Курсовая работа: Авиационные термометры

, (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).

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).