Лекція №4. Датчики вимірювання температури



Скачати 176.16 Kb.
Дата конвертації31.12.2016
Розмір176.16 Kb.

ЛЕКЦІЯ №4. Датчики вимірювання температури

Мета заняття: вивчення призначення та класифікації авіаційних термометрів, методів вимірювання температури, принципу дії та будови авіаційних термометрів, основних похибок вимірювання та вимог, що висуваються до авіаційних термометрів.

Навчальні питання:

  1. Призначення авіаційних термометрів

  2. Класифікація авіаційних термометрів

  3. Методи вимірювання температури

  4. Принцип дії та будова авіаційних термометрів

    • терморезисторні датчики температури;

    • термоелектричні датчики температури.

Призначення авіаційних термометрів


ВП, призначені для вимірювання температури називаються термометрами.

Термометри і датчики температури використовуються на ПС для отримання інформації:



  • про тепловий режим роботи силової установки – для систем запуску, управління режимами роботи, регулювання температурою силової установки та ін.;

  • про температуру рідинних речовин літака: мастила – системи змащування, палива – у паливній системі та ін.;

  • про температуру повітря у температурно-напружених відсіках літака – для системи пожежогасіння;

  • про роботу системи терморегулювання та вентиляції: температуру повітря у герметичній кабіні, салоні літака та його відсіках – в системі кондиціювання;

  • про температуру зовнішнього повітря та ін.

На ПС використовуються термометри і датчики для вимірювання температури газів у газотурбінних двигунах (до 1500°С), температури в камерах згоряння реактивних двигунів (до 3000°С), температури мастила та охолоджуючої рідини (до 150°С), температури зовнішнього повітря та повітря у кабіні літака (± 60°С) та ін.

Класифікація авіаційних термометрів


За призначенням авіаційні термометри можна поділити на наступні основні види, що відрізняються діапазонами вимірювань:

  • термометри для вимірювання температури вихідних газів у турбореактивних двигунах з верхньою границею вимірювання до 900÷1200о С;

  • термометри для вимірювання температури головок циліндрів поршневих двигунів до 350о С;

  • термометри для вимірювання температури мастила, палива, води, повітря до 150о С;

  • термометри системи кондиціювання повітря – від –60 до +150о С.

За принципом дії авіаційні термометри поділяються на:

  • термометри, засновані на тепловому розширенні рідин та твердих тіл;

  • манометричні термометри, засновані на зміні тиску усередині замкнутого об’єму при зміні температури;

  • електричні термометри опору;

  • термоелектричні термометри;

  • термометри випромінювання.

За методами вимірювання температури поділяються на:

  • механічні – дилатометричні, біметалеві, газові, рідинні та ін.;

  • електричні – терморезисторні (провідникові або напівпровідникові) та термоелектричні;

  • пірометричні – термометри випромінювання.

Методи вимірювання температури


Відомі наступні методи вимірювання температури: об’ємний, манометричний, терморезисторний (метод термоопору), термоелектричний та пірометричний.

Об’ємний метод вимірювання температури заснований на тепловому розширені (зміні об’єму) різних тіл. За цього принципу будуються дилатометричні, біметалеві та рідинні термометри.

Манометричний метод вимірювання температури заснований на; теплової зміні тису газу (пару) усередині замкнутого об’єму. За цим методом діють газові та паро-рідинні термометри.

Терморезисторний метод вимірювання температури заснований на тепловому зміненні електричного опору провідника або напівпровідника.

Термоелектричний метод вимірювання температури заснований на виникненні контактного потенціалу між двома контактуючими між собою різнорідними провідниками (або напівпровідниками) при різниці температур вільних і робочих кінців цих провідників.

Верхня границя температур, що вимірюються (визначається головним чином теплостійкістю термоелектронів), досягає: для хромєльово-копєльових термопар +800° С; для платиново- платиново- родієвих +1600° С; для вольфрам-молібденових – до 2400°С та ін.



Оптичний метод вимірювання температури заснований на залежності енергії, яка випромінюється нагрітим тілом, від його температури. Яскравість випромінювання оцінюється візуально через оптичні пристрої або перетворюється в електричний сигнал за допомогою фотоелектричних чуттєвих елементів. ВП, що побудовані за цим методом мають назву – пірометри випромінювання.

Принцип дії та будова авіаційних термометрів

Найбільше використання на сучасних ПС знайшли терморезисторні та термоелектричні датчики температури завдяки своєї простоті, стабільності характеристик та можливості перетворення температури безпосередньо в електричну величину.


  1. Терморезисторні датчики температури

Принцип дії терморезисторних датчиків вимірювання температури заснований на залежності електричного опору провідника або напівпровідника від зміни температури.


Чуттєвий елемент терморезисторного датчика температури (термометру опору) уявляє собою дротовий або напівпровідниковий терморезистор, величина якого змінюється в залежності від зміни температури.

Залежність електричного опору дротового терморезистора від температури (статична характеристика) у малому діапазоні температур близька до лінійної (рис. 4.1. а) і визначається формулою



R = Ro (1+ θ)

де R0 опір при 0° С;



α – температурний коефіцієнт електричного опору;

θ – температура в °С.

З


алежність електричного опору напівпровідникового терморезистору показна на рис. 4.1. б.

Чуттєвість терморезистору визнача-ється з формули:



S = = Rо α.

Характеристика напівпровідникового терморезистору виражається експоненціальною залежністю



R = R20·,

де R20опір при 20о С;



В
Рис. 4.1 Приблизні характеристики термоопорів:

а – дротового; б – напівпровідникового
– постійний коефіцієнт, який залежить від матеріалу та розмірів терморезистору.

На ПС використовуються уніфіковані термометри опору з діапазоном вимірювання від –70 до +150 °С, призначені для вимірювання температури палива, мастила, охолоджуючої рідини, зовнішнього повітря і ін.



ВП складається з датчика та вимірювальної схеми, з’єднаних між собою як показано на рис. 4.2, а.

Н




Покажчик

Рис. 4.2. Схеми термометру опору




а рис. 4.3 показана конструкція терморезисторного датчика, що входить до комплекту уніфікованого термометра опору. Теплочутливий елемент виконаний з нікельованого дроту діаметром 0,05мм, який намотаний на слюдяний пластинчатий каркас і захищений від


Рис. 4.3. Конструкція терморезисторного датчика температури

1 – додатковий манганіновий опір; 2 – клема; 3 – вивідний кінець нікелевої тепло чуттєвої обмотки; 4, 7 – слюдяна прокладка; 5 – теплопровідна металева пластинка; 6 – захисний корпус; 8 – штепсельна вилка; 9 – головка; 10 – відповідна частина штепсельного з’єднувача

Для кращого передання тепла між стінками корпусу та нікелевою проволокою розміщені теплопровідні срібні пластини, ізольовані від дроту тонкими слюдяними прокладками.

Корпус датчика має стовщену головку з різьбою, яка призначена для кріплення датчика. У головці датчика розташований штепсельний з’єднувач і додатковий манганіновий опір, який увімкнутий послідовно з нікелевою обмоткою. Додатковий опір призначений для приведення температурного коефіцієнту датчика до стандартного значення з метою забезпечення взаємної заміни датчиків.

  1. Термоелектричні датчики термометри

З метою отримання максимальної енергоозброєності та економічності польоту силові установки проектуються для роботи в режимі з великим, близьким до граничного, тепловим напруженням. Внаслідок цього в реактивних двигунах температура являється основним параметром, безпосередньо визначаючим потужність двигуна та його теплову напруженість. У зв’язку з цим необхідна значна точність вимірювання температури у двигунах, яка повинна оцінюється похибкою у 0,5÷1%, а у системах охолодження – 1÷2%. Однак, у наслідок технічних труднощів, що встають при створенні ВП з такими похибками, термоелектричні термометри, що проектуються, повинні відповідати наступним технічним вимогам:


  • діапазон вимірювання температури вихідних газів турбогвинтових і реактивних двигунів 300÷1200о С, робочий діапазон –300÷100о С, допустимі похибки –не більше 1,5÷2%;

  • діапазон вимірювання температури головок та стінок циліндрів поршневого двигуна повинний складати 0÷300о С, робочий діапазон – 100÷260о С, допустимі похибки цих термометрів повинні бути не більше 2,5÷5%;

  • постійна часу датчика повинна бути по можливості найменшою.

Чуттєвий елемент термоелектричного термометру (термопара) складається з двох різнорідних електродів А і В, які з’єднані між собою шляхом спайки, сварки або які сплавлюють між собою (рис. 4.4, а).

Принцип дії термоелектричного термометру заснований на залежності контактної різниці потенціалів, що виникає між провідниками А і В, від температури місця з’єднання та вільних кінців.

Контактна різниця потенціалів виникає як між провідниками, виготовленими з металів, так і між напівпровідниками.

П

Рис. 4.4. Схема термопари: а розімкнутої; б – замкнутої

ринцип дії термопари можна пояснити наступним чином: енергія вільних електронів не однакова у різних провідниках і по різному зростає з підвищенням температури. Якщо вздовж провідника існує перепад температури, то електрони на гарячому кінці одержують більш високі енергії і швидкості, ніж на холодному. У наслідок цього виникає потік електронів від гарячого кінця до холодного і на холодному кінці накопичується негативний заряд. Процес накопичування заряду продовжується до тих пір, доки падіння потенціалу, що виникає, не створить зустрічний потік електронів, рівний первинному потоку, який викликаний різницею теплових швидкостей. Різниця таких падінь потенціалу у двох провідниках, що створюють термопару, і обумовлює виникнення термо – е. р. с.

Залежність контактної різниці потенціалів від температури не пов’язана з формою і геометричними розмірами електродів, а визначається тільки матеріалами, із яких вони виготовлені.

Якщо замкнути вільні кінці термоелектродів А і В, то утворюється замкнутий ланцюг (см. рис.4.4, б) з двома контактними з’єднаннями.

Якщо температури місць з’єднань однакові (θ1 = θ2), то сумарна е.р.с. у контурі дорівнює нулю і електричний струм у замкнутому контурі відсутній.

Якщо температури місць з’єднань неоднакові, наприклад θ1> θ2, то у ланцюгу виникне термоелектрорухома сила і по ньому потече електричний струм.

Місце з’єднання провідників з більш високою температурою (θ1) називається робочим спаєм, а з більш низкою (θ2) – вільним спаєм (у практиці вимірювань їх називають також гарячим та холодним спаями).

Таким чином, термоелектрорухома сила залежить від температур гарячого та холодного спаїв. Для скорочення обсягу довідкових даних значення термо-е. р. с., звичайно, приводяться для різних металів та сплавів, з’єднаних у парі з нормальним термоелектродом, у якості якого вибрана платина, при температурі холодного спаю θ 2 рівною 0°С.

Для вимірювання високих температур (більше 1000о С) використовуються термопари з благородних металів (платина, платиново-родій), які являються більш теплостійкими, однак мають, меншу чуттєвість.

В авіаційних датчиках температури знайшли використання хромєльово-копєльова термопара, хромєльово-алюмєльова термопара. НК-СА (один електрод виготовлений з нікель-кобальтового сплаву, інший – з спеціального алюмєлю) і термопара НЖ-СК (один електрод з залізно-нікелевого сплаву, інший – із спеціального копєлю).

Термопари НК-СА і НЖ-СК мають характеристики особливого роду з зоною відсутності чуттєвості. Термо - е. р. с. у термопари НК-СА виникає тільки при температурах, що перевищують 300° С, а у термопари НЖ-СК – при температурах, що перевищують 100°С. Завдяки цієї особливості зміна температури вільних кінців (у зв’язку с коливаннями температури навколишнього повітря) не оказує впливу на термо - е. р. с, яка визначається тільки температурою, що вимірюється, гарячого спаю. При використанні інших типів термопар необхідно компенсувати похибки, що викликані вимірюванням температури вільних кінців.

На ПС використовуються декілька різновидностей термоелектричних термометрів, які відрізняються типом термопар. Термометр, призначений для вимірювання температури головок циліндрів поршневих авіадвигунів повітряного охолодження, розрахований на діапазон вимірювання от –50 до + 350° С і складається з термопари та покажчика, які з’єднані між собою по схемі, як на рис. 4.5.



Рис. 4.5. Електричні схеми термоелектричних термометрів:

а з однією термопарою; б – с чотирма послідовно з’єднаними термопарами:

Rв – опір волоска; Rр опір рамки; Б – біметалевий коректор; Rд – додатковий опір; RТС – термоопір; RП – опір дротів; RВН – внутрішній опір

Конструкція термопари для поршневих двигунів показана на рис. 4.6. Термоелектроди, що виготовлені з хромелю й копелю, впаяні у мідну шайбу 1, яка служить для кріплення термопари під свічею запалювання поршневого авіадвигуна і грає роль теплоприймача. Кінці термоелектродів з’єднуються наконечниками 2 та 3 с багатожильними з’єднувальними дротами з того ж матеріалу, що і термоелектроди. З’єднувальні дроти закінчуються штепсельним з’єднувачем, усередині якого розташований підгінний опір (декілька витків манганінового дроту), за допомогою якого досягається сталість сумарного опору термопари та з’єднувальних дротів (дроти випускаються різної довжини).





Рис 4.6. Конструкція термопари для поршневих двигунів:

1 – шайба; 2, 3 – наконечники; 4, 5 – скоба; 6 – гвинт

Термоелектричні термометри, що встановлені на реактивних двигунах, використовуються для вимірювання температури вихідних газів з температурою до 900о С та вище і складаються з декількох термопар (двох або чотирьох) та покажчика, з’єднаних між собою по схемі рис. 4.5, б.

Конструкція термопари для реактивних двигунів приведена на рис. 4.7.

У залежності від типу термометру використовуються термоелектроди хромєль-алюмєльові, НК-СА або НЖ-СК. Термоелектроди ізольовані один від іншого керамічною трубкою і захищені від механічних пошкоджень захисним корпусом 1 з жароміцної сталі. Верхня частина корпусу закінчується головкою 2, яка разом з гайкою 3 призначені для кріплення датчика. На головці закріплений косинець 4 з гнучким шлангом, усередині якого пропущені проміжні дроти для з’єднання 5, які закінчуються клемними затискачами 6 та 7. Для кращого передання тепла від газів до термоелектродів у нижній частині захисного корпусу є виріз, проходячи який газовий потік майже повністю гальмується, а потім вже виходить назовні через додатковий отвір. Коефіцієнт гальмування дорівнює r = 0,96 при числі М ≤ 1.

О

Рис. 4.7. Конструкція термопари для реактивних двигунів:

1 – корпус; 2головка; 3гайка; 4косинець; 5 – проміжні з’єднувальні дроти; 6, 7 – затискачі

скільки температура у різних точках реактивного сопла не однакова, термоелектричні датчики розташовуються у декількох (двох, чотирьох та ін.) точках сопла і з’єднуються послідовно у електричний ланцюг. При такому з’єднанні сумарна е. р. с. пропорційна середній температурі газів у двох, чотирьох та ін. точках.

Для електричних дистанційних термометрів визначаються статичні та динамічні характеристики: з початку визначаються відповідні характеристики складових частин ВП – датчика, електричного ланцюгу та ін., а потім вирішуючи їх разом визначають характеристики ВП у цілому.



Додатковий матеріал

  1. Вимоги, що висуваються до термоелектричних термометрів

Термоелектричні термометри повинні задовольняти наступним вимогам:

  • чуттєвий елемент термометру повинний мати достатню термостійкість та механічну міцність;

  • у приймачі повинна бути забезпечена надійна ізоляція термоелектродів один від другого;

  • конструкція приймача повинна бути пристосована для вимірювання температури загальмованого потоку;

  • за можливістю, повинний бути забезпечений захист термопари від недопустимого механічного впливу потоків газів та високих температур;

  • у схемі ВП повинна бути забезпечена компенсація методичних (вплив температури холодного сплаву) і інструментальних температурних похибок;

  • при вимірювання температури газів в ГТД повинно бути забезпечено вимірювання середнє масової температури;

  • динамічна похибка термометрів повинна бути малою.
  1. Похибки термоелектричних термометрів


Механічним та електричним датчикам температури, які безпосередньо стикаються з середовищем, в якому проводять вимірювання, і температура якої змінюється (сюди не входять пірометри випромінювання), властиві наступні методичні похибки.

  1. Похибки із-за втрати від тепловипромінювання та теплопровідності. Ця похибка обумовлена тим, що температура стінок трубопроводу відрізняється від температури газу або рідини, що вимірюється, які протікають по цьому трубопроводу. Тому наряду з корисним теплообміном між середовищем і датчиком виникає шкідливий теплообмін між датчиком та стінками трубопроводу внаслідок променевого випускання та теплопровідності (із-за відтоку тепла до місця кріплення датчика). Це приводить до того , що температура датчика відрізняється від температури середовища і виникає методична похибка. Для зменшення цієї похибки слід збільшувати довжину поглибленої частини и периметр датчика, зменшувати товщину стінок, здійснювати теплову ізоляцію внутрішньої поверхні трубопроводу, частину датчика, що не поглиблена, і місце його кріплення.

  2. Похибки від неповного гальмування газового потоку. В термометрах, призначених для вимірювання істинної температури зустрічного потоку повітря, виникає похибка, причиною якої стає підвищення температури датчика із-за переходу у тепло кінетичної енергії потоку повітря при його гальмуванні датчиком.

Температура датчика в наслідок неповного гальмування потоку не досягає температури повного гальмування.

Ця похибка може бути врахована шляхом введення поправки. У навігаційних обчислювальних пристроях ця поправка вводиться автоматично.

В термометрах, призначених для вимірювання температури загальмованих газів, похибка виникає із-за неповного гальмування потоку датчиком.


  1. Динамічна похибка. Ця похибка обумовлена тим, що тепло передається від середовища до чуттєвого елементу з деяким запізнюванням внаслідок кінцевої швидкості передачі тепла, що залежить від матеріалу, маси та поверхні термічного патрону.

Ці три похибки являються загальними для всіх датчиків температури.

Похибки термометрів опору складаються з похибок, що вносить сам датчик, електричний ланцюг та інші структурні ланками ВП.

Датчику властиві методичні похибки, загальні для всякого авіаційного термометру.

Крім того, для терморезисторних датчиків характерні наступні похибки:



  • методична температурна похибка, що виникає із-за нагріву струмом теплочуттєвого елементу;

  • інструментальні температурні похибки, що виникають в наслідок різного нагріву елементів ВП при зміні температури навколишнього середовища;

  • похибка від впливу зовнішніх електричних та магнітних полів;

похибки, що виникають внаслідок тертя, гістерезису та ін.

Похибки термоелектричних термометрів складаються також з похибок які вносить сам датчик, електричний ланцюг та з похибок специфічних для термоелектричного методу вимірювання:



  • похибка від зміни температури θ2 вільних кінців. Зменшення цієї похибки досягається завдяки використанню тих чи інших температурних компенсаторів, які вимірюють температуру θ2 і автоматично вносять поправку у вихідний сигнал. Усунення цієї похибки досягається використанням термопари із сплавів НК-СА або НЖ-СК.

  • похибка, викликана впливом паразитних термо- е. р. с. Ця похибка має місце у тому випадку, якщо темпера у точках приєднання термоелектродів А і В до дротів, що їх з’єднують, С і Д неоднакова, а також, якщо неоднакова температура у точках з’єднання дротів з навантаженням.

Для зменшення цих похибок кінці з’єднаних дротів С і Д повинні розташовуватися поблизу один від одного з тім, щоб вони знаходилися у однакових температурних умовах.

  • похибка у наслідок зміни електричних опорів термопари, з’єднувальних дротів та покажчика при зміні температури навколишнього середовища. Компенсація цієї похибки здійснюється шляхом введення до вимірювальної електричної схеми додаткових опорів із спеціально підібраних матеріалів.

Питання для самостійної підготовки

  1. Призначення авіаційних термометрів?

  2. В яких системах літака вимірюють температуру авіаційні термометри?

  3. Класифікація авіаційних термометрів за призначенням?

  4. Класифікація авіаційних термометрів за принципом дії?

  5. Методи вимірювання температури?

  6. Принцип дії терморезисторного датчика температури?

  7. Що являється чуттєвим елементом термометрів опору?

  8. Будова термометрів опору?

  9. Принцип дії термоелектричного датчика температури?

  10. Що являється чуттєвим елементом термоелектричного термометру?

  11. Будова термоелектричних термометрів?

  12. Методичні похибки датчиків температури?

  13. Основні похибки термометрів опору?

  14. Основні похибки термоелектричних термометрів?

  15. Які вимоги висуваються до термоелектричних термометрів?


Література:

      1. Алексеев В.И., Авиационное оборудование, ВВИА им. Жуковского, 1971 – 466 арк.

      2. Браславский Д.А., Приборы и датчики летательных аппаратов, М., Машиностроение, 1970 – 392 арк.

      3. Браславский Д.А., Авиационные приборы и автоматы, М., Машиностроение, 1978 – 432 арк.

      4. Боднер В.А., Авиационные приборы, М., Машиностроение, 1969 – 469 арк.

      5. Подлесный Н.И., Рубанов В.Г., Элементы систем автоматического управления и контроля, К, Вища школа, 1975 – 272арк.


Додаткова література

  1. Асс Б.А., Антипов Е.Ф., Жукова Н.М., Детали авиационных приборов, М, Машиностроение, 1979 – 232 арк.

  2. Асс Б.А., Антипов Е.Ф., Жукова Н.М., Детали и узлы авиационных приборов и их расчет, М, Машиностроение, 1966 – 416 арк.

  3. Грохольский А.Л., Авиационные приборы, Пособие по курсовому проектированию, ч.І, К., 1971 – 168 арк.





База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка