Авиационные термометры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева»

Институт гражданской авиации и таможенного дела

Кафедра «Технической эксплуатации авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов»

Направление подготовки 25.03.02 - «Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов»

Курсовая работа

по дисциплине: «Автоматизированные информационно-измерительные системы»

Авиационные термометры

Выполнил студент:

Духанов В.В.

Форма обучения - заочная

Проверил:

Мусонов В.М.

Красноярск 20__ г.



Содержание

температура термопреобразователь датчик сопротивление

Введение

1. Общие сведения об измерении температуры

1.1 Понятие температуры

1.2 Особенности измерения температуры

1.3 Авиационные термометры

2. Термобиметаллические термометры

3. Терморезистивные преобразователи

3.1 Принцип действия. Измерительные цепи

3.2 Термопреобразователи сопротивления на основе металлов

3.3 Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления

3.4 Особенности устройства термометров сопротивления

3.5 Параметры терморезисторов

3.6 Погрешности терморезисторных термометров

4. Термоэлектрические термометры

5. Общие методические погрешности датчиков температуры

Заключение

Список использованных источников



Введение

Температура как физическая величина является одним из определяющих параметров состояния, позволяющих контролировать протекание самых различных производственных процессов. Измерение температуры - важнейший источник информации о ходе физических явлений и об изменении состояния вещества. Поскольку из всех термодинамических функций состояния вещества температура наиболее изучена в метрологическом отношении, ее практически оказывается полезным измерять взамен прямого измерения ряда характеристик объекта, зависящих от его состояния и непосредственно интересующих технолога. К таким характеристикам относятся энергия вещества, его химическая активность, вязкость, твердость, изменение его химического или фазового равновесия, скорость изменения структуры, тепловое расширение, изменение электрических и магнитных свойств и так далее.

В то же время измерению температуры контактными методами с помощью термометров, приводимых в тепловой контакт с объектом измерения, присущи специфические трудности, резко возрастающие по мере повышения температуры. Эти трудности связаны с выбором материала для чувствительного элемента, которые бы обеспечивали стабильность показаний и минимальное воздействие на объект измерений, с выбором изоляционных материалов для электрических термометров. Погрешности, связанные при контактных измерениях с несовершенством теплового равновесия между термометром и объектом, с плохим тепловым контактом и посторонними тепловыми влияниями могут быть значительными.

Измерение температуры по тепловому излучению создает возможность обойти все эти трудности, так как отсутствует прямое воздействие температуры на конструкционные материалы измерительного прибора, а само измерение осуществляется бесконтактно.



1. Общие сведения об измерении температуры

1.1 Понятие температуры

Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами.

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

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

, (1)

где m - их масса; н - средний квадрат скорости поступательного движения молекул; k - постоянная Больцмана.

Распределение энергии поступательного движения между молекулами характеризуется выражением:



(2)

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

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

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

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

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

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

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

Уравнение состояния идеального газа - уравнение Клапейрона

сV=RT, (3)

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

Закон Кюри:

м=с/Т (4)

где м - магнитная восприимчивость парамагнитной соли; с - постоянная, определяемая при градуировке;

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

, (5)



где h - постоянная Планка; - частота.

При kT уравнение принимает вид ?U2 = 4RkT;

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

, (6)

где с1 и с2 - постоянные.

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

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

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

Развитие отраслей техники, нуждающихся в надежных методах измерений температур, выходящих далеко за пределы интервала (0ч100) °С и обладающих более высокой воспроизводимостью, чем газовый термометр. В 1933 г. на 8-й Генеральной конференции было утверждено Положения об МПТШ-27.

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

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

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

1.2 Особенности измерения температуры

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

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

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

, (7)

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

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

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

, (8)

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

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

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

, (9)

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

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

, (10)

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

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

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

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

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

, (11)



где - коэффициент теплопередачи.

Это же количество тепло можно выразить через повышение температуры элемента:

, (12)

где с - удельная теплоемкость материала чувствительного элемента.

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

(13)

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

, (14)

где - постоянная временная чувствительного элемента.

, (15)

где m - масса чувствительного элемента.

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



, (16)

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

Рисунок. 1. Переходная функция термочувствительного элемента

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

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

(17)



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

1.3 Авиационные термометры

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

Таблица 1. Классификация термометров по принципу действия (ГОСТ 13417-76).

Классификация термометров по принципу действия (ГОСТ 13417-76)Назначение термометра	Принцип действия	Принципиальная схема	Диапазон измеряемых температур, С
Термометры расширения:	Основаны на зависимости удельного объема вещества от температуры		от - 70 до +750
дилатометрический			от - 60 до + 900
биметаллический			от - 60 до + 250
манометрический			от - 50 до + 400
Термометр сопротивления	Основан на зависимости сопротивления термопреобразователя от температуры		от - 270 до + 1000
Термоэлектрический термометр	Основан на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры		от - 260 до + 2500
Пирометр	Основан на зависимости теплового электромагнитного излучения тела от его температуры		от 600 и выше



2. Термобиметаллические термометры

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

Рисунок 2. Биметаллические пластины

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

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

А = жl2(t1-t2)/s, (18)

где ж -- удельный изгиб пластины, зависящий в основном от разности коэффициентов линейного расширения использованных металлов; l - длина пластины; s - толщина.

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

, (19)

где b - ширина пластины; Е - модуль упругости.

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

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

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

Рисунок. 3. Структурная схема биметаллического термометра: y - деформация элемента, l - передаточная характеристика; - угол отклонения стрелки.

Передаточная функция равна:



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

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

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



3. Терморезистивные преобразователи

3.1 Принцип действия. Измерительные цепи

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

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

Принципиальная схема термометра сопротивления показана на Рисунок 4.

Рисунок 4. Принципиальная схема термометра сопротивления: 1 - приемник, 2 - указатель.

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

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

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

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

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

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

,

где ДR- изменение сопротивления первичного преобразователя; ДU - напряжение рассогласования моста; - отношение токов в рамках логометра и ц - отклонение стрелки.

В термометре уравновешивающего преобразования последовательность преобразования будет

,



где ДRq и ДR - изменение сопротивлений терморезистора и схемы; ДU - разбаланс схемы; U - напряжение на выходе усилителя; I - сила тока в обмотке двигателя; ц1- угол отклонения вала двигателя.

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

Рисунок 5. Схема прямого преобразования

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

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

3.2 Термопреобразователи сопротивления на основе металлов

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

, (20)

где R и R0 - сопротивления, соответствующие температурам и и и0; б- температурный коэффициент сопротивления.

Уравнение (20) справедливо при малых отклонениях температуры.

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

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

(21)

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

Рисунок 7. Характеристики сопротивлений



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

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

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

, (22)

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

Для температур ниже 0 С справедливо соотношение:

. (23)

Для чистой платины: А=3,940Ч10-3; В=-5.8Ч10-7; С=-4Ч10-12.

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

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

3.3 Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления

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

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

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

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

Зависимость сопротивления термисторов от температуры описывается выражением:

(24)

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

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

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

Рисунок 8. Схема неуравновешенного четырёхплечего моста постоянного тока

3.4 Особенности устройства термометров сопротивления

Особенности устройства терморезисторного термометра ТНВ-15. Для измерения температуры наружного воздуха используется термометр ТНВ-15 с проволочным термопреопреобразователем П-5. Его теплочувствительный элемент 1 (Рисунок9) размещается в корпусе, внутренний канал которого расточен по профилю сопла Лаваля 2. Корпус, в свою очередь, крепится к основанию 4 с помощью полого откоса 3. Внутри откоса размещён подгоночный резистор 5 из манганита. Термопреобразователь П-5 устанавливается на борту самолёта так, чтобы продольная ось его корпуса совпадала с направлением набегающего потока воздуха.

Рисунок 9. Устройства терморезисторного термометра ТНВ-15: 1 - теплочувствительный элемент; 2 - внутренний канал корпуса; 3 - полый откос; 4 - основание; 5 - подгоночный резистор.



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

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

Равновесие моста обусловлено равенством

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

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

Рисунок 10. Принципиальная электрическая схема термометра ТНВ-15

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

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

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

Рисунок 11 - Устройство датчика термометра ТУЭ-48: 1 - спираль; 2 - стойка; 3 - никелевая проволока; 4 - пластина; 5 - теплопроводящая пластина; 6 - корпус; 7 - прокладка; 8 - колодка; 9 - гайка; 10 - штепсельный разъем

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

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

Рисунок 12. Устройство логометра термометра ТУЭ-48: 1 - демпфер; 2 - магнит подвижной системы; 3 - катушка внутренняя; 4 - магнит для возвращения стрелки; 5 - стрелка; 6 - подпятник; 7 - основание; 8 - магнитный экран; 9 - ось подвижной системы; 10 - катушка; 11 - экран.

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

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

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

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

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

Рисунок 13. Принципиальная электрическая схема термометра ТУЭ-48

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

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

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

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

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

Термометр типа ТУЭ-48 имеет следующие характеристики:

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

погрешность измерения при нормальной температуре 1,5 %;

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

датчики и указатели разных комплектов взаимозаменяемы.

Конструкция приёмника температуры и преобразователя.

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



Рисунок 14. Устройство приёмника температуры П-69-2М: 1 - корпус; 2 - чувствительный элемент (изоляционная пластинка); 3 - платиновая проволока; 4 - трубка; 5 - колодка; 6 - втулка; 7 - стойка; 8 - выходные концы; 9 - штепсельный разъем

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

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

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

3.5 Параметры терморезисторов

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

, (25)



где WT - тепло, выделенное в теле терморезистора; Wб - тепло, рассеянное в окружающую среду.

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

2. Динамический коэффициент рассеяния мощности кД:

(26)

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

3. Тепловая постоянная времени ф:

(27)

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

(28)

5. Динамический множитель:



или (29)

3.6 Погрешности терморезисторных термометров

Основными погрешностями приборов прямого преобразования являются:

методические погрешности из-за нагрева током теплочувствительного элемента;

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

погрешности от влияния внешних электрических и магнитных полей;

погрешности трения, шкаловые погрешности.

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

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

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

Эти погрешности достаточно малы.



4. Термоэлектрические термометры

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

Принцип действия термоэлектрического термометра основан на использовании термоэлектрического эффекта.

Явление термоэлектричества заключается в возникновении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) в спае двух проводников из двух разнородных токопроводящих материалов при наличии разности температур места соединения проводников и их свободных концов. Такая цепь, составленная из двух разнородных металлов, называется термопарой. Проводники, из которых состоит термопара, называются тероэлектродами. Одну точку соединения термоэлектродов называют рабочим концом (горячим спаем), а 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.

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

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

(30)

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

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

(31)

где tГС - температура горячего спая; а и b - постоянные коэффициенты, характеризующие свойства металлов термопары. Для электродов применяются материалы обеспечивающие наибольшее значение ТЭДС.



Рисунок 15. Термопары

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В качестве термопреобразователей в термоэлектрических термометрах используются различные термопары.

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

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

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

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