Термокамеры, применяемые при испытании на воздействие повышенной температуры внешней среды

Повышение температуры изделий происходит под воздействием внешних и внутренних факторов, причем это воздействие может быть непрерывным (стационарным), периодическим и апериодическим.

Действие внешних факторов определяется климатическими условиями, местом установки (на самолете, корабле, автомобиле и т. д.) и назначением изделия. Климатические условия характеризуются, в частности, температурой окружающей среды и интенсивностью солнечной радиации, которые могут изменяться в широких пределах. Температура и скорость нагрева изделий под действием солнечной радиации зависят от размеров и цвета поверхности изделий, теплопроводности и теплоемкости материалов конструкций. Указанные факторы определяют предельную температуру нагрева, по достижении которой поверхность изделий начинает переизлучать принятую теплоту. В зависимости от места установки изделий на температуру и скорость нагрева может оказывать влияние скорость ветра.

Действие внутренних факторов определяется схемой и конструкцией изделия.

Непрерывному тепловому воздействию подвергаются изделия, эксплуатирующиеся или хранящиеся в стационарных температурных условиях (в помещении). Длительность установления стационарного режима определяется назначением изделия и принятым схемно-конструкторским решением и составляет 0,5...2,5 ч.

Периодическому тепловому воздействию подвергаются транспортируемые изделия или изделия, эксплуатируемые на открытом воздухе. Такой вид воздействия связан с быстрыми изменениями условий эксплуатации (взлет и посадка самолета, работа в полевых условиях и т. д.), а также при суточном изменении температуры (циклическое воздействие температуры). Периодические изменения температуры приводят к многократным деформациям различных элементов. Причем интенсивность воздействия тем больше, чем больше перепад между) повышенной и пониженной температурами, а также чем больше скорость и частота их изменений. Для изделий, эксплуатирующихся в наземных условиях на открытом воздухе, перепады температуры за время их прогрева могут превышать 60 °С. Продолжительность прогрева зависит от назначения изделия и его схемно-конструкторского решения и колеблется в диапазоне 10 мин...З ч. При эксплуатации изделий авиационной техники перепады температуры могут достать 80 °С при скорости изменения температуры до 50°С·мин^-1.

Апериодическому тепловому воздействию подвергаются изделия, устанавливаемые на ракетах (в моменты запуска и вхождения в плотные слои атмосферы) и в ряде других случаев. Резкое изменение температуры может приводить к внезапному возникновению отказов, вызванному изменением электрофизических, физико-химических и механических свойств материалов и элементов.

Таким образом, повышение температуры изделий при эксплуатации, хранении и транспортировании может вызывать появление постепенных и внезапных отказов изделий. Поскольку повышение температуры происходит под воздействием внешних и внутренних факторов, то важное значение приобретает состояние изделия. Состояние изделия определяется тем, является ли оно тепловыделяющим (теплорассеивающим) или нетепловыделяющим (нетеплорассеивающим). Температура тепловыделяющего изделия зависит не только от условий окружающей среды, но и от количества рассеиваемой им теплоты, что следует учитывать при испытании.

В качестве основы для проектирования и разработки НТД на проведение испытаний пользуются стандартными условиями окружающей среды. Воспроизведение условий испытаний, близких к реальным, возможно в климатичес­ких испытательных камерах, габаритные размеры которых во много раз превышают габаритные размеры изделия. В этом случае в камере создаются условия, примерно аналогичные свободному обмену воздуха в пространстве. Однако реализация таких испытаний весьма затруднительна, поэтому широкое распространение получили камеры с принудительной циркуляцией воздуха, что существенно облегчает установление и поддержание определенного температурного режима. Для оценки возможности воспроизведения в термокамерах различных испытательных режимов необходимо ввести ряд специфических параметров для термокамер.

1. Неравномерность распределения температуры в полезном объеме кзмеры, определяемая разностью температур

t_нер=t_{j max} – t_{j min},

где t_{j max}, t_{j min} —температуры в экстремальных точках полезного объема камеры.

Неравномерность распределения температуры в полезном объеме камеры зависит от способа нагрева или охлаждения (термостатирования), расположения нагревателей (охладителей), системы циркуляции воздуха, теплоизоляции и ряда других конструктивных особенностей камеры.

2. Колебание температуры в экстремальных точках полезного объема камеры, вычисляемое по формулам

где a_j — амплитуда колебаний температуры; t_{j max}, t_{j min} — максимальное и ми­нимальное значения температуры в экстремальных точках:

t_{j max}=max(t_{i max}); i=1, …, k

t_{j min}=min(t_{j min}); i=1, …, k

— коэффициенты, учитывающие динамическую погрешность измерений t_{j max} и t_{j min} соответственно:

, — показатели тепловой инерции термопреобразователей, учитывающие скорость воздушного потока в экстремальных точках.

Указанные коэффициенты зависят от тепловой инерционности датчиков, которая не должна превышать 10с, а также от работы регулирующего устройства, определяющего период колебаний температуры t_ка в камере, под которым понимают минимальное время между двумя включениями регулирующего устройства камеры, найденное не менее чем из трех циклов автоматического регулирования:

где q — число циклов автоматического регулирования (q=1, …,Q);

— дли­тельность одного цикла.

3. Отклонение температуры в полезном объеме камеры от заданного значения, определяемое разностью между максимальным значением тем­пературы в экстремальной точке () и температурой в контрольной точке, принимаемой за заданное ():

;

где — среднее арифметическое значение температуры в экстремальных точках:

Максимальное и минимальное мгновенные отклонения температуры в полезном объеме камеры от заданного значения определяются формулами

4. Относительная разность между температурой стенки и температурой воздуха в полезном объеме камеры, зависящая от способа нагрева (охлаждения), оценивается в процентах:

где — среднее арифметическое значение температуры в точках полезного объема; — значение температуры стенки рабочего объема камеры, определяемое как среднее арифметическое значение результатов измерений:

где q — номер стенки (g=1, 2,..., т); т — число стенок; i — номер измерения; k — число измерений; t_iq — значение температуры в геометрическом центре g -й стенки при i -м измерении.

Температуру стенок измеряют с помощью термодатчика, закрепляемого в геометрическом центре каждой стенки любым способом, обеспечивающим его тепловой контакт со стенкой (например, с помощью теплопроводящей замазки). Анализ теплообмена, классификации камер и их основных параметров, а также приведенных выше параметров термокамер позволяет сформулировать некоторые зависимости параметров камер от механизма теплообмена (табл. 1).

Таблица 1 - Зависимость параметров камер от механизма теплообмена

Нагрев (термостатирование) камер может осуществляться двумя основными способами: прямым (непосредственным) и косвенным. Прямой нагрев воздуха в камере может осуществляться за счет расположения электронагревателей за внутренней стенкой (за рубашкой) камеры, окружающей ее рабочий объем со всех сторон (рис. 19), а также за счет принудительной циркуляции воздуха, предварительно нагретого электронагревателями, расположенными внутри камеры за специальным экраном (рис. 20).

Хорошие результаты дает нагрев воздуха за счет расположения электронагревателей за рубашкой камеры, окружающей ее рабочий объем со всех сторон (см. рис. 19). В этом случае обеспечиваются равномерность пространственного распределения температуры и высокая ее стабильность при сравнительно небольшой скорости движения воздуха, что создает условия, близкие к свободному обмену воздуха в камере. Высокая равномерность нагрева обеспечивается за счет большой поверхности нагрева и достаточно большой мощности электронагревательных элементов, обеспечивающих получение высокой температуры.

К достоинствам данных камер можно отнести минимальное время достижения предельных температур и восстановления температурного режима камеры после помещения в нее испытуемых изделий. Однако необходимость при большом объеме иметь большую мощность нагревателей ограничивает применение данного способа нагрева. В связи с этим получили применение камеры с принудительной циркуляцией воздуха.

Осуществление прямого нагрева за счет циркуляции воздуха, предварительно нагретого электронагревателями, расположенными внутри камеры (см. рис. 20), несколько упрощает конструкцию камеры. В этом случае для получения однородного потока воздуха вентилятор, создающий повышенное давление, размещают в форкамере, откуда выход воздуха может осуществ­ляться через фильтр (например, из стекловолокна). В форкамере могут также размещаться нагревательные элементы. Предусматривается одновременная регулировка нагрева и скорости воздушного потока. В некоторых конструкциях электронагревательные элементы и фильтры конструктивно объединяются в один узел в виде стеклоткани с вплетенными в нее обогревательными элементами. Принудительная циркуляция воздуха, предотвращающая перегрев тепловыделяющих изделий, не должна приводить к чрезмерному их охлаждению. Практически достаточная для всех случаев скорость воздушного потока составляет 0,5 м·с^-1. Однако при одновременном испытании группы изделий в одной камере следует уделять большее внимание выбору скорости и направ­ления воздушного потока. Так, для уменьшения влияния конвекции на однородность воздушного потока предусматривают его вертикальную при­нудительную циркуляцию.

Рис. 19 - Испытательная камера тепла и холода с прямым нагревом и охлаждением за счет электронагревателей и испарителей, размешенных за внутренней металлической стенкой (за рубашкой) камеры: 1 — контрольный датчик температуры; 2—«рубашка» камеры; 3 — вентилятор; 4 — регулятор температуры; 5 — холодильная установка; 6 — электронагреватель	Рис. 20 - Испытательная камера тепла и холода с прямым нагревом и охлаждением за счет циркуляции воздуха: 1 — контрольный датчик температуры; 2 —вентилятор; 3 — регулятор температуры; 4 — охладитель (испаритель); 5 — электронагреватель; 6 — канал циркуляции воздуха; 7—холодильная установка

К недостаткам данной конструкции камеры можно отнести большую продолжительность нагрева и большой потребляемый объем воздуха.

Существуют камеры, сочетающие циркуляцию и нагрев воздуха в пространстве за рубашкой камеры.

К преимуществам камер с прямым способом нагрева можно отнести их относительную простоту и невысокую стоимость. Однако у них имеются и существенные недостатки: наличие больших колебаний температуры за счет ее скачков при включении и выключении нагрева регулятором; необходимость частых включений, вызванных низкой теплоемкостью воздуха; трудность точной установки заданной температуры.

В камере с косвенным нагревом (рис. 21) (термостатированием) для осуществления интенсивного теплообмена, при котором происходит передача тепла от одной среды к другой, используется специальная промежуточная среда, обеспечивающая перенос теплоты от нагревателя к нагреваемому телу или от охлаждаемого тела к охладителю, называемая термоносителем (в камерах теплоты — теплоносителем, а в камерах холода — холодоносителем).

Рис. 21 - Испытательная камера тепла с косвенным нагревом за счет циркуляции термоносителя в «зарубашечном пространстве»:

1 — контрольный датчик температуры; 2 — вентилятор; 3 —регулятор температуры; 4 — нагреватель; 5—циркуляционный насос; 6- -нагреватель; 7 — термостат (емкость с термоносителем)

Термоносители могут быть жидкими и газообразными веществами. В испытательных камерах в основном применяются жидкие термоносители. В камерах теплоты или в комбинированных камерах нагреватель располагается в теплообменном аппарате — термостате, в котором происходит нагрев термоносителя.

Термостат представляет собой бак с расположенным в нем радиатором нагревателя. В термостате также могут быть смонтированы: насос, обеспечивающий подачу нагретого термоносителя; термодатчики (терморезисторы) регулировочного устройства; предельное реле температуры, отключающее нагрев при температуре термоносителя, превышающей допустимое для него, значение. При подаче команды на нагрев термоноситель нагревается в термостате и подается насосом в каналы рубашки камеры, а далее обратно в термостат. После достижения заданной температуры нагреватель отключается и нагрев прекращается. Предусматривается возможность нескольких фиксированных скоростей нагрева.

Рис. 22 - Системы циркуляции воздуха в камерах с различным расположением вентилятора:

а — в задней части камеры; б —на потолке камеры; в — на потолке камеры с воздуховодами; 1 — вентилятор; 2 — нагреватель; 3 —испаритель; 4 — экран

В современных термокамерах кожух изготовляют из коррозионно-стойкой стали. Внутренние стенки («рубашка» камеры) также могут изготовляться из коррозионно-стойкой стали или из чистого алюминия. Применяемый способ изготовления внутренних стенок камер с косвенным нагревом обеспечивает образование в них системы каналов, служащих теплообменником для термоносителя, что обеспечивает хорошее распределение температуры в рабочем объеме камеры. Наружную поверхность стенок камеры часто полируют.

Для поддержания определенного температурного режима внутри камеры и для исключения влияния окружающей температуры на ее работу между стенками камеры располагают термоизоляционный материал с малым коэффициентом теплопроводности (λ≈0,035÷0,14 Вт·м^-1·К^-1) и малой плотностью (ρ = 25÷300 кг·м^-3). Термоизоляционный материал должен удовлетворять следующим основным требованиям: быть химически инертным, морозоустойчивым, обладать негорючестью, сопротивляемостью проникновению грызунов, действию грибов и микроорганизмов. В качестве термоизоляционных материалов находят применение органические пластмассы (пенополистирол, пенополиуретан), а также неорганические пластмассы (пеностекло, минеральная вата и т. д.). Сверху термоизоляционный материал покрывают гидроизоляционным слоем.

Принудительная циркуляция воздуха в камере зависит от ее аэродинамики, определяемой местом расположения вентилятора и конструкцией воздуховодов. В камерах с прямым нагревом вентилятор чаще всего располагается в задней части рабочего объема камеры (рис. 22, а). Всасываемый из камеры воздух проходит через нагреватель (охладитель) и вновь поступает в камеру. При этом воздух из нижней части камеры устремляется вверх. В камерах с косвенным нагревом возможны два расположения вентилятора: в задней стенке или на потолке камеры. Вентилятор, расположенный на потолке камеры, всасывает воздух из рабочего объема камеры и направляет его вдоль стен с расположенными в них теплообменниками (рис. 22, б). Можно прогонять воздух по специальным воздуховодам, в которых расположены теплообменники, и далее через перфорированные донные листы в рабочий объем камеры (рис. 22, в). Иногда в камерах на пути циркуляции воздуха ставят специальные жалюзи, позволяющие изменять направление его потока.

Рис.23 - Распределение температуры в камерах с прямым и косвенным нагревом:

а — за счет электронагревателей в камере; б—за счет циркуляции термоносителя в теплообменнике за рубашкой камеры; Т_н — температура нагревателя; Т _В — температура воздуха в камере; Т_ВН.С — температура внутренней стенки; Т_н.с—температура наружной стенки; Т_н.п — температура наружного пространства; ΔТ —разность температур

Сравнивая камеру прямого нагрева с расположенным в ней электронагревателем (рис. 23, а) с камерой косвенного нагрева, обеспечивающей нагрев за счет циркуляции термоносителя в ее рубашке (рис. 23, б), и имея в виду, что нагрев зависит от теплопотерь, определяемых теплопередачей стенок камер, можно оценить распределение температуры в стенке камеры. В первом случае (рис. 23, а) имеет место большая неравномерность температуры в камере, вызванная более низкой температурой стенок камеры по сравнению с тем­пературой воздуха, так как теплоизоляция не может покрыть потери тепла в воздухе. Во втором случае (рис. 23, б) разность температуры воздуха в камере и стенки незначительна.

Приведенные соображения позволяют сделать вывод, что для ими­тации условий свободного обмена воздуха нецелесообразно располагать на­гревательные элементы в рабочем объеме камеры, так как изменение их температуры в процессе регулирования будет приводить к неравномерности ее распределения в камере. Лучшие результаты дают камеры косвенного нагрева, обеспечивающие нагрев стенок камеры. Следует обращать внимание на состояние по­верхности стенок камеры, от которого зависит излучение теплоты.

В конструкциях камер предусмат­ривается внутреннее освещение, специальные проходные отверстия для подведения по проводам (кабелям) сигналов и питающих напряжений к испытуемым изделиям.

В камере размещаются чувстви­тельные элементы (ЧЭ) — термопреобразователи, сигналы с которых подаются к системе автоматического регулирования (САР) (рис. 24). САР температуры воздуха в основном состоит

Рис. 24 - Структурные схемы САР температуры воздуха в испытательной камере:

а —замкнутая; б— разомкнутая; в— комбинированная с алгебраическим суммированием

из объекта управления (ОУ) и управляющего устройства (УУ). К объекту регулирования относится: нагреватель (Н) климатической испытательной камеры (К), а в некоторых камерах нагреватель с воздуховодом, обеспечивающим подведение нагретого воздуха в камеру. К управляющим устройствам относятся: контрольные датчики температуры (ЧЭ), элементы сравнения заданной и контролируемой температур; сигнальное устройство для подачи сигналов о достижении заданной температуры; программное и исполнительное устройства.

Возможны три основных типа САР температуры воздуха в камере: при установке контрольного термопреобразователя (чувствительного элемента ЧЭ) воздуха в камере (после теплообменника) — замкнутая система регулирования (рис. 24, а);

при установке контрольного термопреобразователя в воздуховоде— разомкнутая система регулирования, так как изменение температуры в камере не вызывает изменений в управляющем устройстве (рис. 24, б);

при установке двух контрольных термопреобразователей в местах, соответствующих указанным в рассмотренных выше системах,— комбинированная система с последующим алгебраическим суммированием воздействий (рис. 24, в).

В некоторых современных камерах такая контрольно-измерительная система с регулированием включает в себя микроЭВМ.

Температура воздуха в испытательных камерах измеряется с помощью термометров. Она характеризует как качественную, так и количественную сторону процесса теплообмена. Непосредственно измерить температуру нельзя, но можно определить ее значение по однозначному изменению некоторых физических параметров тела. Такими параметрами, зависящими от температуры, являются, например, объем, длина, электрическое сопротивление, термоэлектродвижущая сила, энергетическая яркость излучения и др.

Температуру измеряют с помощью термоизмерительных преобразователей (датчиков), которые получили название термометров. Термометры предназначены для выработки сигнала в форме, удобной для восприятия наблюдателем, автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления.

Термопреобразователи классифицируются по ряду признаков.

1. По физическому явлению, положенному в основу принципа действия, различают термометры расширения, термометры сопротивления, термоэлект­рические термометры, пирометры и т. д.

2. По связи с объектом измерения термопреобразователи могут быть контактными и бесконтактными.

3. По классу точности термопреобразователи определяются пределами допустимых основных и дополнительных погрешностей, а также другими влияющими на точность измерения свойствами, значения которых устанавливаются специальными стандартами.

4. По инерционности различают три группы термопреобразователей (табл. 2), характеризуемые различными значениями показателя тепловой инерции.

Таблица 2 - Тепловая инерционность термопреобразователей

Показателем тепловой инерции называют время, необходимое для того, чтобы при внесении термопреобразователя в среду с постоянной температурой разность температуры среды и любой точки термопреобразователя составила 0,37 температуры, которую имела среда в момент наступления регулярного теплового режима. Показатель тепловой инерции термопреобразователя зависит от физического явления, положенного в основу его принципа действия, и определяется при коэффициенте теплоотдачи, равном бесконечности.

5. По способу применения различают погружаемые, поверхностные и комнатные термопреобразователи. Погружаемые термопреобразователи сопротивления предназначены для измерения температуры газообразных или жидких химически агрессивных и неагрессивных сред, не разрушающих защитную арматуру. Возможен ряд конструктивных решений унифицированной защитной арматуры. Поверхностные термопреобразователи предназначены для измерения температуры поверхности различных изделий.

6. По условиям использования термопреобразователи могут быть стаци­онарными и переносными.

7. По конструктивным признакам термопреобразователи могут различать­ся: по степени защищенности от воздействия внешней среды (с обыкновенной и взрывобезопасной головками); по герметичности и по отношению к измеря­емой среде (обыкновенные и герметичные); по устойчивости к механическим воздействиям (обыкновенные, виброустойчивые и ударопрочные); по условиям эксплуатации (в нормальных, тропических или в других условиях).

В испытательных камерах находят применение жидкостные термометры расширения, принцип действия которых основан на расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре, при повышении температуры. Среди получивших распространение термометрических жидкостей наиболее широко используется химически чистая ртуть, характеризующаяся следующими преимуществами: не смачивает стекло, остается жидкостью в широком интервале температур. Недостатками ртутных термометров являются: ограниченный нижний предел измерения —35º С (температура затвердения ртути); малый температурный коэффициент объемного расширения, требующий изготовления термометров с тонкими капиллярами.

В испытательных камерах находят применение ртутные электроконтактные термометры, особенностью которых является наличие в капилляре подвижного рабочего контакта, перемещаемого с помощью магнитной головки по винту. Температура задается установкой подвижного контакта по шкале термометра на определенный уровень. При достижении заданной температуры ртуть поднимается по капилляру и замыкает электрическую цепь регулятора температуры, коммутирующего энергетические агрегаты. В испытательных камерах применяют термометры с подвижным рабочим контактом типа ТПК, позволяющие стабилизировать тепловой режим на любом температурном уровне в пределах шкалы термометра. Диапазон измеряемых температур — 30... + 300° С. Допускаемые погрешности технических термометров не должны превышать деления шкалы. Например, при цене деления 0,5° С предел допускаемой погрешности составляет ±0,5º С.

Для измерения температуры в испытательных камерах и в различных системах терморегулирования широкое применение находят термосопротивления (терморезисторы). В данном случае измерение температуры основано на зависимости сопротивления проводников и полупроводников от температуры. Проводниковые терморезисторы характеризуются высокой стабильностью тем­пературного коэффициента сопротивления (ТКС), линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инер­тностью к воздействиям окружающей среды. Проводниковые терморезисторы изготовляют из меди, платины, а также из вольфрама и никеля.

Сопротивление медных проводников в диапазоне температур — 50...+ 180° С определяется по формуле

где α = 4,26 10^-3 К^-3; R₀ — сопротивление при 0° С; Т₁ — заданное значение температуры.

Сопротивление платиновых проводников в диапазоне температур 0... + 650⁰ С определяется по формуле

где R₀ — сопротивление при 0°С; А = 3,90784·10^-3K^-1; B=5,7841·10^-7K^-2;

Т₁ — заданное значение температуры.

Основой проводниковых термопреобразователей сопротивлений являются термометрические чувствительные элементы (ТЧЭ). Элементы сопротивления изготовляют из платиновой проволоки диаметром 0,05...0,07 мм (тип ЭСП) и из медной проволоки диаметром 0,07...0,08 мм (тип ЭСМ).

Необходимость измерения сверхнизких температур приводит к применению платины высокой чистоты. Термопреобразователи, использующие проводники из указанного материала, позволяют измерять температуры до —260° С.

Промышленные термометры сопротивления бывают двух типов: платиновые (ТСП) и медные (ТСМ). В табл. 10.3 приведены данные по некоторым термометрам сопротивления.

Точность термометров сопротивления характеризуется несколькими классами, оцениваемыми допустимым отклонением сопротивления по отношению к сопротивлению при 0° С (табл. 10.4).

В соответствии со способом применения для измерения температуры поверхности осуществляют «плоскую» конструкцию ТЧЭ поверхностного типа, представляющую собой обмотку из платиновой проволоки диаметром 0,05 мм, покрытую винифлексовым лаком.

Выпускаются термопреобразователи сопротивления, предназначенные для измерения очень низких температур. Находят применение термопреобразователи из индия, германия, графита и угольные, позволяющие измерять температуру до —273° С.

Таблица 3

Полупроводниковые терморезисторы (ПТР) отличаются от проводниковых следующими основными свойствами:

- большей чувствительностью к изменению температуры; ТКС полупроводниковых терморезисторов отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры: α = В/Т² (ТКС составляет З...6% на 1° С в то время, как для проводниковых термометров ТКС равен в среднем 0,4%);

- наличием большого внутреннего сопротивления, что позволяет осуществлять дистанционные измерения;

- малыми габаритными размерами и инерционностью, дающими возможность использования их в труднодоступных местах;

- высокой механической прочностью, большим сроком службы и сравнительно низкой стоимостью.

Существенными недостатками полупроводниковых терморезисторов являются: нелинейность зависимости значения сопротивления от температуры, значительный разброс значений сопротивлений от образца к образцу и ряд других. Сопротивление ПТР для любой температуры Т можно определить из следующего соотношения:

где В=t₂t₁/(t₂ – t₁)ln(R₁/R₂); R₁и R ₂ — сопротивления при температурах t₁ и t_2.

Полупроводниковые терморезисторы изготовляются разнообразных форм, размеров и характеристик (табл. 3).

В испытательных камерах и при непосредственных измерениях температуры находят применение термоэлектрические преобразователи. Термоэлектрические преобразователи основаны на явлении термоэлектричества, открытом в 1823 г.

Рис. 25 - Схема принципа действия термоэлектрических преобразователей

Это явление заключается в том, что если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 25, а), то при условии, что температура t₁ одного места соединения отлична от температуры t₂ другого места соединения, в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой (термоЭДС).

Дальнейшее преобразование измерительной цепи: размыкание контура (рис. 25, б), включение проводников и милливольтметра (рис. 25, в) — позволяет определить значение термоЭДС:

Е = Е_AВ(t₁)-Е_АВ(t₂).

Полученная суммарная термоЭДС для данной пары проводников зависит только от значений абсолютных температур T ₁ и Т₂ и не зависит от длины и диаметра термоэлектродов, а также от их удельных электрических со­противлений. Спай термопары, помещенный в среду с измеряемой тем­пературой, называется рабочим концом (горячим спаем), а спай, температура которого поддерживается постоянной, свободным (холодным спаем).

ТермоЭДС, развиваемая термопарой, составляет 0,01...0,06 мВ·ºС, и для ее измерения пользуются милливольтметром или потенциометром, включаемым между свободными концами термопары либо в разрыве между частями одного из термоэлектродов. В первом случае (рис. 25, б) у термопары будут три спая: один горячий с температурой t₁ и два холодных, которые должны иметь постоянную температуру t ₂. Во втором случае (рис. 25, в) будут четыре спая: один горячий с температурой t₁ один холодный с температурой t ₂ и два нейтральных, имеющих одну температуру t ₃.

Для измерения температуры среды необходимо, чтобы свободные концы (холодный спай) находились при постоянной температуре, что требует использования весьма длинных и гибких термоэлектродов термопар, обеспечивающих их размещение в удалении от рабочего (горячего) спая. В целях экономии благородных металлов, используемых для изготовления термоэлектродов, соединительные провода А₁ и В₁ (рис. 26) делают из другого металла. Эти провода, идущие от зажимов головки термопары к сосуду V, в котором поддерживается постоянная температура t₀, называются удлинительными термоэлектродами.

Таблица 4 - Характеристики некоторых типов полупроводниковых терморезисторов

Однако удлинительные термоэлектроды должны быть термоэлектрически идентичны основной термопаре. Так, например, для термопары платинородий — платина применяют удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующих термоидентичную термопару. Далее их соединяют обычным проводом с измерительным прибором.

Рис. 26. Удлинительные термоэлектроды

Очевидно, что пользоваться каким-либо устройством для поддержания постоянства температуры неудобно, поэтому термопары градуируют при температуре свободных концов, равной нулю. На практике температура свободных концов отличается от 0° С на величину +t₀, и измеренная термоЭДС будет меньше реальной, что приводит к необходимости введения поправки в показания термометра. Пользуясь градуировочной кривой (рис. 10.10), определим действительное значение температуры, для чего по известному значению температуры свободных концов +t₀ найдем соответ­ствующее значение поправки термоЭДС Δ Е.

Рис. 27 - Градуировочная кривая для опре­деления температуры с помощью термопары

Отложим от оси абсцисс значение температуры t', измеренное термометром, и найдем по графику соответствующее ему значение термоЭДС Е_изм, к которому прибавим ранее определенное значение поправки Δ Е и определим скорректированное значение температуры t. В ряде случаев поправка на температуру вводится автоматически за счет построения специальных мостовых схем измерения. Ниже приведены данные по некоторым термопарам в соответствии со стандартом:

Тип термопары Пределы измеряемых тем ператур, ºС

Медь — копелевая............................................................ —200... + 100

Медь—медноникелевая.................................................. —200... +400

Железо — медноникелевая............................................... —200... +700

Хромель — копелевая...................................................... —50... +600

Для измерения температур ниже -50° С находят применение специальные термопары, например медь — константан (до -270° С). Для измерений температур с помощью выпускаемых промышленностью терморезисторов и термоэлектрических преобразователей в основном используются автоматические электронные мосты и потенциометры. Иногда находят применение милливольтметры.

В некоторых случаях возможно применение температурных индикаторов, принцип действия которых основан на химической реакции специальных покрытий, возникающей при температурном воздействии. Термоиндикаторы позволяют оценивать температуру по изменению яркости или цвета свечения. Таким образом, оказывается возможным быстро получить информацию о тепловом состоянии изделия. Преимуществами применения термоиндикаторов являются наглядное распределение температур на изделии, простота и экономичность. К основным недостаткам можно отнести невысокую точность и инерционность. Термоиндикаторы, использующие изменение цвета, могут быть обратимыми, т. е. многократно меняющими цвет, и необратимыми, обладающими свойствами запоминания температуры. Примером необратимого термоиндикатора являются самоклеющиеся бумажные полоски с 10 градациями температур по их длине (от +37,8 по 77° С).

При современном миниатюрном исполнении некоторых узлов и радиоэлементов измерение их температуры с помощью контактных термопреобразователей оказывается не всегда возможным, так как присоединяемая к ним масса контактного термопреобразователя, обладающая определенной тепло­проводностью, снижает их температуру. В таких случаях целесообразно использовать бесконтактные средства измерения температуры, к которым относятся приборы, принцип действия которых основан на регистрации теплового излучения. Эти средства получили название пирометров. В данном случае представляют интерес пирометры, обеспечивающие информацию о температуре в определенной точке изделия.

По принципу действия различают яркостные, радиационные и цветовые пирометры. Яркостные визуальные пирометры применяют для измерения яркостных температур. Их принцип действия основан на зависимости спектральной яркости нагретых тел от температуры, описываемой законами Планка и Вина. В приводимом в качестве примера яркостном пирометре испускаемые изделием и образцовой лампой инфракрасные (ИК) излучения преобразуются в видимое излучение с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОП) или видикона (рис. 27). Изменяя ток накала лампы, добиваются совпадения яркости нити с исследуемым изделием (рис. 27, г) и по ИК-измерению определяют его температуру. Яркость нити, большая яркости изделия, соответствует положению, показанному на (рис. 27, б), а яркость нити, меньшая яркости изделия,— положению, показанному на рис. (27, в). Применение светофильтров позволяет повысить точность измерения. Рассмотренный яркостный пирометр, предназначенный для измерения высоких температур (600...6000° С), в процессе испытаний не применим. Однако использование в указанном пирометре видикона позволяет измерять более низкие температуры (~ 200º С).

Выпускаются ИК-приборы с цифровой индикацией, измеряющие температуры в диапазоне -30...+99,9° С или -30... +1400° С на расстоянии от 0,1 до 0,7 м с размерами теплового пятна диаметром до 7 мм.

Радиационные пирометры основаны на использовании закона Стефана — Больцмана, выражающего зависимость излучаемой изделием энергии от его температуры. Чувствительными элементами радиационных пирометров являются некоторые термопары и термисторные болометры. Иногда находят применение так называемые термобатареи (последовательно соединенные термопары). Термисторным болометром называется прибор, предназначенный для измерений энергии излучения. Его принцип действия основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента при нагревании его за счет поглощения измеряемого потока излучения. Термочувствительный элемент представляет собой тонкий (0,1... 1 мкм) слой металла (никель, золото, висмут и др.), поверхность которого покрывается слоем черни, имеющим большой коэффициент поглощения в широкой полосе частот.

Рис. 27 - Яркостный визуальный термометр:

а — оптическая схема: 1 — изделие; 2 —объектив; 3 — диафрагма; 4 — нейтральный фильтр; 5 — плоскость спирали пирометрической лампы; 6 — окуляр; 7 — красный фильтр; б, в, г — поля зрения приборов для различных режимов накала нити лампы

Под действием потока радиации изменяется на некоторую величину Δt температура чувст­вительного элемента, что вызывает соответствующее изменение сопротивления болометра, а следовательно, и силы тока в его электрической цепи. В результате на нагрузочном сопротивлении возникает падение напряжения, которое и является мерой мощности излучаемого потока радиации. Радиационные пирометры на термисторных болометрах обеспечивают измерение температур в диапазоне -50...+ 100° С.

Поиск по сайту: