Терморезистивные термометры, схемы включения, погрешности.

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 рис.1.

Рис.1. 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 (q) 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 %).

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

,

где Δ R - изменение сопротивления первичного преобразователя; Δ U - напряжение рассогласования моста; - отношение токов в рамках логометра и φ - отклонение стрелки.

В термометре уравновешивающего преобразования последовательность преобразования будет

,

где Δ R _ и Δ R - изменение сопротивлений терморезистора и схемы; Δ U - разбаланс схемы; U - напряжение на выходе усилителя; I - сила тока в обмотке двигателя; φ₁- угол отклонения вала двигателя.

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

Рис.5. Схема прямого преобразования:

R ₀- терморезистор; R ₁, R ₂, R ₃, R ₄, R ₆, R ₇-сопротивление моста; R _д – добавочное сопротивление; R _к1, R _к2- сопротивление рамок логометра.

 

Рис.6. Схема уравновешивающего преобразования: R – терморезистор; R ₁, R ₂, R ₃,-сопротивление моста; R - балансировочное сопротивление; Д- двигатель уравновешивания.

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 R _θ из условия R _θ<< R ₁. (R ₁ – 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.

 

Оптический пирометр в ГТД

Пирометр спектрального отношения разработан для измерения температуры газового потока, состоящего из продуктов сгорания углеводородных топлив, в диапазоне 1500-2500К по излучению паров воды в близкой ИК-области спектра, а также для измерения температуры раб.лопатки Т. Практическое применение нашел яркостный метод.
Измеряемая температура усредняется по линии наблюдения пирометра и, как правило, близка к максимальной. Градуировка пирометра осуществляется экспериментально-расчетным путем с использованием данных по средним коэффициентам поглощения паров воды и спектральным характеристикам каналов пирометра. Погрешность измерений - менее 4% на уровне 2000К.
Область применения - диагностика высокотемпературных газовых потоков при испытаниях модельных и натурных камер сгорания.
Преимущества пирометров: возможность погружения и поворота позволяют определить практически полное температурное поле рабочей лопатки турбины.
Разрабатывается низкотемпературный пирометр для измерения температуры в диапазоне 200...500^oC. Погрешность измерения таких температур оценивается в +-15^oC.

Требования к пирометру:

1. высокая точность (порядка +-10⁰С в диапазоне 700..1000⁰С)

2. малая постоянная времени

3. малый вес и габариты

4. выдерживать жесткие условия работы

5. промежуточная среда м/у пирометром и объектом не должна оказывать влияния на результаты.

Основной задачей при выборе метода является выбор фотоприемника. В качестве фотоприемника применяют кремниевый фотодиод, т.к. он обладает наибольшей относительной спектральной чувствительностью.

I=S*Ф

Uвых=I*Roc

Еs=С1*λ^-5*е^-(С2/λ*Т)-энергия, излучаемая нагретым телом.

Е= Еs*ε, где Е-энергия воспринимаемая фотоприемником, ε-коэф-т излуч. спо-сти

где Ф-световой поток, падающий на пов-ть,ω-телесный угол.

где А-коэф-т

К1-харак-ет пропускную способность оптической средым/у лопаткой и фотоприемником;

К2-характеризует изменение расст-ия и углов?визирования? м/у пов-тью РЛ и и осью фотоприемника

К3-коэф-т пропускания оптики

К4-коэф-т закопчения защитного стекла.

Вых. Сигнал пирометра может характеризовать температуру максимально перегретой лопатки, среднюю максимальную температуру, среднее значение тем-ры, ср линейную температуру.

 

Тахометры.

Приборы, предназначенные для измерения частоты вращения, называются тахометрами. Тахометры применяются для измерения частоты вращения вала двигателя и его агрегатов. По величине частоты вращения можно судить о тяге и о динамической и тепловой напряженностях.

Наибольшее распространение получили следующие методы измерения частоты вращения по принципу действия чувствительного элемента ЧЭ:

- центробежные, в которых ЧЭ реагирует на центробежную силу, развиваемую неуравновешенными массами при вращении вала;

- магнитоиндукционные, основанные на зависимости наводимых в металлическом теле вихревых токов от частоты вращения;

- электрические постоянного, переменного или импульсного тока, основанные на зависимости генерируемого напряжения от частоты вращения;

- фотоэлектрические, основанные на модуляции светового потока вращающимися элементами и др.

Центробежные тахометры выполняются в двух вариантах: конический (рис.1 а) и кольцевой (рис.1 б).

 

Рис.1 а – конический тахометр; б – кольцевой тахометр; 1- муфта; 2 - пружина

Центробежные тахометры развивают большое перестановочное усилие, поэтому применяются в качестве датчиков в регуляторах частоты вращения. Недистанционность центробежных тахометров, значительные погрешности и технологические трудности привели к тому, что эти приборы в авиации не применяются, хотя в других подвижных объектах они находят широкое применение.

Магнитоиндукционные тахометры бывают двух типов: с цилиндрическим ЧЭ (рис.2 а) и с дисковым ЧЭ (рис. 2 б).

 

 

Рис. 2 а – тахометр с полым цилиндром; б – тахометр с диском; 1 – магнит; 2 – чувствительный элемент; 3 – термомагнитный шунт; 4 – магнитопровод.

Погрешности тахометра возникают из-за непостоянства магнитной индукции в зазоре В, сопротивления рамки R_р и внутреннего сопротивления якоря R_B Уменьшение погрешности, вызванной изменением В, достигается применением термомагнитного шунта. Для уменьшение погрешности от непостоянства R_р применяется добавочное сопротивление R_Д и другие схемы компенсации.

Электрические тахометры постоянного тока (рис. 3) включают тахогенератор постоянного тока и гальванометр.

 

Рис. 3. а – тахогенератор ; б – тахометр постоянного тока: 1 – магниты; 2 – обмотка якоря; 3 – коллектор.

Тахогенераторы бывают двух типов: с ограниченным (рис.3 а) и неограниченным (рис.3 б) углом поворота ротора.

Тахогенератор с ограниченным углом поворота выполняется с неподвижной статорной обмоткой, внутри которой помещается постоянный магнит, связанный с валом, скорость вращения которого контролируется. Тахогенераторы подобного типа применяются в качестве датчиков угловой скорости и скоростной обратной связи в системах управления полетом. Достоинство их – отсутствие коллектора и щеток.

Тахометр постоянного тока состоит из тахогенератора с неограниченным углом поворота ротора и гальванометра. Основными элементами тахогенератора являются постоянные магниты 1 с соответствующими магнитопроводами, обмотка якоря 2 и коллектор со щетками 3.

В тахометрах переменного тока тахогенератор состоит из вращающегося постоянного магнита и статорной обмотки. ЭДС тахогенератора равна

(2.7)

Отсюда следует, что измерение угловой скорости можно осуществить как путем измерения частоты переменного тока (равной частоте вращения) (рис. 4 б), так и путем измерения величины напряжения (рис. 4 в). Поскольку частота переменного тока равна частоте вращения вала, то первый способ измерения; имеет бесспорные преимущества перед вторым.

Среди тахометров переменного тока особое место занимают индукционные тахометры. Тахогенератор такого прибора (рис. 5); представляет собой электрическую машину асинхронного типа, состоящую из внешнего 1 и внутреннего 2 магнитопроводов, в зазоре между которыми располагаются статорная обмотка 3 (состоящая из обмотки возбуждения и сигнальной обмотки) и алюминиевыми тонкостенный ротор 4, выполненный в виде цилиндра. Оси обмоток (катушек) возбуждения и сигнальной взаимно перпендикулярны.

 

Рис. 5. 1,2- магнитопроводы; 3 – обмотка; 4– ротор;

Цифровой тахометр. В последнее время широкое распространение получили тахометры с цифровой частью, то есть цифровые тахометры. Они строятся на основе тех же датчиков, что и аналоговые, добавляется только цифровая часть.