Испытания термоэлектрического термометра

Стандартные и нестандартные термоэлектрические термометры

Для измерения в металлургии наиболее широко применяются термоэлектрические термометры со стандартной градуировкой: платинородий-платиновые (ТПП), платинородий-платинородиевые (ТПР), хромель-алюмелевые (ТХА), хромель-капелевые (ТХК), вольфрамрений-вольфрамрениевые (ТВР). В ряде случаев используют также термоэлектрические термометры с нестандартной градуировкой: медь-константановые, вольфрам-молибденовые (ТВР) и др. На (рис. 5) приведены градуировочные кривые ряда термопар.

В условиях длительной эксплуатации при высоких температурах и агрессивном воздействии сред появляется нестабильность градуировочной характеристики, которая является следствием ряда причин: загрязнения материалов термоэлектродов примесями из защитных чехлов, керамических изоляторов и атмосферы печи; испарения одного из компонентов сплава; взаимной диффузии через спай. Величина отклонения может быть значительной и резко увеличивается с ростом температуры и длительностью эксплуатации. Указанные обстоятельства необходимо учитывать при оценке точности измерения температуры в производственных условиях.

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

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

Для большинства термопар контактные ЭДС возникают при любых температурах и являются их линейными функциями.

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

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

Метод измерения с помощью гальванометра основан на измерении силы тока, протекающего в замкнутой цепи, составленной из последовательно соединенных термопары и чувствительного гальванометра (Рисунок 4., б). Измерение ЭДС сводится к измерению силы тока, пропорциональный величине измеряемой ЭДС.

Рисунок 4- Термопары а) - возникновение термоЭДС; б) - ведение термоэлектродных проводов; в) - градуировочные характеристики.

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

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

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

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

Зависимость термо-ЭДC преобразователя от разности температур его горячего и холодного спаев устанавливают экспериментальным путем и представляют в виде таблиц или графиков, которые называются градуировочными.

В справочных таблицах обычно приводят значения термо-ЭДС для термоэлектродов из различных материалов и сплавов, соединенных с нормальным платиновым термоэлектродом, причем температура холодного спая принимается равной 0°С. На рисунке 7., в показаны градуировочные характеристики некоторых термопар.

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

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

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

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

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

В качестве термопреобразователей в термоэлектрических термометрах используются различные термопары.

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

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

Термопары помещают в жаропрочный корпус с камерой торможения равномерно размещают по периметру одного сечения выходного сопла двигателя.

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

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

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

Основными элементами электрической схемы являются термопреобразователь, соединительные провода и измерительный прибор. Термопреобразователь ТП1 представляет собой блок параллельно соединенных термопар. Термо-ЭДС преобразователя измеряется магнитоэлектрическим милливольтметром.

2 Цели испытаний

Цели испытаний различны на различных этапах проектирования и изготовления изделий.

К основным целям испытаний можно отнести:

а) выбор оптимальных конструктивно-технологических решений при создании новых изделий;

б) доводку изделий до необходимого уровня качества;

в) объективную оценку качества изделий при их постановке на производство и в процессе производства;

г) гарантирование качества изделий при международном товарообмене.

Испытания служат эффективным средством повышения качества, так как позволяют выявить:

а) недостатки конструкции и технологии изготовления изделий электронной техники, приводящие к срыву выполнения заданных функций в условиях эксплуатации;

б) отклонения от выбранной конструкции или принятой технологии;

в) скрытые дефекты материалов или элементов конструкции, не поддающиеся обнаружению существующими методами технического контроля;

г) резервы повышения качества и надежности разрабатываемого конструктивно-технологического варианта изделия. По результатам испытаний изделий в производстве разработчик устанавливает причины снижения качества.

Классификация основных видов испытаний и порядок их проведения:

При определении понятия “испытание”, надо отталкиваться не от английского термина “test” (у которого, как известно много значений), а от традиционных норм русского языка. Согласно этим нормам, испытание всегда предполагает какое-либо воздействие или нагрузку. Испытание проходят либо не проходят.

Следовательно, результатом испытаний должны быть не результаты измерений, выполняемых при испытаниях, а ответ вида “годится” или ”не годится”, ”соответствует” или ”не соответствует”.

3 Обоснование необходимости проведения испытаний

В процессе изготовления и приемки термоэлектрические преобразователи проходят различные виды испытаний в соответствии с программой испытаний.

Основные виды производственных испытаний

К основным видам испытания (важным для метрологии) относятся:

· Контроль сопротивления изоляции термопары при нормальной температуре. Допускаемое сопротивление >51010Ом. Все термопреобразователи подвергаются данному виду контроля.

· Контроль сопротивления изоляции термопары при номинальной температуре применения (350 °С) на 90% длины. Допускаемое сопротивление изоляции >5-107 Ом. Испытания проводятся на выборке из 5 термоэлектирческих преобразователей из партии для подтверждения качества кабеля.

· Контроль сопротивления термоэлектродов и цепи термопары на соответствие нормированным параметрам. Контрольные данные паспортируются для дальнейшего контроля в процессе эксплуатации.

· Калибровка индивидуальная. Калибровочные данные в виде табулированных значений паспортируются.

· Проверка величины термо-ЭДС термопреобразователя термоэлектрического на соответствие расчетной в пределах допуска (±20(мV) при реперной температуре затвердевания свинца (t9o=327,46°C) для двух значений температуры свободных концов (0°С, 25±5°С). Проверке подвергаются пять термопреобразователей из партии. Типовой протокол поверки термоэлектрического преобразователя.

· Проверка на соответствие допускаемому отклонению термо-ЭДС (±63мV) от среднего значения при температуре 350°С каждого термопреобразователя из партии.

4 Место и обеспечение испытаний

Условия проведения испытаний должны соответствовать следующим требованиям:

· Температура окружающего воздуха (25±10)С°;

· Относительная влажность от 30 до 80%;

· Атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа.

Определение допускаемых отклонений от НСХ и испытание на стабильность термопар с НСХ, имеющие буквенные обозначение В, S, K, L, с длинной погружаемой части не менее 20 мм в диапазоне температур от 0 С° до 1800 С° осуществляют в соответствии с требованиями ГОСТ.

Испытания термопар остальных типов, а также термопар с длинной погружаемой части до 250 мм, и с нижним значением диапозона рабочих температур минус 200 и ниже проводят по методикам, изложенным в тех условиях на термопару конкретного типа.

Допускается проводить испытания в одной температурной точке, указанной в тех условиях термопар конкретного типа, при условии, что термопара изготовлена из термоэлектрического материала, прошедшего предварительные испытания

Показатель тепловой инерции определяют по переходному процессу в режиме простого охлаждения.

Переходный процесс определяют следующим образом. Термопару подключают к измерительной установке и гальванометру светолучевого осциллографа. На осциллографе гальванометрами устанавливают две масштабные световые точки: одну- для температуры воды 15-20 С°, другую- для температуры воды от 50-100 С°.

Частоту отметок времени выбирают в зависимости от типа осциллографа и ожидаемого показателя тепловой инерции.

Термопару помещают на глубину до 100 мм в сосуд и интенсивно перемешивают с водой, температура которой равна 15-20 С°. Когда температура термопары установиться, с помощью гальванометра совмещают световую точку, соответствующую температуре 15-20 С°, со световой точкой термопары.

Термопары извлекают из воды и помещают в сосут с водой, температура которой равна 50-100 С°. Когда температура термопары стабилизируется, с помощью гальванометра совмещают световую точку термопары со световой точкой, соответствующей температуре 50-100 С°. Затем устанавливают скорость ленты самопишущего прибора осциллографа в зависимости от предполагаемого показателя тепловой инерции.

Съемку переходного процесса в следующей последовательности. Включают осциллограф и самопишущий прибор. Термопару быстро переносят в сосуд с интенсивно перемешиваемой водой, температура которой равно 15-20 С°, на время, необходимое для записи переходного процесса.

Показатель тепловой инерции определяют по осциллограмме следующим образом. На осциллограмме масштабной линейкой измеряют расстояние между линиями, соответствующими температурам 15-20 С° и 50-100 С°?N. Вычисляют N63=0,63· N или N37=0,37· N. На кривой переходного процесса откладывают значение N63 от линии, соответствующей температуре 50-100 С°, или N37 от линии, соответствующей температуре 15-20 С°. Расстояние от начала отсчета до проекции точки N63 на ось времени соответствует значению показателя тепловой инерции.

Поверхностные термопары вместо погружения в воду прикладывают неподвижно к поверхности медного тонкостенного (толщина не более 0,5 мм) сосуда с интенсивно перемешиваемой водой, температура которой равно 15-20С°. Температура и способ нагрева должны быть указаны в технических условиях на термопаре конкретного типа.

Показатель тепловой инерции для других значений коэффициента теплопередачи определяют по методикам, изложенным в технических условиях на термопару конкретного типа.

Электрическое сопротивление изоляции при температуре до 300 С° определяют при испытательном напряжении от 10 до 100 В.

Измерение электрического сопротивления изоляции при температуре свыше 35 проводят при напряжении разной полярности не более 10 В и глубине погружение термопары не менее 300 мм после выдержки при температуре верхнего рабочего диапазона измерения не менее 2 часа. Отсчет сопротивления изоляции следует осуществлять после первой минуты с момента включения измерительного прибора. Значение сопротивления изоляции определяют как средне арифметическое двух измерений разной полярности. Для термопар, у которых длина погружаемой части менее 300 мм, погружение проводят на длину погружаемой части.

Для термопар с керамической погружаемой частью в технических условиях на термопаре конкретного типа при необходимости должны быть установлены условия измерения электрического сопротивления изоляции при температурах свыше 1000 С°.

Электрическую прочность изоляции проверяют на установке переменного тока мощностью не менее 0,25 кВ А. Испытательное напряжение прикладывают также между короткозамкнутыми зажимами термопар и металлической частью защитной арматуры. У термопар, имеющих две и более несвязанные электрические цепи, испытательное напряжение прикладывают также между электрическими цепями.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6