для установки рабочего тока I 2 ; R пр - значение сопротивления реохордной группы, состоящей из трех параллельно соединенных резисторов: собственно реохорда R р , шунта R ш и сопротивления R п .
Такая конструкция реохордной группы обусловлена тем, что при необходимости изменения пределов измерения прибора возможно, не трогая реохорд, изменить общее сопротивление R р за счет изменения сопротивления R п , а иногда и R ш, оставляя при этом R р стандартным. Реохорд изготавливается из проволоки специального сплава и является ответственным узлом схемы.
Резисторы R п и R б служат для установления начального значения шкалы прибора и значения тока I 1 =3 мА. В качестве нуль-индикатора в автоматических потенциометрах используется электронный усилитель ЭУ , на входе которого установлен модулятор МОД для преобразования сигнала разбаланса напряжения постоянного тока DU в переменное напряжение. Для предохранения усилителя от наводок и помех, возникающего в цепи ТЭП под влиянием электромагнитных полей, предусмотрен фильтр, состоящий из резистора R ф и конденсатора С ф .
Работа . Пусть при некотором значении измеряемой термоЭДС и некотором положении движка С ток во втором контуре измерения равен нулю, т.е. термоЭДС скомпенсирована падением напряжения U ce на участке cbde . Тогда сигнал разбаланса DU = Е АВ (tt 0) - U ce равен нулю. При сигнале DU ≠ 0 на выходе усилителя в соответствии с абсолютным значением и знаком разбаланса формируется управляющий сигнал, в соответствии с которым реверсивный двигатель перемещает движок реохорда С до тех пор, пока DU не станет равным нулю. Одновременно с движком по шкале прибора перемещается указатель.
Выпускаемые промышленностью автоматические потенциометры, различаясь по конструктивному исполнению, имеют одинаковую измерительную схему (рис. 11). При решении задач автоматического контроля и регулирования на практике оказывается необходимым с точки зрения увеличения точности измерения температуры конкретного объекта изменить стандартный диапазон измерения. Значения сопротивления резисторов измерительной схемы для заданного диапазона можно получить из следующих соотношений.
Для заданных начального t min и конечного t max значений температуры по шкале прибора для конкретного ТЭП из таблиц определяют E AB (t max t 0) и E AB (t min t 0). Падение напряжения U ab на сопротивлениях реохордной группы равно диапазону измерения прибора, т.е.
U ab = I 1 R пр = E AB (t max t 0) - E AB (t min t 0). (47)
Отсюда определяют значение R пр, принимая I 1 = 3 мА. Так как
R P = 130 Ом и R 2 =90 Ом или 100 Ом, по найденному значению R ПР определяют R П. Значение R н подбирают из условия
E AB (t min t 0) = U be = I 1 R H - I 2 (R M) t0 . (48)
(49)
Значение резистора R б определяется из условия постоянства тока I 1 = 3 мА:
I 1 (R б + R ПР + R H) = U dk = I 2 , (50)
(51)
(52)
Автоматические потенциометры выпускаются в виде показывающих, регистрирующих и регулирующих приборов, с цифровой или стрелочной индикацией. В них могут быть встроены устройства для регулирования или для дистанционной передачи показаний. Классы точности 0,25; 0,5 и 1,0.
Нормирующий преобразователь для термоЭДС . Для преобразования сигнала ТЭП в унифицированный токовый, по напряжению или цифровой применяют нормирующие преобразователи. Эти приборы обеспечивают информационную связь между датчиком и регулирующим устройством, имеющим унифицированный вход, а также между датчиком и компьютером.
Нормирующие преобразователи не представляют измерительную информацию для визуального контроля, а преобразуют и передают ее другим устройствам в удобном для них виде.
Рассмотрим работу нормирующего преобразователя (НП), вырабатывающего выходной сигнал 0…5 мА.
В основу работы НП положен компенсационный метод измерения термоЭДС с использованием схемы потенциометра с переменной силой рабочего тока. Схема преобразователя приведена на рис. 12.
Рис. 12 Схема нормирующего преобразователя
Контур I содержит корректирующий мост КМ, усилитель У 1 с токовым выходом I вых и резистор R кн . К контуру I проводами F и D подсоединен ТЭП. Корректирующий мост предназначен для введения автоматической поправки на температуру свободного конца ТЭП, а также компенсации начальной термоЭДС в преобразователях, нижний предел измерения которых не равен нулю градусов. К диагонали ab питания моста подведено напряжение постоянного тока от стабилизированного источника питания. Резисторы R 1 , R 2 и R 3 - манганиновые, резистор R М - из медного провода. Усилитель У 1 состоит из двух каскадов: магнитного УМ, выполненного по двухтактной двухполупериодной схеме, и полупроводникового усилителя УП, работающего в режиме усиления постоянного тока. Усилитель У 1 выполняет функции нуль-индикатора.
Контур компенсации II включает в себя R кн и усилитель обратной связи У 2 . Он аналогичен усилителю У 1 , но включен с глубокой отрицательной обратной связью по выходному току усилителя. Выходной ток I ос усилителя У 2 является рабочим током контура II и при прохождении этого тока по резистору R кн на нем создается компенсирующее напряжение
U кн = I ос R кн . (53)
Со стороны контура I к резистору R ab подводится сигнал ТЭП E AB (tt ’ 0), сложенный с напряжением U cd , создаваемым в измерительной диагонали cd корректирующего моста КМ. Это напряжение равно поправке на температуру свободных концов ТЭП, т.е. U cd = E AB (t ’ 0 t 0) . Таким образом, этот суммарный сигнал, равный E AB (tt 0) = E AB (tt ’ 0) + U cd , сравнивается с напряжением U кн . Разбаланс, равный DU = E AB (tt 0) - U кн, подается на усилитель У 1 , где преобразуется в магнитном усилителе УМ в сигнал переменного тока, затем усиливается и вновь преобразуется в сигнал постоянного тока, который дополнительно усиливается в усилителе УП постоянного тока. Выходной сигнал усилителя У 1 создает ток I вых , который поступает во внешнюю цепь R ВН и далее через делитель - в усилитель обратной связи У 2 . Выходной ток I ос усилителя У 2 изменяется и изменяет падение напряжения U кн на резисторе R кн до тех пор, пока разбаланс DU не достигнет некоторой малой величины δU , называемой статической ошибкой компенсации.
Исключить эту ошибку принципиально невозможно, т.к. I вых и I ос определяются наличием этой ошибки и пропорциональны ей. Ошибку можно значительно уменьшить, если использовать усилитель с большим коэффициентом усиления.
В зависимости от диапазона входного сигнала нормирующие преобразователи, работающие в комплекте с ТЭП, имеют классы точности 0,6…1,5.
Термопреобразователи сопротивления
Измерение температуры термопреобразователями сопротивления (ТПС) основано на свойстве металлов и полупроводников менять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если априорно известна зависимость между сопротивлением R t ТПС и его температурой t [т.е. R t = f(t) - градуировочная характеристика], то, измерив R t , можно определить температуру среды, в которую он погружен.
ТПС позволяют надежно измерять температуру в диапазоне от -260 0 С до +1100 0 С.
К металлическим проводникам ТПС предъявляе
Для определения значения температуры какого-либо тела необходимо выбрать эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое значение температуры. Это значение температуры является реперной точкой соответствующей шкалы температур - упорядоченной последовательности значений температуры, позволяющей количественно определять температуру того или иного тела. Температурная шкала позволяет косвенным образом определять температуру тела путем прямого измерения какого-либо его физического параметра, зависящего от температуры.
Наиболее часто при получении шкалы температур используются свойства вода. Точки таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении выбраны в качестве реперных точек в современных (но не обязательно изначальных) температурных шкалах, предложенных Андерсом Цельсием (1701 - 1744), Рене Антуаном Фершо Реомюром (1683 - 1757), Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686 - 1736). Последний создал первые практически пригодные спиртовой и ртутный термометры, широко используемые до сих пор. Температурные шкалы Реомюра и Фаренгейта применяют в настоящее время в США, Великобритании и некоторых других странах.
Введенную в 1742 году температурную шкалу Цельсия, который предложил температурный интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном давлении (1 атм или 101 325 Па) разделить на сто равных частей (градусов Цельсия), широко используют и сегодня, правда в уточненном виде, когда один градус Цельсия считается равным одному кельвину (см. ниже). При этом температура таяния льда берется равной 0 oC, а температура кипения воды становится приблизительно равной 99,975 oC. Возникающие при этом поправки, как правило, не имеют существенного значения, так как большинство используемых спиртовых, ртутных и электронных термометров не обладают достаточной точностью (поскольку в этом обычно нет необходимости). Это позволяет не учитывать указанные, очень небольшие поправки.
После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Эта температурная шкала подробно рассмотрена в третьей главе. Отметим только, что единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1824 - 1907), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.
В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273,16 К при давлении 609 Па.
Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.
Тело, с помощью измерения термометрического признака которого осуществляется измерение температуры, называется термометрическим телом.
Термометрическими признаками могут быть изменения: объёма газа или жидкости, электрического сопротивления тел, разности электрического потенциала на границе раздела двух проводящих тел и т.д. Соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры (термометры) будут: газовый и ртутный термометры, термометры, использующие в качестве датчика термосопротивление или термопару.
Приводя термометрическое тело (датчик термометра) в состояние теплового контакта с тем телом, температуру которого необходимо измерить, можно на основании нулевого начала термодинамики утверждать, что по прошествии времени, достаточного для установления термодинамического равновесия, их температуры сравняются. Это позволяет приписать телу то же значение температуры, которое показывает термометр.
Другой метод измерения температуры реализован в пирометрах - приборах для измерения яркостной температуры тел по интенсивности их теплового излучения. При этом достигается равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из самого пирометра и теплового излучения, принимаемого им. Подробнее это явление рассмотрено в разделе курса, посвящённом квантовым свойствам равновесного теплового излучения. Сейчас мы только отметим, что оптическая пирометрия (бесконтактные методы измерения температур) используется в металлургии для измерения температуры расплава и проката, в лабораторных и производственных процессах, где необходимо измерение температуры нагретых газов, а также при исследованиях плазмы.
Первый термометр был изобретён Галилео Галилеем (1564 - 1642) и представлял собой газовый термометр.
Газовый термометр постоянного объёма состоит из термометрического тела - порции газа, заключенной в сосуд, соединенный с помощью трубки с манометром. Измеряемая физическая величина (термометрический признак), обеспечивающая определение температуры, - давление газа при некотором фиксированном объёме. Постоянство объёма достигается тем, что вертикальным перемещением левой трубки уровень в правой трубке манометра доводится до одного и того же значения (опорной метки) и в этот момент производится измерения разности высот уровней жидкости в манометре. Учет различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т.д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым термометром постоянного объема, равной одной тысячной кельвина.
Газовые термометры имеют то преимущество, что температура, определяемая с их помощью, при малых плотностях газа не зависит от природы используемого газа, а шкала газового термометра - хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур (о ней подробно будет сказано ниже). Во второй главе мы подробнее опишем идеально-газовый термометр, определяющий абсолютную шкалу температур.
Газовые термометры используют для градуировки других видов термометров, например, жидкостных. Они более удобны на практике, однако, шкала жидкостного термометра, проградуированного по газовому, оказывается, как правило, неравномерной. Это связано с тем, что плотность жидкостей нелинейным образом зависит от их температуры.
Жидкостной термометр - это наиболее часто используемый в обыденной жизни термометр, основанный на изменении объёма жидкости при изменении её температуры. В ртутно-стеклянном термометре термометрическим телом является ртуть, помещенная в стеклянный баллон с капилляром. Термометрическим признаком является расстояние от мениска ртути в капилляре до произвольной фиксированной точки. Ртутные термометры используют в диапазоне температур от -35 oC до нескольких сотен градусов Цельсия. При высоких температурах (свыше 300 oC) в капилляр накачивают азот (давление до 100 атм или 107 Па), чтобы воспрепятствовать кипению ртути. Применение в жидкостном термометре вместо ртути таллия позволяет существенно понизить нижнюю границу измерения температуры до -59 oC.
Другими видами широко распространённых жидкостных термометров являются спиртовой (от -80 oC до +80 oC) и пентановый (от -200 oC до +35 oC). Отметим, что воду нельзя применять в качестве термометрического тела в жидкостном термометре: объём воды с повышением температуры сначала падает, а потом растёт, что делает невозможным использование объема воды в качестве термометрического признака.
С развитием измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термосопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары.
В металлическом термометре сопротивления измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а для чистых металлов относительное изменение их сопротивления при повышении температуры на 1 К (температурный коэффициент сопротивления) имеет величину близкую к 4*10-3 1/К. Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела - металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или их различные сплавы. Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки.
В полупроводниковом термометре сопротивления (термисторе) измерение температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.
Специально изготовленные полупроводниковые термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах порядка нескольких кельвин. Однако следует учитывать то, что в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур. Это приводит к ухудшению воспроизводимости результатов измерений и требует использования в термосопротивлениях, специально подобранных полупроводниковых материалов.
Другой принцип измерения температуры реализован в термопарах. Термопара представляет собой электрический контур, спаянный из двух различных металлических проводников, один спай которых находится при измеряемой температуре (измерительный спай), а другой (свободный спай) - при известной температуре, например, при комнатной температуре. Из-за разности температур спаев возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), измерение которой позволяет определять разность температур спаев, а, следовательно, температуру измерительного спая.
В таком термометре термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком - возникающая в цепи термо-ЭДС. Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур от нескольких десятков кельвин (температуры жидкого азота) до полутора тысяч градусов Цельсия. Для высоких температур применяются термопары из благородных металлов. Наибольшее применение нашли термопары на основе спаев следующих материалов: медь-константан, железо-константан, хромель-алюмель, платинородий-платина.
Следует отметить, что термопара способна измерить только разность температур измерительного и свободного спаев. Свободный спай находится, как правило, при комнатной температуре. Поэтому для измерения температуры термопарой необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной температуры или систему компенсации изменения температуры свободного спая.
В радиотехнике часто применяют понятие шумовой температуры, равной температуре, до которой должен быть нагрет резистор, согласованный с входным сопротивлением электронного устройства, чтобы мощность тепловых шумов этого устройства и резистора были равными в определенной полосе частот. Возможность введения такого понятия обусловлена пропорциональностью средней мощности шума (среднего квадрата шумового напряжения на электрическом сопротивлении) абсолютной температуре сопротивления. Это позволяет использовать шумовое напряжение в качестве термометрического признака для измерения температуры. Шумовые термометры используются для измерения низких температур (ниже нескольких кельвинов), а также в радиоастрономии для измерения радиационной (яркостной) температуры космических объектов
Цель лекции : изучение основных понятий, физических принципов и технических средств регулирования и измерения температуры в различных точках грузового помещения вагона и тракта холодильной машины.
Основные понятия и физические принципы
Температура t - физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Она (а также давление) проявляет микроскопическую природу вещества, выводя ее на наглядный микроскопический уровень. Температура выступает как мера интенсивности теплового движения молекул. Для измерения этого параметра состояния изготовляют датчики, в основе которых лежат различные физические эффекты, сопровождающие вариации температуры: изменение объема газовой, жидкой или твердой сред, электрического сопротивления чувствительного элемента, возбуждение термоэлектродвижущей силы, восприятие излучения нагретого тела и др.
Количественное содержание измеренной температуры определяется с помощью именованных шкал, все разнообразие которых можно разделить на 2 класса:
- эмпирический (Фаренгейта, Реомюра, Цельсия).
- термодинамический (Кельвина, Ренкина).
Температурная шкала Реомюра - практическая шкала, предложенная им в 1730 году. Единица шкалы - градус Реомюра (°R). 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0°R) и кипения воды (80°R), т. е. 1°R = 1.25°С, 1°C = 0.8°R. Шкала Реомюра вышла из употребления.
Шкалы Фаренгейта и Ренкина получили распространение лишь в англоязычных странах (Великобритания, США и др.). Наиболее употребимой во всем мире является эмпирическая шкала Цельсия, где реперными (узловыми, точными) точками приняты температуры тающего льда (0 о С) и кипения (100 о С) при нормальном атмосферном давлении. Шкала Кельвина имеет ту же количественную величину шага измерения температур (1 К = 1 о С), но ее начало смещено на 273,16 К - в точку абсолютного нуля (прекращения теплового движения молекул), т.е. T = t + 273,16 К. Эта шкала существенна для термодинамического анализа состояний и процессов.
Техническая система для измерения температуры включает в себя три компонента:
- чувствительные элементы (датчики, первичные преобразователи);
- промежуточные преобразователи;
- оконечные приборы (показывающие и регистрирующие приборы).
Датчики температуры (термометры)
Для измерения меры интенсивности теплового движения молекул изготавливают датчики температуры , в основе которых лежат различные физические эффекты, сопровождающие вариации температуры: изменение объема вещества, электрического сопротивления, возбуждение термоэлектродвижущей силы, восприятие излучения нагретого тела и др.
Датчики воспринимают контролируемую величину и преобразуют ее в сигнал, более удобный для практического использования. Ниже перечислены некоторые типы измерительных преобразователей.
Дилатометрические датчики. Используют свойство расширения веществ (твердых, жидких и газообразных) при изменениях температуры.
Измерительная шкала жидкостных термометров (на основе ртути, спирта, толуола и др.) может быть совмещена с чувствительным элементом или вынесена с помощью промежуточного преобразователя (рис. 1). Характерный диапазон измерений: -100…750 о С.
Рис. 1 Электроконтактный термометр
Электроконтактный термометр состоит из: 1 - ртутный термометр; 2 - щиток; 3 - лампочка; 4 - кнопка включения; 5 - источник питания.
Газовые (манометрические) термометры (рис.2) отражают зависимость давления среды, заполняющей датчик, от изменяющейся температуры в герметичной системе (термобаллон с трубкой Бурдона). Диапазон измерений: -200…550 о С.
Рис. 2 Манометрический термометр
Манометрический термометр состоит из: 1 - термобаллон; 2 - манометр; 3 - капиллярная трубка.
Твердотелые (биметаллические) термометры образованы как прочное соединение двух пластинок из металлов с разными коэффициентами линейного расширения. При увеличении температуры одна из пластинок стремиться удлинится, а другая препятствует этому, и биметаллическая пластинка изгибается. Диапазон температур - от -60 до 200 о С.
Термометры сопротивления . Измерение температуры термосопротивлениями основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.
Вид функции R = f(t) зависит от природы материала. Для изготовления чувствительных элементов серийных термосопротивлений применяются чистые металлы. Наиболее полно указанным требованиям отвечают: никель, железо, медь и др.
Основной недостаток термосопротивлений: большая инерционность (до 10 мин.).
Для того чтобы произвести измерение температуры наиболее часто применяются термосопротивления типов: ММТ-1, ММТ-4, ММТ-6 (медно-марганцевые); КМТ-1, КМТ-4 (кобальто-марганцевые).
Металлический термометр сопротивления (он представляет собой патрон, имеющий внутри спираль из тонкого медного проводника) называют терморезистором, а полупроводниковый - термистором. У терморезисторов с ростом температуры сопротивление увеличивается (2…3 % на 1 о С), а у термисторов - падает (3…5 % на 1 о С). Диапазон измерений: -200…500 о С.
Термоэлектрические датчики (термопары). Их действие основано на температурной зависимости контактной электродвижущей силы, возникающей в замкнутой цепи двух разнородных металлических проводников (рис. 3). Чувствительный элемент датчика - контакт проводников, находящихся в точке, где необходимо измерить температуру (горячий спай); второе соединение (вне объекта) называют «холодный спай». Характерные материалы термопар: медь-константан, хромель-алюмель, платинородий-платина и др. Диапазон измерений: -200…1600 о С.
Рис. 3 Термопара
Пирометры излучения . Данные приборы основаны на применении теплового излучения нагретых тел. Верхний предел измерения температуры пирометра излучения практически не имеет ограничений. В основе измерения лежит бесконтактный способ, в результате этого отсутствует искажение температурного поля, вызываемое введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду. Возможно измерение температуры пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях. Технические пирометры охватывают диапазон температур от 400 до 4000 о С.
Промежуточные преобразователи
Задача промежуточных преобразователей - перевести часто слабый или нелинейный сигнал датчика в пригодный для практического использования сигнал. Измерение производят либо по методу непосредственной оценки (милливольтметром), либо компенсационным методом (потенциометром). Наиболее распространенными промежуточными преобразователями являются электрические мостовые схемы. Мост образуется последовательным соединением четырех электрических сопротивлений в замкнутый контур, который активизируется внешним источником напряжения (постоянного или переменного). При измерении температур применяются уравновешенные и неуравновешенные мосты.
Уравновешенные мосты. К одной из диагоналей уравновешенного моста (рис.4) подключают источник питания, к другой (измерительной диагонали) - гальванометр. Два резистора в плечах имеют постоянное сопротивление (R 2 , R 4), два других - переменное (R 1 - регулируемое сопротивление, R t воспринимает изменение температуры). Уравнительное сопротивление R 1 подбирается так, чтобы R 1 /R 2 = R t /R 4 . При этом в измерительной диагонали удовлетворяется условие уравновешенности моста i o = 0.
Градируя положение движка реостата 1 в зависимости от температуры, измеренной по образцовому прибору, получают возможность определять значение температуры в месте установки датчика. Так как условие равновесия моста не зависит от уровня напряжения U ab , обеспечивается малая погрешность измерения (порядка 1%) при обычной нестабильности источника.
Рис. 4 Схема уравновешенного моста Уитстона: 1 - уравнительное сопротивление; 2 - гальванометр
На рефрижераторном подвижном составе для измерения температуры используют терморезисторы типа РТ (платиновые) и ТСМ - 010 (медные), термисторы типа TNM и MMT.
Неуравновешенные мосты. При большей простоте и надежности по сравнению с уравновешенными, они имеют и более высокое значение погрешности.
Три плеча у моста (рис.5) имеют постоянные сопротивления, а одно (R t) изменяется при вариациях температуры, но уровень величины i о зависит от напряжения источника питания U ab , что требует его регулированиии стабилизации. Если в качестве датчика температуры используют термистор, то вследствие квадратичной зависимости температурного коэффициента его сопротивления шкала измерительного прибора будет неравномерной. Это неудобно, и обычно схемными средствами добиваются линейной характеристики R t = f(t).
Рис. 5 Схема неуравновешенного моста:1 - установочное сопротивление
Примером одной реализаций неуравновешенного моста является логометр. Измерение температуры с его помощью основано на взаимодействии поля постоянного магнита и магнитных полей, вызываемых токами, протекающими в двух крестообразно расположенных многовитковых проволочных рамках подвижной части измерительной система. Рамки подключены к противоположным плечам моста. Термосопротивление включают последовательно в цепь одной из рамок. Плечевые резисторы, кроме R t , не меняют своего сопротивления. Ток в одном плече и его рамке не меняет своего значения, ток в другом плече определяется сопротивлением термистора R t , зависящим от температуры.
Стрелка магнитоэлектрического гальванометра отклоняется на угол, определяемый значением температуры, и показывает это значение на отградуированной шкале. Обычно предусматривается возможность подключения к логометру и других измерительных комплектов. Прибор работает с термистором, электрическим контактным термометром, резистором и др.
Показывающие и регистрирующие приборы
При измерении температуры в качестве показывающих и регистрирующих приборов применяются электронные автоматические мосты (ЭПП, КСП и др.), которые работают совместно с платиновыми терморезисторами. В цепь термопар часто включают потенциометры, так как термоэлектродвижущая сила эффекта Зеебека невелика (10…50 мкв/С о). Все более широкое применение находят приборы с цифровой индикацией и регистрацией температуры.
Для автоматической непрерывной регистрации температуры воздуха в груженом рейсе применяют термографы . Термограф (рис. 6) состоит из барабана и датчика (биметаллической пластинки), воспринимающего вариации температуры.
Рис. 6 Схема устройства термографа
1 - биметаллическая пластинка; 2 - стержень; 3 - рычаг; 4 - вращающийся барабан
Под действием температурных изменений происходит деформация биметаллической пластинки 1, и подвижной ее конец перемещается, механически воздействуя на длинный рычаг 3. Конец рычага 3 с пером в зависимости от колебаний температуры воздуха перемещается вверх или вниз и чертит подаваемый на него чернилами кривую линию на специальной градуированной бумажной ленте. Сменная лента в продольном направлении разделена на сутки и часы, а в поперечном на градусы. Барабан 4 вращается посредством часового механизма, совершая один оборот за одни или несколько суток.
Регулирующие приборы
Терморегулирующий вентиль (ТРВ) . Он предназначен для автоматического регулирования подачи жидкого хладагента в испаритель холодильной машины в соответствии со сложившейся тепловой нагрузкой в грузовом помещении рефрижераторного вагона. Наглядным образцом служит рис. 7.
Действие ТРВ зависят от температуры перегрева всасываемых компрессором паров хладагента над температурой кипения жидкого хладагента в испарителе. Увеличение этой разности означает, что количество хладагента, пропускаемого вентилем, меньше необходимого, а при снижении - больше. Таким образом, ТРВ поддерживает постоянный перегрев пара на выходе из испарителя. При отклонении температуры от заданного значения, на которое настроен прибор, изменяется давление в термобаллоне. Импульс по давлению передается через капилляр на мембрану и через нее - на клапан. Перемещение клапана приводит к большему или меньшему открытию проходного сечения для пропуска паров хладона через испаритель, т.е. на всас компрессора. Пружина вместе с регулировочным винтом позволяют задать такое базовое значение проходного сечения клапана, чтобы перегрев паров на выходе испарителя составил 4…7 о С
Рис. 7 Схема действия терморегулирующего вентиля
1 - регулировочный винт; 2 - пружина; 3 - запорный клапан; 4 - шток; 5 - мембрана; 6 - силовая камера; 7 - капиллярная трубка; 8 - термобаллон; Р о - давление в испарителе ХМ; Р k - давление в конденсаторе ХМ; F - сила сжатия пружины; Р c - противодавление, развиваемое термобаллоном.
Организация измерений температуры в помещении рефрижераторного вагона
Местный контроль над температурой в вагоне может осуществляться на стоянках переносной телетермометрической станцией, подключаемой на период измерений к наружной розетке. Дистанционный контроль обеспечивается из служебного вагона с помощью приборов стационарной телетермометрической станции и автоматически путем фиксации на самопишущих регистрирующих устройствах, датчики которых находятся в грузовом помещении вагона.