страница - 26
есть реализовать датчики как релейного, так и измерительного типов.
В качестве термоактивных веществ перспективны такие легкоплавкие кристаллические вещества, как дифенил, бромоформ, смесь воска с порошком меди, синтетические цери-зины, а также некоторые сорта резин. Основная область применения подобных датчиков -системы регулирования теплового режима охлаждающих жидкостей и масла в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), а также системы отопления, устройства тепло- и холодоснабже-ния и т.п.
Конструктивно датчики выполняют двух типов - мембранные и поршневые. В первых изменение объема наполнителя приводит к перемещению штока, обусловленного деформацией мембраны капсулы. В поршневых датчиках шток при плавлении наполнителя выдавливается непосредственно из упругого разделителя типа резиновой втулки с глухим дном.
Температурный диапазон достаточно узок - обычно от +20°С до +80°С ч- 100°С. Инерционность порядка 30 с. Зона пропорциональности порядка 10 -г 15°С, чувствительность порядка 1°С.
К достоинствам данных датчиков можно отнести значительные усилия перемещения (до 2 кН), большая амплитуда перемещений (до 25 мм) при малом количестве наполнителя, повышенная устойчивость к ударам, вибрации, тряске, коррозии, простота конструкции, малые габариты и масса, устойчивость к влиянию среды, долговременная стабильность (до 70 • 103 циклов срабатывания).
Методы электротермометрии. Эти методы подразделяют на термоэлектрические, термо-резистивные, термотранзисторные, термошумовые, частотные.
Действие термоэлектрических термопарных датчиков основано на эффекте Зеебека, заключающегося в том, что в замкнутой цепи, составленной из разнородных проводников (или полупроводников), возникает электрический ток, если температура мест соединения их различна. Величина соответствующей термо ЭДС зависит от типа металла, является линейной функцией температуры спаев и определяется выражением
Е = a(/i - /2),
где а - коэффициент пропорциональности, индивидуальный для каждой пары металла; t\ и t2 - температуры спаев.
Температуру одного из спаев (свободного) поддерживают постоянной (обычно при 0°С) для получения однозначности и стабильности работы термометра.
По материалу термоэлектродов термопары делят на две группы - из неблагородных и
благородных металлов и сплавов. Наибольшее распространение получили термопары из платины, платинородия, хромеля, алюмеля, копе-ля, а также железа, меди и константана.
Серийно выпускаются термопары плати-нородиевые платиновые (ТПП), платинороди-евые (ТПР), хромель-копелевые (ТХК), хро-мель-алюмелевые (ТХА), вольфрам-рениевые (ТВР).
Широкое применение термопар (ТП) обусловило разнообразие их конструкций. По способу контакта со средой, различают погружаемые и поверхностные ТП; по условиям эксплуатации - стационарные, переносные, разовые и многократного применения; в защищенных от коррозии и агрессивных сред корпусах и т.п.
Инерционность термопар составляет от 10 до 60 с, диапазон измеряемых температур от -200°С до +2500°С. Погрешность 1 + 2 %.
Статическая характеристика термопар практически линейна, а их параметры нормированы для ряда стандартных материалов. Диаметр зондов термопар от 0,5 мм до 12 мм и более (в защитном чехле). Длина соединительных проводов до 50 м и более. Выпускаются системы многоточечного контроля на 100 и более термопар. Для работы в условиях атомных электростанций применят термопары из радиационно-стойких материалов. Для температур свыше +2500°С применяют термопары из карбидов металлов (гафния, ниобия, титана, циркония), на основе углеродистых и графитовых волокон.
Термопары являются датчиками активного типа (генераторами тока).
Для регистрации сигналов термопар используют милливольтметры магнитоэлектрической системы, автоматические электронные потенциометры, цифровые измерительные устройства, в том числе с микропроцессорной обработкой сигналов.
Градуировку термопар, их поверку производят с помощью водяных и масляных термостатов (при t <, +300°С), образцовых платиновых термопреобразователей.
Действие терморезистивных преобразователей (TP) основано на свойстве металлов изменять электрическое сопротивление при изменении температуры. TP применяют в комплекте со вторичными электроизмерительными приборами (логометры, мостовые схемы). В металлических TP зависимость сопротивления от температуры близка к линейной и может быть описана формулой
Rt = Ro(l +сс/),
где Rt и Rq - сопротивления при текущей и начальной температурах; t - температура; а -температурный коэффициент сопротивления
резистора (а « 10"3 град"1 для чистых металлов и а * 0,03 град1 для полупроводниковых TP).
Лучшим материалом для TP является платина (Rq * 10 + 1000 Ом при 0°С). Порог чувствительности миниатюрных TP, изготовленных методом вжигания тонких пленок платины на керамическое основание толщиной 1 - 2 мм при ширине пленки 0,1 мм, длине 5 мм и сопротивлении 300 Ом, составляет 105 К/Ом.
Статические характеристики металлических TP линейны в широком диапазоне температур, а для полупроводников описываются формулой
R = А ехр(д/7),
где А и а - постоянные данного полупроводникового TP (называемого обычно термисто-рами).
Обычно для термисторов а < 0, но существуют и TP (позисторы) со статической характеристикой, которая имеет две ветви с а > 0 и а < 0.
Линеаризация характеристик термисторов и позисторов осуществляется аналоговыми или цифровыми средствами.
Шумовая термометрия. Тепловое хаотическое движение носителей зарядов в проводниках приводит к тому, что на концах проводника возникают случайные напряжения. Амплитуды этих напряжений подчиняются закону распределения Гаусса (нормальный закон), математическое ожидание которого равно нулю, а дисперсия зависит от температуры проводника. Среднеквадратичное значение напряжения шума определяется формулой Найквиста:
U2 = 4KRTt\f,
где К - постоянная Больцмана; R - электрическое сопротивление проводника; Т - термодинамическая температура; А / - диапазон частот, в котором производятся измерения.
Среднеквадратичное значение напряжения теплового шума проводника линейно связано с его термодинамической температурой. Таким образом, измерив среднеквадратичное значение шума, можно определить температуру проводника, то есть использовать его в качестве термометра. С помощью термометров, построенных по этому принципу, можно измерять температуру в широком диапазоне со средним квадратическим отклонением до сотых долей Кельвина.
Метод нашел применение в основном в атомной энергетике и при точных физических измерениях, в частности для реализации МПТШ-68 в области криогенных температур.
Термотраязисторными термопреобразователями (ГШ) принято называть датчики на
основе транзисторов, термометрической характеристикой которых служит обычно напряжение эмиттер - база. ТТЛ применяют в диапазоне от -70 до +200°С. Для ТТЛ характерна стабильность и линейность характеристик преобразования, высокая чувствительность, малые габариты и масса, экономичность. Приборы с ТТЛ содержат мостовую измерительную схему, одним из плеч которой является переход эмиттер - база транзистора, на коллектор которого подается запирающее напряжение. Дискретность отсчета для ТТЛ составляет от 0,05°С до 1°С, погрешность порядка 0,1°С.
Частотные методы электротермометрии основаны на зависимости резонансной частоты колебаний электрического или механического колебательного контура от температуры.
Метод автогенератора. В качестве термодатчика (ТД) используется при этом терморезистор, сопротивление которого изменяется при нагреве по линейному закону,
RT=R0+aT,
где Rq - сопротивление при начальной (например, нулевой) температуре; Т - текущая температура; а - температурный коэффициент сопротивления.
ТД включают в схему генератора в качестве задающего частоту звена, причем подбором корректирующих элементов. Можно обеспечить зависимость частоты от температуры. Диапазон измеряемых температур и быстродействие определяется типом терморезистора.
Кварцевые термометры. (КТ). Температурные зависимости собственной резонансной частоты кварцевых пьезоэлементов в сильной степени зависит от ориентации пластинки кварца относительно ее кристаллографических осей. Для термометра применяют элемент с такими срезами, чтобы температурный коэффициент частоты (ТКЧ) был максимален. Такие датчики можно включить в схему высокочастотного (или релаксационного) генератора, частоту которого можно измерить непосредственно частотомером. Лучшие результаты дает схема, в которой частота датчика сравнивается с частотой опорного пьезоэлемента, вырезанного из кварца с ориентацией среза, при которой ТКЧ минимален. Разностная частота является линейной функцией температуры.
Типичные характеристики КТ: рабочая частота 5-30 МГц, чувствительность до (105 ) °С, крутизна преобразования порядка 1000 кГц/°С, постоянная времени 5 - 10 с, достижимый диапазон температур -100 -+500°С, воспроизводимость шкалы не хуже 0,01°С после циклических измерений температуры, нелинейность преобразования не превышает 0,1 % в рабочем диапазоне температур.
Пьезоэлемент обычно подвешивается на тонких проволоках в колбе с гелием, разме-
щенной в корпусе из стали, или размещается в медном цилиндрическом корпусе, также располагаемом в стальной трубке диаметром 5-10 мм.
Некоторым недостатком КТ является необходимость очень точной ориентации пластинки (порядка 5*) относительно оптимальной конфигурации, что технологически очень сложно. Однако, учитывая высокие метрологические характеристики, они очень перспективны.
Световодные термодатчики применяют, когда требуется полная изоляция от электрических и магнитных полей и повышенная помехоустойчивость.
Датчик в этих приборах расположен на конце волоконного световода, с помощью которого информация о температуре передается на оптоэлектронное устройство с цифровым дисплеем или выходом на самописец.
Многим видам материалов при изменении температуры свойственно изменение количества отраженного или пропущенного света, эмиссионной способности (люминесценции) и поляризация.
Среди используемых материалов - жидкие холестерические кристаллы, которым свойственно изменение отражательной способности определенной длине волны.
Другим видом оптических материалов являются кристаллы двойного лучепреломления, имеющие различные показатели преломления для ортогонально-поляризованных волн, а показатель преломления, как известно, зависит от температуры. У некоторых веществ, например у танталата лития, изменение температуры вызывает значительное изменение величины показателя преломления. Измеряемая температура 18 ... 49°С, чувствительность 0,1°С, диаметр датчика 0,5 -1,0 мм.
Действие абсорбционных оптических датчиков основано на функциональней зависимости поглощенного пучка света от температуры. Это свойственно полупроводниковым материалам, в частности арсениду галлия. Датчик на основе арсенида галлия имеет форму призмы небольших размеров. На входе и выходе датчика расположено по одному или по два оптических световода, обеспечивающих минимальные потери в диапазоне длин волн, соответствующем спектру поглощения кристалла. Разрешающая способность такого датчика 0,2°С в диапазоне температур 33 - 47°С.
Люминофоры с присадками европия имеют сильную зависимость яркости люминесценции от температуры. Эти датчики дают возможность измерять температуру до 320°С (линии спектра - зеленые и красные). Люми-нофорный датчик на основе эрбия, иттрия имеет диапазон измерений 9 - 250°С. В качестве источника излучения может быть использована волъфрамогалогенная лампа, а для пе-
редачи сигнала - волоконный оптический световод диаметром 0,4 - 1,0 мм.
В ряде случаев используются термооптические эффекты в самих волноводах (изменение плоскости поляризации, вращения мо-довой структуры, модуляции затухания), однако такие датчики обладают невысокой локальностью измерения.
Для измерения температуры жидких металлов при помощи световода, погруженного непосредственно в расплав и выводящего его тепловое излучение в безопасную зону, применяют иммерсионные пирометры. Для этого применяют световоды без оболочки, изготовляемые из плавленного кварца или сапфира (окиси алюминия). Температура расплава может достигать 2000°С.
Использование инфракрасных световодов из халькогенидных и фторидных стекол, прозрачных в области 2-14 мкм, позволяет осуществлять волоконно-оптические пирометры для измерения температур слабонагретых объектов. (20 - 200°С). Для них характерны высокая светосила (апертура 0,6 - 0,9), хорошее светопропускание, термостойкость до + 120°С.
Термоиндикаторы. Действие термоиндикаторов основано на изменении состояния, яркости и цвета свечения некоторых веществ при нагреве. С его помощью можно быстро и экономично получить информацию о тепловом режиме объекта.
Преимуществом термоиндикаторов является запоминание распределения температур в процессе испытаний, простота и наглядность, экономичность.
К недостаткам термоиндикаторов следует отнести инерционность, сравнительно невысокую точность, необходимость нанесения на изделие специальных покрытий, сложность изучения динамических температурных режимов. Включение их в системы терморегулирования представляет значительные трудности.
Существуют обратимые, многократно меняющие цвет при нагреве, и необратимые термоиндикаторы.
Термоиндикаторы обоих типов используют для контроля температурных полей, определения горячих точек на обшивке самолетов при их испытаниях, в аэродинамических трубах и т.п.
К обратимым термоиндикаторам относятся холестерические жидкие кристаллы. При изменении их температуры отраженный свет резко изменяет свой спектр.
Жидкие кристаллы могут наноситься непосредственно на объект контроля. Однако если это позволяет геометрия объекта, удобнее использовать капсулированные жидкие кристаллы в виде тонких (толщиной 0,01 - 0,05 мм) полимерных пленок, в которых герметично расположено активное вещество. При этом
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26] [стр.27] [стр.28] [стр.29] [стр.30] [стр.31] [стр.32] [стр.33] [стр.34] [стр.35] [стр.36] [стр.37] [стр.38] [стр.39] [стр.40] [стр.41] [стр.42] [стр.43] [стр.44] [стр.45] [стр.46] [стр.47] [стр.48] [стр.49] [стр.50] [стр.51] [стр.52] [стр.53] [стр.54] [стр.55] [стр.56] [стр.57] [стр.58] [стр.59] [стр.60] [стр.61] [стр.62] [стр.63] [стр.64] [стр.65] [стр.66] [стр.67] [стр.68] [стр.69] [стр.70] [стр.71] [стр.72] [стр.73] [стр.74] [стр.75] [стр.76] [стр.77] [стр.78] [стр.79] [стр.80] [стр.81] [стр.82] [стр.83] [стр.84] [стр.85] [стр.86] [стр.87] [стр.88] [стр.89] [стр.90] [стр.91] [стр.92] [стр.93] [стр.94] [стр.95] [стр.96] [стр.97] [стр.98] [стр.99] [стр.100] [стр.101] [стр.102] [стр.103] [стр.104] [стр.105] [стр.106] [стр.107] [стр.108] [стр.109] [стр.110] [стр.111] [стр.112] [стр.113] [стр.114] [стр.115] [стр.116] [стр.117] [стр.118] [стр.119] [стр.120] [стр.121] [стр.122] [стр.123] [стр.124] [стр.125] [стр.126] [стр.127] [стр.128] [стр.129] [стр.130] [стр.131] [стр.132] [стр.133] [стр.134] [стр.135] [стр.136] [стр.137] [стр.138] [стр.139] [стр.140] [стр.141] [стр.142] [стр.143] [стр.144] [стр.145] [стр.146] [стр.147] [стр.148] [стр.149] [стр.150] [стр.151]