1. Датчики измерения температуры.

Температура – одна из основных физических величин, знание которой необходимо при проведении самых различных летных испытаний. В практике летных испытаний измеряется температура газовоздушных сред, твердых тел и жидкостей. При этом осуществляется измерение локальных (в отдельных точках) или дискретных полей температур как на установившихся, так и на переходных режимах.

Основными объектами измерения температуры являются: наружный воздух, тракт газотурбинных двигателей (воздушный поток на входе, газовый поток за компрессором, перед турбиной и за турбиной, в форсажной камере), пограничный слой, воздух в отдельных отсеках, элементы конструкции летательных аппаратов и силовой установки, топливо и смазочные материалы.

Знание температуры наружного воздуха необходимо для определения летно–технических характеристик, характеристик силовой установки, оценки пилотажно–навигационного комплекса, определения условий обледенения. Допустимая погрешность измерения температуры при этом составляет 0,2...0,5%. Знание температуры воздушно–газового потока по тракту газотурбинных двигателей необходимо при летных исследованиях силовой установки и оценке ресурса двигателя. Допустимая погрешность измерения температуры газового потока в системах регулирования не должна превышать 40⁰С в диапазоне температур от 300 до 1600⁰С. Погрешность измерения температуры на входе в газотурбинный двигатель не должна превышать 3...4⁰С в диапазоне температур от минус 60 до +600⁰С.

Измерение температуры в пограничном слое летательного аппарата необходимо для анализа его структуры, условий обтекания несущих поверхностей, при отработке методов и средств ламинаризации. Допустимая погрешность измерения температуры не должна превышать 10%.

Отличительной особенностью при измерениях на входе в газотурбинный двигатель и в пограничном слое летательного аппарата является неравномерность температуры по сечению и нестационарность во времени. Важное место занимает измерение температуры в элементах силовых установок. Погрешность измерения температуры в горячей зоне двигателя не должна превышать 4...5⁰С.

В отсеках летательных аппаратов и топливно–масляных системах газотурбинных двигателей процесс стационарный, и особых требований к измерению температуры не предъявляется.

Поскольку прямые методы измерений температуры при летных испытаниях практически нереализуемы, широкое применение получили различные косвенные методы, основанные на физических принципах измерения некоторых электрических и неэлектрических величин – термоэлектродвижущей силы, электрического сопротивления, интенсивности излучения, скорости распространения звука и т. п.

По виду взаимодействия термометрической аппаратуры с исследуемой средой известные методы измерений температуры делятся на две группы – бесконтактные методы (оптические, акустические, термодинамические, ионизационные и др.) и контактные методы (терморезисторные, термоэлектрические, манометрические, биметаллические, резонансные и др.).

Бесконтактные методы выгодно отличаются отсутствием искажающего воздействия датчиков на исследуемое температурное поле и практически безынерционностью измерения в сложных условиях полета. В практике летных испытаний получили применение оптические методы, основанные, например, на использовании инфракрасных пирометров. Особенностью последних является способность измерять высокие температуры газов, например, в форсажной камере, и температуры поверхности лопаток газотурбинных двигателей. Перспективными являются системы измерений температуры с применением лазерной техники (лидары).

Наиболее широкое применение при летных испытаниях получили измерительные системы, реализующие методы контактной термометрии и, в частности, термоэлектрические и терморезисторные методы. Они основаны, соответственно, на зависимости термо–ЭДС двух разнородных материалов (в термопарах) и электрического сопротивления (в терморезисторах) от температуры.

Термопары. В основу способа измерения температур с помощью термопар положены известные явления. В цепи, состоящей из двух или любого числа разнородных металлических проводников, в том случае, когда температуры мест их соединений не одинаковы, возникает термо–ЭДС, величина которой зависит от значения этих температур. Если все места соединений имеют равную температуру, термо–ЭДС в цепи не возникает.

Верхняя граница применения термопар определяется их температурой плавления. Поскольку наиболее тугоплавкий металл – вольфрам имеет температуру плавления 3395±15⁰С, а наиболее огнеупорные неметаллические соединения – карбиды тантала и гафния плавятся, примерно, при температуре 3900⁰С, верхний предел применимости контактных методов измерения температуры в принципе не может в настоящее время превышать 3900⁰С. Практический предел использования термопар составляет 2500...3000⁰С. Наибольшее распространение получили металлические проволочные термоэлектродные пары, работающие в следующем диапазоне температур:

• хромель–копель (от -200 до 800⁰С),

• хромель–алюмель (от -200 до 1300⁰С),

• платинородий–платина (от 0 до 1600⁰С),

• платинородий–платинородий (от 300 до 1800⁰С),

• вольфрамрений–вольфрамрений (от 0 до 2800⁰С) и др.

Термо–ЭДС, развиваемая термопарами при изменении температуры на 100⁰С, составляет:

• для термопары хромель–копель – 6,9 мВ,

• для термопары платинородий–платина – 0,64 мВ.

Погрешность измерения температуры термопарами в диапазоне 200...1500⁰С составляет 1...10⁰С.

Из металлических пленочных термоэлектродных пар чаще применяются следующие сплавы:

• платинородий–платинородий (до 1200⁰С),

• платинородий—платина и платинопалладий–золотопалладий (до 1100⁰С).

Хромель–алюмелевые термопары рекомендуются для работы в окислительной и восстановительной средах. Термопары платинородий–платина обладают высокой стабильностью и точностью. Погрешность их составляет 0,25%. Термопары золото–палладий при температуре 1200⁰С могут работать непрерывно до 1000 ч с погрешностью, не превышающей 0,15%. Иридий–родиевые термопары можно применять в потоке газа при температуре до 2000⁰С в течение 16...24 ч. Верхний предел их работы по температуре составляет 2148⁰С с погрешностью не более +22⁰С. Представляет особый интерес, например, термопара, выполненная из сплава никель–кобальт (НК) и специального алюмеля (СА). Термо–ЭДС, развиваемая термопарой НК–СА, появляется только тогда, когда разность температур превышает 240⁰С. При этом колебания температуры холодного спая в пределах от -60 до 50⁰С практически не оказывают влияния на точность измерений.

Термо–ЭДС термопары регистрируется непосредственно или предварительно усиливается с помощью автономного измерительного усилителя (согласующего устройства).

В замкнутой цепи термопары справедлив закон промежуточных проводников: термо–ЭДС, возникающая в цепи последовательно соединенных нескольких различных термоэлектродов при равенстве температур всех мест их соприкосновения, равна термо–ЭДС двух конечных термоэлектродов этой цепи. Поэтому включение в цепь термопары так называемых компенсационных проводов, выполненных из одноименных материалов или отличающихся по свойствам от материалов термоэлектродов термопары, не оказывает влияния на величину термо–ЭДС термопары, если места соединения проводников имеют одинаковую температуру. Немаловажную роль играют и экономические соображения. Например, термопара платина–платинородий удлиняется с помощью медных или медно–никелевых проводов.

Суммарная погрешность измерения температуры термопарой определяется, в основном, неоднородностью структуры материала термопары, изменением температуры свободных концов линии связи, пластическими деформациями термоэлектродов в процессе изготовления термопар и теплоотводом по термоэлектродам. Основными являются первые две составляющие погрешности. В связи с тем, что погрешность, вызываемая неоднородностью структуры материала, велика и достигает, например, 0,8% для термопары хромель–копелевой и 1% для термопары хромель–алюмелевой, необходимы выборочная проверка и периодический контроль термоэлектродов.

Для снижения погрешности, вызванной изменением температуры свободных концов термопары (в местах соприкосновения термоэлектродов термопары и компенсационных проводов), применяются методы термостатирования или введения поправки (за исключением термопар НК–СА). Сущность второго метода (рис. 1) заключается в том, что в цепь одного из термоэлектродов термопары включен последовательно неравновесный измерительный мост. Сопротивление выполняется из меди или никеля и располагается в зоне свободных концов термопары. Сопротивления выполнены из манганина. Характеристики мостовой схемы подобраны так, что изменение термо–ЭДС от колебаний температуры свободных концов термопары компенсируется электрическим сигналом измерительного моста.

Рис. 1. Один из методов снижения температурной погрешности термопары.

Терморезисторы. В терморезисторах используется свойство проводников или полупроводников изменять свое сопротивление при изменении температуры.

В практике получили применение проводниковые терморезисторы, имеющие положительный температурный коэффициент сопротивления. Например, при изменении температуры на 1⁰С у ряда металлов увеличивается сопротивление в среднем на 0,4%. Наиболее распространенными материалами для чувствительных термоэлементов являются платина (до 600⁰С), никель (до 200⁰С) и медь (до 150⁰С). Верхний предел применения терморезисторов из медной и никелевой проволок ограничен окислением металла, приводящим к изменению градуировочной характеристики. Верхний предел терморезистора из платины ограничен нелинейностью градуировочной характеристики. Поэтому выбор терморезистора определяется чувствительностью , линейностью зависимости и стойкостью к окислению.

Изменение сопротивления проводникового терморезистора от температуры нелинейно. Однако для большинства металлов в рабочем диапазоне температур оно практически является линейной функцией температуры:

где и – сопротивления терморезистора, соответствующие температурам t и t₀; – температурный коэффициент сопротивления материала термоэлемента.

Конструктивно терморезисторы выполняются с открытыми или закрытыми чувствительными элементами в виде цилиндрических, спиральных или плоских петлевых решеток из тонкой проволоки или фольги. При этом терморезистор измеряет среднее значение температуры.

Открытые чувствительные элементы находятся в непосредственном контакте с исследуемой средой. Во втором случае чувствительные элементы расположены в камерах датчиков (при измерении температуры газовых потоков) или закрыты диэлектрическими, например, бумажной или клеевой подложками при измерении температуры элементов конструкции или воздуха в отсеках летательных аппаратов. В общем случае закрытые чувствительные элементы обладают сравнительно повышенной тепловой инерцией, но более надежны в эксплуатации.

Сопротивление R_t (а, следовательно, и температура терморезистора) может быть точно определено с помощью известной измерительной мостовой схемы. На практике R_t выносится с помощью кабельной линии связи в зону измерения температуры и включается в одно из плеч измерительного моста. Три других плеча, выполненные в виде катушек сопротивлений с постоянным температурным коэффициентом сопротивления (например, из манганина), расположены в автономном кроссировочном щитке (при регистрации на светолучевой осциллограф) или в усилителе (при регистрации аппаратурой точной магнитной записи).

К достоинствам терморезисторов, по сравнению с термопарами, прежде всего следует отнести:

• более высокую точность измерения, составляющую 0,2...5⁰С в диапазоне температур минус 50...300⁰С,

• высокую чувствительность,

• отсутствие необходимости применения системы термостатирования.

Главными недостатками терморезисторов являются сравнительно ограниченный диапазон измерения высоких температур, меньшая эксплуатационная надежность, а также наличие внешнего источника питания.

Суммарная погрешность измерения температуры терморезистором определяется, в основном, наличием внутреннего источника энергии, изменением сопротивления линий связи от температуры, нелинейностью градуировочной характеристики измерительного моста, нестабильностью источника питания, а также тензоэффектом. Доминирующими составляющими являются погрешности от самонагрева терморезистора током источника питания, температурные погрешности линий связи и погрешность, обусловленная деформированием наклеенного на объект термочувствительного элемента. Ошибка от самонагрева минимизируется соответствующим выбором напряжения источника питания и не должна превышать 0,2⁰С.

Сведение к минимуму температурной погрешности линий связи осуществляется включением терморезистора R_t по трехпроводной схеме (рис. 2).

Рис. 2. Схема, минимизирующая температурную погрешность линий связи.

Схема компенсирует изменение температурного приращения сопротивлений линий связи при следующих условиях: . Например, повышение сопротивления одного провода линии связи на 4% (при Ом, Ом) приводит к погрешности измерения температуры на 0,1⁰С. Измерительный мост с терморезистором питается, как правило, от автономного (или встроенного в усилитель) стабильного и контролируемого источника питания .

Линейность градуировочной характеристики измерительного моста достигается выбором отношения R_t/R_M и сопротивления, нагрузки R_H при известном диапазоне измеряемых температур.

Дополнительная погрешность мостовой схемы, обусловленная изменением температуры окружающей среды, сводится к минимуму путем применения катушек сопротивлений плеч моста из манганиновой проволоки. Применение проволоки из константана в сочетании с медными проводами линий связи недопустимо из-за наличия термоэлектрического эффекта. Составляющая погрешности терморезистора возникает из-за приращения сопротивления терморезистора, наклеенного на деформируемую поверхность конструкции, и за счет разности коэффициентов линейного расширения материала исследуемой конструкции и материала чувствительного элемента датчика. Например, для терморезистора из платины при температуре 200⁰С и относительной деформации , погрешность тензоэффекта достигает 5%. Следовательно, наклеиваемые терморезисторы можно применять для малодеформируемых конструкций, изготовленных из материала, имеющего коэффициент линейного расширения, близкий к коэффициенту линейного расширения термочувствительного элемента.