ТЕПЛОФИЗИКА ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Техника теплофизических измерений

Термопары и измерительные приборы

В качестве датчиков температуры и температурного пере­пада в установках для определения теплофизических характе­ристик почти исключительно применяются термопары. Доступ­ность материалов, простота изготовления, широкий темпера­турный интервал, стабильность характеристики, малые габа­риты, простота преобразования сигнала, наличие стандартных таблиц — причины, обусловившие повсеместное распростране­ние термоэлектрических датчиков.

На рис. 23 изображены, температурные зависимости тер - мо-э. д. с. некоторых материалов, применяемых для изготовле­ния термопар, в паре с чистой платиной. Наибольшим темпера­турным коэффициентом термо-э. д. с. среди представленных характеризуется пара «хромель—копель» (ХК), наилучшей линейностью характеристики — пара «хромель—алюмель» (ХА), наивысшей рабочей температурой пара «платина-плати - нородий» (ПП). Эти термопары имеют наибольшее распро­странение. Реже применяются пары «медь—константан» и «же­лезо—константан». Для прецизионных измерений использу­ются обычно термопары из сплавов благородных металлов, отличающиеся высокой стабильностью.

Установленная в образце термопара всегда в какой-то мере деформирует температурное поле, внося тем самым дополни­тельную погрешность в результаты измерений. Влияние термо­пары на конфигурацию температурного поля обусловлено не­сколькими факторами.

Прежде всего теплофизические характеристики самой тер­мопары и защитного чехла могут существенно отличаться от

1 - ю 1% -?(1 Рис. 23. Термо-э. д. с. некото­рых материалов в паре с чис­той платиной: ~30 / — хромель: 2—нихром; 3— сплав Р1-Н0% 1г; 4 — железо; 5 — сплав _/л Р1 + 10% ИН: 6 — алюмель; 7 — сплав 60% Аи+30% Рс1 + 10%РП 8 — кон- Стантан; 9—копель

Соответствующих свойств испытуемого материала. Анализ выз­ванных этим искажений температурного поля и погрешности в измерении температуры дан в литературе [55]. Если <1 — отно­шение расстояния от границы образца до места установки тер­мопары к радиусу термопары, а = ’кт/'ко — отношение тепло­проводностей материала термопары и образца, то, согласно [55], при 5н-6 степень искажения температурного поля в месте установки термопары

Поскольку воздействовать на теплофизические свойства термопары удается лишь в небольших пределах, постольку ра­дикальной мерой является увеличение параметра й, в частно­сти, путем уменьшения размеров датчика.

Тепловой поток, распространяющийся по проводам термо­пары к холодному спаю и обусловленный необходимостью под­держивать холодный спай при низкой температуре, также де­формирует температурное поле. Кроме того, этот поток в какой - то мере может нарушить граничные условия, в частности, из­менить коэффициент теплообмена на одной из поверхностей образца [56]. Способы борьбы с паразитными тепловыми по­токами сводятся к уменьшению диаметра выводов термопары, увеличению их длины в образце и ориентированию выводов строго вдоль изотерм. Последнее важно, так как неизотермич - ность выводов вносит в измерения погрешность, пропорцио­нальную градиенту температуры в образце.

Наконец, заметное влияние на равномерность температур­ного поля оказывает электрическая нагрузка термопары. Дей­ствительно, термопара представляет собой преобразователь энергии с весьма низким к. п. д. (доли процента). Несложный расчет показывает, что измерительная схема, имеющая вход­ное сопротивление порядка 102 Ом, потребляет тепловую мощ­ность порядка 10~3 Вт, тогда как мощность теплового потока, пронизывающего спай термопары, обычно имеет порядок 10~3— 10-4 Вт. Увеличение входного сопротивления схемы на порядок приводит к такому же снижению потребляемой мощности и уменьшает тем самым искажение линий теплового тока.

Причиной нестабильности характеристики термопары и ис - точнйком значительных ошибок могут стать механические на­пряжения в термопарной проволоке, для снятия которых про­волоку нли готовую термопару необходимо подвергнуть отжи­гу. Проволока при этом разогревается (обычно путем пропус­кания через иее электрического тока) до - температуры 500— 600° С, некоторое время выдерживается при этой температуре, а затем медленно, в течение 2—3 ч охлаждается, для чего ток постепенно уменьшается до нуля. В процессе отжига на поверх­ности проволоки обычно образуется оксидный слой, обладаю­щий хорошими электроизоляционными качествами, благодаря чему облегчается задача электрической изоляции выводов тер­мопары.

Несмотря на то что для многих термопар имеются стандарт­ные таблицы, перед началом исследований термопару жела­тельно подвергнуть градуировке. Наиболее распространенным способом градуировки в термографической практике является так называемая градуировка по реперным точкам, под кото­рыми подразумеваются точно известные температуры фазовых переходов некоторых химически чистых веществ. Некоторые из реперов даны в табл. 1У.4.

Дифференциальные термопары перед использованием реко­мендуется проверить на «дифференциальный нуль» в несколь­ких точках внутри рабочего интервала температур. Для этой цели также желательно использовать реперные вещества, так как при этом расхождение в характеристиках термопар можно точно связать с температурой и в дальнейшем использовать эту связь для внесения соответствующих поправок.

Для обеспечения высокой точности измерений необходимо тщательно стабилизировать температуру холодных спаев тер­мопар. Абсолютное значение этой температуры принципиаль­ного значения не имеет. Для облегчения расчетов удобнее под­держивать ее на уровне 0°С, помещая холодные спаи в сосуд Дьюара, заполненный тающим льдом. В 'последнее время для этой же цели применяются специальные термоэлектрические нуль-термостаты типа «Нуль-В», поддерживающие температуру холодных спаев с ошибкой не более 0,05° С.

Серьезную задачу представляет борьба с электрическими помехами в термоизмерительных цепях. При использовании

Мощных нагревателей величина наведенной э. д. с. может зна­чительно превысить полезный сигнал. Особенно сильно сказы­ваются наводки при использовании измерительных приборов, обладающих высоким входным сопротивлением.

Установить наличие наводки и оценить ее влияние можно достаточно просто: в ходе опыта нужно на короткое время вы­ключить нагреватели. Для установок с регулируемым обогре­вом такой опыт следует провести при различных значениях напряжения, так как величина наводки зависит от тока нагре­вателей.

Радикальной мерой в борьбе с наводками является питание нагревателей экспериментальных установок постоянным током. Этот способ, однако, применяется редко, преимущественно в установках с маломощными нагревателями, где сглаживание выпрямленного напряжения не представляет трудностей. Сгла­живающие же фильтры для нагревателей мощностью 1—2 кВт должны иметь очень большую емкость, что часто бывает за­труднительно.

Распространенный способ подавления или уменьшения на­водок состоит в скручивании выводов термопар и помещении их в заземленные электрические экраны. Если испытуемый об­разец окружен металлической оболочкой, полезно ее также за­землить. Заземлены должны быть и корпуса измерительных приборов. Общее ^правило состоит в том, что все заземляющие провода должны иметь минимальное электрическое сопротив­ление и быть соединены с шиной заземления в одной точке.

В прецизионной аппаратуре применяют также более слож­ные способы борьбы с помехами — синхронное детектирование, различные компенсационные методы [58], позволяющие прак­тически полностью исключить влияние помех на результаты из­мерений. Фильтрами для подавления помех оборудованы неко­торые современные промышленные приборы, применяемые в термометрии, например потенциометры КСП-4.

Регистрация температуры и температурного перепада часто осуществляется с помощью автоматических компенсаторов типа ЭПП-09, КСП-4 и других, построенных по схеме уравновешен­ного моста. Чувствительность серийных приборов обычно не превышает 40—50 мкВ/мм, тогда как для надежной регистра­ции перепада в несколько градусов необходима чувствитель­ность порядка 5—10 мкВ/мм (1—2 мВ на всю шкалу). Повы­шение чувствительности серийного прибора обычно может быть достигнуто шунтированием реохорда с последующей компенса­цией вызванного этим разбаланса моста. Следует, однако, иметь в виду, что если порог чувствительности усилителя при этом остается неизменным, то такая переделка ведет к пони­жению класса точности прибора.

Более сложный способ изменения масштаба шкалы, состоя­щий в полной замене реохорда, целесообразен в этом случае, 90 если измеряемая величина должна быть подвергнута нелиней­ному функциональному преобразованию у=}(Т). Тогда уста­новленный в приборе линейный реохорд заменяется функцио­нальным, сопротивление которого Я изменяется по длине і согласно закону Ь=}(Я). Иногда применяются также дискрет­ные реохорды, между ламелями которых включены резисторы, сопротивление которых распределено по требуемому закону.

В последнее время для регистрации малых температурных перепадов иногда применяются фотокомпенсационные усили­тели, например типа Ф18 (75 мкВ на всю шкалу), работающие в комплекте с самописцем.

Регулирование нагрева

Регулирование нагрева— одна из чисто технических задач, возникающих при реализации методов, основанных на квазиста- ционарном тепловом режиме. Ее решение заметно усложняется требованием достаточно высокого качества регулирования, в частности, недопустимостью резких колебаний температуры. По этой причине, как правило, оказываются непригодными пози­ционные регуляторы, хотя попытки их использования имели место [59, 60].

Наиболее простым решением рассматриваемой задачи яв­ляется питание нагревателя напряжением, изменяющимся по некоторой жесткой наперед заданной и постоянной от опыта к опыту программе. Примером такого решения могут служить распространенные в термографической практике [57] вариато­ры напряжения, представляющие собой лабораторный авто­трансформатор (ЛАТР, РНО), движок которого перемещается электродвигателем с постоянной скоростью. Напомним, что линейному изменению напряжения отвечает квадратичный за­кон изменения мощности (при постоянном сопротивлении на­гревателя). Таким образом, линейный вариатор увеличивает мощность, выделяемую в нагревателе, пропорционально квад­рату времени (и температуры), тогда как тепловые потери растут быстрее—'Примерно пропорционально кубу температу­ры. Вследствие этого при высоких температурах скорость нагре­ва обычно снижается.

Разумеется, эмпирическим путем программа разогрева мо­жет быть подобрана так, что данный нагреватель в постоянных условиях будет разогреваться по линейному или близкому к нему закону. Однако такой подход вряд ли можно считать кон­структивным. Поэтому в тех случаях, когда применение жестких программ вообще оправдано (например, в сравни­тельных методах при небольшом температурном интервале из­мерений), целесообразнее применять обычный линейный вариа­тор, нежели усложнять методику подбором специальных программ.

Рис. 24. Схема ручного регулирования ско­рости нагреза [61]

В этих случаях могут оказаться полезными усовершенство­вания, сделанные М. Ш. Ягфаровым [61]. Одна из предложен­ных им схем приведена на рис. 24. Автотрансформатор 71 зада­ет темп нагрева путем изменения полного напряжения на об­мотке вариатора 71. Третий автотрансформатор служит для установки начального напряжения разогрева. Преимуществом рассматриваемой схемы является возможность ручной коррек­ции скорости нагрева в ходе опыта.

Гораздо лучшие результаты дает применение следящих си­стем, построенных по схемам с замкнутым контуром регулиро­вания. Такие системы включают датчик температуры, програм­мирующий задатчик, устройство сравнения, усилитель разност­ного сигнала и исполнительное устройство, управляющее на­пряжением на нагревателе.

Применительно к описанной выше установке для опреде­ления коэффициентов тепло-, температуропроводности твердого топлива авторами была разработана оригинальная следящая система для нагрева с постоянной скоростью (рис. 25).

Система состоит из обычного (линейного) вариатора напря­жения (автотрансформатор 'РНО-250 с приводом) и включен­ного последовательно с ним контура температурной коррекции, образованного термопарой, установленной вблизи нагреватель­ной спирали, задатчиком и исполнительным устройством.

Рис. 25. Схема системы автоматиче­ского регулирования скорости на­грева:

/ — электропечь; 2 — термопара системы регулирования; 3 — автотрансформатор ва­риатора; 4 — редуктор; 5 —привод вариа­тора; 6 — автотрансформатор РНО-250; 7 — автоматический потенциометр ПС-1 (ис­полнительное устройство); 8 — зажатчик; 9— двигатель ДСД задатчика: 10— по­тенциометр ПП-63; 11 — стабилизаторы

Напряжения; /2 —вольтметр

Отличительной особенностью рассматриваемой системы яв­ляется (см. рис. 25) использование в качестве главного факто­ра управления разогревом линейно возрастающего напряжения, вырабатываемого вариатором. Следящая система лишь коррек­тирует это напряжение в сравнительно узких пределах, чем обеспечивается высокое качество регулирования — небольшая ошибка и малая амплитуда быстро затухающих переходных процессов.

Линейно возрастающее напряжение от вариатора подводит­ся к точкам «0-180 В» (специальный отвод) автотрансформа­тора РНО-250, представляющего собой исполнительное устрой­ство контура температурной коррекции. Движок автотрансфор­матора перемещается реверсивным двигателем автоматическо­го потенциометра ПС-1 со шкалой (—0,5)—0—(0,5) мВ. Потен­циометр управляется разностным сигналом Еі—Е2, где Е —

Э. д. с., развиваемая термопарой, а Е2 — напряжение, выраба­тываемое задатчиком. В качестве задатчика применен перенос­ный потенциометр ПП-63, нагруженный на проволочный потен­циометр с линейной характеристикой, ось которого вращается электродвигателем ДСД через фрикционную муфту со ско­ростью 0,2 об/ч. Задание требуемой скорости нагрева осущест­вляется путем установки на потенциометре ПП-63 выходного напряжения и<), рассчитанного по формуле

/ 1 _ Ьа(Т)ч и 360» ’

Где Ь — требуемая скорость нагрева, °С/мин; а(Т) — средний температурный коэффициент термо-э. д. с. примененной термо­пары, мВ/°С; ф — угол полного поворота оси потенциометра, угловые градусы; ю — частота вращения оси потенциометра, об/мин.

Система работает следующим образом. После предваритель­ного разогрева печи, длительность которого лучше определить опытным путем, вариатор устанавливается на начальное напря­жение, а указатель потенциометра ПС-1 при помощи задатчи­ка— на нулевую отметку (середина шкалы). В дальнейшем разогрев происходит автоматически. При соответствии э. д. с. термопары заданию напряжение на входе потенциометра равно нулю и движок автотрансформатора РНО-250 находится в по­ложении «180В», что отвечает неискаженной передаче напря­жения вариатора. При наличии рассогласования движок транс­форматора РНО-250 перемещается на угол, пропорциональный рассогласованию, тем самым увеличивая или уменьшая напря­жение вариатора.

С повышением температуры возрастают инерционность на­гревателя и тепловые потери с его поверхности. Для сохране­ния качества регулирования эти процессы должны компенсиро­

Ваться увеличением коэффициента передачи исполнительного устройства, выраженного в вольтах на градус поворота. В рас­сматриваемом устройстве эта компенсация осуществляется ав­томатически. Напряжение, подводимое к обмотке трансформа­тора РНО-250 от вариатора, увеличивается во времени, вслед­ствие чего возрастает и коэффициент передачи (см. рис. 25).

При работе с печью мощностью 2 кВт в интервале темпера­тур 100—1000° С и скоростей нагрева 5—10° С/мин описанное устройство обеспечивает достаточно высокую степень стабили­зации скорости нагрева. Ошибка слежения не превышает 10° С в конце температурного интервала.

Несколько иначе аналогичная задача решена В. В. Власо­вым [62], предложившим систему автоматического управления разогревом с использованием в основном серийных приборов.

В заключение отметим, что одним из наиболее перспектив­ных направлений в развитии техники теплофизических измере­ний является применение цифровых вычислительных машин, ■осуществляющих одновременно управление экспериментом по многим параметрам и обработку информации.