Классификация.
По назначению термометры авиационных двигателей можно разделить на следующие основные виды, отличающиеся диапазонами измерения:
а) термометры для измерения температуры выходящих газов в газотурбинных двигателях (ГТД) с верхним пределом измерения до 900 – 1200°С;
б) термометры для измерения температуры головок цилиндров поршневых двигателей до 350°С;
в) термометры для измерения температуры масла, воды, воздуха до 150°С;
По методам измерения термометры делят на три группы:
а)механические (биметаллические, газовые, жидкостные);
б)электрические (терморезисторные, полупроводниковые или проводниковые), термоэлектрические;
в)пирометрические (термометры излучения).
Механические термометры из-за присущих им эксплуатационных недостатков (подверженность механическим воздействиям, сложность дистанционной передачи показаний) не применяются для контроля работы авиадвигателей, а находят применение (в виде биметаллических ЧЭ) для решения некоторых частных задач, например, для измерения температуры воздуха внутри самолета или для введения температурной компенсации в манометрические и другие приборы.
Основное применение для контроля авиадвигателей получили электрические термометры (терморезисторные и термоэлектрические).
Пирометрические термометры в перспективе планируется использовать в новейших типах авиадвигателей с высокотемпературными режимами работы.
Терморезисторные термометры (термометры сопротивления).
Терморезистором называется устройство, содержащее проводник или полупроводник, электрическое сопротивление которого сильно меняется с изменением температуры окружающей среды. Материалом для проводника используют медь, никель и платину. Такие терморезисторы называются термометрами сопротивления. Они широко применяются в приборах для измерения температуры воздуха, воды и масла.
Термометр сопротивления представляет собой тонкую медную, никелевую или платиновую проволоку, намотанную на слюдяной или керамический каркас, который затем для защиты от механических повреждений помещают в металлический корпус (рис.1.1)
Рис.1.1. Чувствительный элемент термометра сопротивления.
1 – выводы; 2 – капиллярная керамическая трубка;
3 – керамический порошок; 4 – платиновая спираль.
При изменении температуры среды изменяется сопротивление термометра:
Rt = Rо [1 + a(t – tо)],
где Rt – сопротивление термометра при температуре t, Ом;
Rо – начальное сопротивление термометра при температуре tо, Ом;
a - температурный коэффициент сопротивления, 1/°С;
t – температура в момент измерения, °С;
tо – начальная температура термометра, °С.
С помощью термометров сопротивления можно измерять температуру от – 250 до + 1250°С.
*** Платиновые термометры сопротивления также применяют для измерения скорости протекания газа, состава газа и концентрации растворов. Это возможно потому, что сопротивление проводника зависит не только от температуры окружающей среды и нагрева проводника протекающим по нему током, но и от скорости протекания газа, плотности и его состава. Такой термометр сопротивления выполняется в виде тонкой платиновой проволоки диаметром от 0,02 до 0,06 мм и длиной от 5 до 55 мм, которая закрепляется концами в массивных держателях. Термометр сопротивления помещают в контролируемую среду, например в газовый поток, скорость которого меняется. Затем проволоку нагревают до температуры 150 - 400°С, пропуская через нее ток. В зависимости от скорости газового потока проволока будет охлаждаться более или менее интенсивно, т.е. будет изменяться температура проволоки, что приведет к изменению сопротивления термометра.
С помощью такого термометра сопротивления, именуемого обычно термоанемометром, скорость газового потока преобразуется в сопротивление. Основными достоинствами термометров являются: стабильность, линейность характеристики и простота изготовления.
Основным недостатком рассмотренных термометров является их тепловая инерционность.
| Наименование металла | Удельное сопротивление, Ом×м | Температурный предел измерения, °С | |
| нижний | верхний | ||
| Платина | 0,0981×10-6 | – 250 | |
| Медь | 0,018×10-6 | – 150 | |
| Никель | 0,12×10-6 | – 200 |
В автоматике также широко применяются терморезисторы с теплочувствительным элементом в виде полупроводника. Такие терморезисторы называются термисторами.
Термисторы изготовляются из полупроводникового материала. В качестве материала используется смесь окислов нескольких металлов (никеля, титана, марганца, кобальта и др.), а также соединения металлов с углеродом, азотом и пр.
Термисторы имеют большой отрицательный коэффициент сопротивления.
При увеличении температуры их сопротивление уменьшается, тогда как у проволочных термометров сопротивления, наоборот, сопротивление увеличивается.
Сопротивление термистора при температуре Т можно определить по формуле:
Rт = Rое (В/Т – В/То),
где Rо – начальное сопротивление термистора при температуре То, Ом;
е – основание натурального логарифма;
В – постоянная материала, К;
Т – температура в момент измерения, К;
То – начальная температура термистора, К.
Термистор (ПТР) конструктивно представляет собой шарик, диск или трубку из полупроводникового материала с металлическими выводами (рис.1.2).
а) б) в)
Рис.1.2. Типичные конструкции ПТР:
а) бусинковый; б)стержневой; в) стерженьковый в защитном корпусе;
1 – рабочее тело; 2 – выводы.
Чтобы защитить термистор от действия влаги, его покрывают слоем лака, а иногда помещают в закрытый стеклянный баллон. Характеристика термистора представлена на рис.1.3.:
Рис.3.16. Характеристика термистора.
При изменении температуры термисторы имеют ряд преимуществ перед металлическими термометрами сопротивления: высокое удельное электрическое сопротивление, благодаря чему термистор можно сделать очень маленьким; большое значение температурного коэффициента сопротивления полупроводника; высокая чувствительность.
К недостаткам следует отнести: нелинейность и нестабильность характеристик.***
Лекция 2
1.2. Термоэлектрические термометры.
Термоэлектрические датчики – термопары – относятся к датчикам генераторного типа, которые преобразуют тепловую энергию в ЭДС.
Их используют для измерения контактным методом высоких температур твердых тел, жидкостей, газов, а также других величин, связанных с температурой:
скорости потока воздуха, расхода газов, жидкостей. Термоэлектрические термометры применяют для контроля режима работы реактивных двигателей, измерения температуры оболочки спускаемого аппарата, температуры выхлопных газов газотурбинных установок, в автоматических регуляторах температуры и т.д (Рис.1.2.1):
Рис.1.2.1 Датчик термоэлектрического термометра
Простейшая термопара состоит из двух последовательно соединенных разнородных проводников А и В, называемых термоэлектродами. Место электрического соединения проводников называется спаем.
Спай, непосредственно соприкасающийся со средой, температуру которой t 1 измеряют, называется рабочим, или горячим, а другой спай, температура которого t 0 постоянна, называют свободным, или холодным (Рис.4.2):
Рис.4.2. Простейшая термоэлектрическая цепь.
Принцип действия термоэлектрического датчика основан на эффекте Зеебека, сущность которого заключается в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из разнородных металлических или полупроводниковых материалов, спаи которых находятся при разных температурах, в цепи возникает электрический ток.
Энергия свободных электронов неодинакова для различных проводников и по-разному возрастает с повышением температуры. Если вдоль проводника существует перепад температур, то электроны на горячем спае приобретут более высокие энергии и скорости, чем на холодном спае. В результате появится поток электронов от горячего спая к холодному, и на холодном спае скопится отрицательный заряд. Процесс накопления электронов продолжится до тех пор, пока возникшее падение потенциала не вызовет встречного потока электронов, равного первичному потоку, вызванному различием тепловых скоростей, что и обусловливает создание термо-ЭДС (ТЭДС).
Экспериментально установлено, что значение ТЭДС зависит только от материала термоэлектродов и от температуры спаев, но не зависит ни от длины, ни от диаметра термоэлектродов. Следовательно, любой участок термоэлектродов, кроме спаев, может подвергаться нагреванию или охлаждению без изменения ТЭДС.
Если температуру свободного спая термоэлектродов из определенных материалов поддерживать постоянной, то ТЭДС будет зависеть только от температуры рабочего спая термопары. Такая однозначная зависимость позволяет использовать термоэлектрический датчик в качестве термоэлектрического термометра.
Величина контактной разности потенциалов для различных пар металлов колеблется в пределах от десятых долей вольта до нескольких вольт. Если в замкнутой цепи двух проводников один контакт нагреть до температуры t1, другой – до температуры t0, то в цепи возникает термо-ЭДС U, измеряемая в В:
U = K (t1 – t0),
где К – коэффициент термо-ЭДС., постоянный для данной пары проводников, В/К.
Чувствительность S термопары характеризуется пределом отношения приращения ТЭДС к соответствующему приращению температуры: S = dE/dt.
При линейной характеристике
S = E / t (1)
Для изучения термоэлектрических характеристик многочисленных термоэлектродных материалов целесообразно выбрать один и сравнивать с ним все остальные. В качестве такого нормального электрода используют термоэлектрод из чистой платины.
ТЭДС термопары, возникшей в цепи, составленной из двух разнородных проводников А и В, места спаев которых имеют соответственно температуры t и t0, равна разности ТЭДС этих материалов в паре с проводником П из платины:
ЕАВ (t, t0) = ЕАП (t, t0) - ЕВП (t, t0) (2)
Ниже приведены значения ТЭДС некоторых термоэлектродных материалов в паре с платиной при температуре рабочих спаев 100° С и свободных спаев 0° С:
Таблица № 1
| Материал термоэлектродов | ТЭДС, мВ | Плотность, кг/м3 |
| Хромель | + 2,96 | 8,60 . 103 |
| Железо | + 1,8 | 7,88 . 103 |
| Молибден | + 1,2 | 10,20 . 103 |
| Вольфрам | + 0,8 | 19,34 . 103 |
| Медь | + 0,76 | 8,93 . 103 |
| Манганин | + 0,76 | 8,50 . 103 |
| Платинородий | + 0,64 | 21,40 . 103 |
| Платина | 0,00 | 21,46 . 103 |
| Алюмель | - 1,2 | 8,60 . 103 |
| Константан | - 3,4 | 8,88 . 103 |
| Копель | - 4,0 | 8,55 . 103 |
ТЭДС со знаком плюс имеют те материалы, которые в паре с платиной являются положительными термоэлектродами (за положительный принято считать тот термоэлектрод, от которого в холодном спае идет ток к другому термоэлектроду). Знак минус имеют отрицательные по отношению к платине термоэлектроды. В наименовании термоэлектрического термометра всегда принято ставить на первое место название положительного термоэлектрода, а на второе – отрицательного.
Сочетание в термопаре термоэлектродов, имеющих по отношению к платине разные знаки ТЭДС, позволяет увеличить чувствительность термопары.
Однако развиваемая термопарой ТЭДС невелика, даже при большой разнице температур она составляет всего несколько десятков милливольт.
ТЭДС термопары измеряют с помощью магнитоэлектрического милливольтметра. Измерительный прибор включают в разрыв одного из термоэлектродов или подсоединяют к холодному спаю термопары. При этом необходимо соблюдать условие равенства температур концов измерительного прибора и мест включения цепи.
Материалы.
В зависимости от назначения термоэлектрических чувствительных элементов для термоэлектродов используют благородные и неблагородные металлы и их сплавы, а также полупроводниковые материалы. Для измерения температур от – 200 до + 2500°С применяют стандартные технические термоэлектрические
термометры с электродами из неблагородных и благородных металлов и сплавов: медь – константановые (ТМК), хромель – копелевые (ТХК), хромель – алюмелевые (ТХА), вольфрам – рениевые (ТВР), платина – платинородиевые (ТПП), платинородий – платинородиевые (ТПР), и др. Их чувствительность составляет сотые доли милливольта на 1°С.
По диапазону измеряемых температур условно выделяют термометры для измерения низких, средних и высоких температур.
Для измерения низких температур служат термометры ТМК, средних – ТХК, ТХА, ТПП, ТПР. Термометры для измерения средних и высоких температур работают в самых тяжелых условиях, так как часто одновременно с тепловым воздействием испытывают вибрации и удары. При этом особое значение приобретает стойкость материалов к воздействию окружающей среды. Наиболее надежным является платино – платинородиевый термометр, применяемый в качестве стандартного для измерения температур в интервале от 630,5 ° до 1061°С.
Конструкция.
Конструктивное оформление термоэлектрических термометров должно соответствовать условиям эксплуатации. Промышленность выпускает погружаемые и поверхностные термопары. Термоэлектроды в рабочем спае соединяют сваркой либо пайкой серебряным или оловянным припоем, а по всей остальной длине электрически изолируют друг от друга. При измерении низких температур до 120°С можно применять любую изоляцию между электродами. При более высоких температурах используют фарфоровые трубки и бусы. При температуре свыше 1300°С электроизоляционные свойства фарфора ухудшаются, поэтому применяют трубки и бусы из окиси алюминия, окиси магния, двуокиси циркония и др. Кроме этого, в большинстве конструкций термоэлектрических термометров предусмотрены чехлы – наружные металлокерамические защитные трубки с закрытым концом. Защитный чехол должен выдерживать длительное пребывание при максимальной температуре, на которую рассчитана данная конструкция, и предохранять термоэлектроды от вредного воздействия исследуемой среды.