CC BY
207
МЭМС-сенсоров. Среди них — датчики расхода газа, жидкости, температуры, давления, ускорения, углового положения, оборотов для спидометров. Автомобильные датчики построены на основе нано-размерных магниторезистивных структур. Кратко перечислим сферы их применения: навигация, контроль движения автотранспорта, измерение электрического тока с полной гальванической развязкой цепей, измерение линейного и углового положения, определение скорости вращения, положения дроссельной заслонки.
Таким образом, в системах управления и диагностирования автомобиля все большее распространение получают датчики, построенные по МЭМС-техноло-гиям и связанные с процессорами автомобиля цифровыми шинами. Цифровая обработка информации обеспечивает: оптимизацию процессов сгорания (топливную эффективность), минимизацию эмиссии, обеспечение безопасности при движении автомобиля, комфортабельность в салоне автомобиля для водителя и пассажиров.
Библиографический список
1. Коваленко, О. Л. Электронные системы автомобилей : учеб. пособие / О. Л. Коваленко. — Архангельск : ИПЦ САФУ, 2013. - 80 с.
2. Сысоева, С. Ключевые сегменты рынка МЭМС-компо-нентов. Акселерометры / С. Сысоева // Компоненты и технологии. - 2010. - № 3. - С. 20-26.
3. Козин, С. Микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС-технологий / С. Козин, А. Федулов,
B. Пауткин // Компоненты и технологии. - 2010. - № 3. -
C. 24-27.
4. Акселерометры [Электронный ресурс]. - Режим доступа :Ы1р://ги.™к1реШа.огд/ %Б0%90%В0%БЛ%Б1%81% Б0%Б5% Б0%ББ%В0%Б5%В1%80%В0%БЕ%Б0%БС% Б0%Б5%Б1%82% Б1%80 (дата обращения: 03.04.2014).
5. Власенко, А. Апа1одВе\гсез: обзор датчиков ¡МЕМ8 с цифровым выходом [Электронный ресурс] / А. Власенко. - Режим доступа : http://www.kit-e.ru/assets/fi1es/pdf/2008_01_36.pdf (дата обращения: 18.03.2015).
6. Сысоева, С. Автомобильные гироскопы [Электронный ресурс] / С. Сысоева. - Режим доступа : http://www.kit-e.ru/ artic1es/sensor/2007_1_40.php (дата обращения: 18.03.2015).
ОДИНЕЦ Александр Ильич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры радиотехнических устройств и систем диагностики. ФЕДОРОВА Людмила Дмитриевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры электрической техники, секция промышленной электроники.
Адрес для переписки: dm.90@bk.ru
Статья поступила в редакцию 31.03.2015 г. © А. И. Одинец, Л. Д. Федорова
УДК 621.317.39:536.53 Д. б. МАРТЕМЬЯНОВ
В. В. ПШЕНИЧНИКОВА С. К. КРУТЬКО
Омский государственный технический университет
НЕДОСТАТКИ МЕТОДИКИ ПОВЕРКИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ_
Для современной промышленности все большее значение приобретает точность измерений, от которых зависит успех всего производственного процесса. Температурные показатели играют важную роль в таких сферах как нефтегазовая промышленность, атомная энергетика, жилищно-коммунальное хозяйство и многие другие. Сегодня этот параметр можно довольно точно измерить с помощью термоэлектрических преобразователей температуры. Однако со временем точность термопар может снизиться. Для предотвращения этого время от времени приборы должны проходить своевременную поверку.
Ключевые слова: термоэлектрический преобразователь, термопара, поверка.
В современной промышленности все более строгие требования предъявляются к точности измерения параметров технологических процессов, и в частности температуры (от 40 до 60 %). Значительная часть всех температурных измерений в промышленности и научных исследованиях приходится на долю термоэлектрических преобразователей, чувствительными элементами которых являются термопары. Ши-
рокому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Это и объясняет повышение интереса к проблеме калибровки данных устройств [1].
Рис. 1. Конструкция термоэлектрического преобразователя общепромышленного назначения: 1 — электроды; 2 — рабочий спай; 3 — трубка; 4 — защитная арматура; 5 — керамический наконечник; 6 — заливка; 7 — головка; 8 — сборка; 9 — зажимы; 10 — удлиняющие провода; 11 — герметизированный ввод; 12 — элементы крепления термоэлектрического преобразователя
В условиях лаборатории поверка термоэлектрического преобразователя включает внешний осмотр, определение соответствия статической характеристики преобразователя относительно стандартной номинальной статической характеристики.
При проведении поверки соблюдают следующие условия: температура окружающего воздуха, оС — (20±5); относительная влажность окружающего воздуха, % — 30...80; атмосферное давление, кПа (мм рт. ст.) — 84,0.106,7 (630.800); напряжение питания, В — 220±4,4; частота питающей сети, Гц — (50±0,5).
Внешний осмотр выполняется для обнаружения неисправностей защитной арматуры, головки, зажимов и чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя. На основании внешнего осмотра устанавливают возможности дальнейшей эксплуатации прибора, определяют характеристики, указанные на головке термоэлектрического преобразователя (рис. 1).
При внешнем осмотре поверяемых термопар типов хромель-копелевые, хромель-константановые, хромель-алюмелевые, железо-константановые неразборной конструкции должно быть установлено соответствие следующим требованиям:
— защитная арматура не должна иметь повреждений поверхности, должны отсутствовать нарушения крепления арматуры и головки, целостности головки, должно быть соблюдено соответствие подключения термоэлектродов маркировке;
— на каждом поверяемом термоэлектрическом преобразователе должно быть проверено наличие маркировки с указанием его номера, типа номинальной статической характеристики, года выпуска, рабочего диапазона измерений и класса допуска.
Далее методика поверки заключается в прямом или по электродном сличении рабочих термопар с образцовой термопарой в печи и оценке отклонения ее характеристики от номинальной статической характеристики. Серьезным недостатком методики является то, что при периодической поверке термопары не учитывается возможность возникновения термоэлектрической неоднородности (рис. 2). Если глубина погружения термопары в сличительную печь отличается от рабочей глубины погружения, то участок наибольшего температурного перепада, в котором возникла неоднородность попадает при поверке в зону равномерной температуры и реальная погрешность термопары не определяется. Такая периодическая поверка может привести к ложным результатам, причем разница термоэлектродвижущей силы в рабочих условиях и при поверке термопар типа
90 ао
70 60
д 50
о о
| 40
а" _
п*
и 10
т
V
20
10
г Е
Л
/ К
/ ■-N
г 1? _В
/
-500
0 500 1000
температура, "С
1500 2000
Рис. 2. Зависимость чувствительности термопары от температуры: Е — хромель-константановые, J — железо-константановые, T — медь-константановые, K — хромель-алюмелевые, N — никросил-нисиловые, R — платинородий-платиновые, B — платинородий-платинородиевые типы преобразователей
хромель-алюмелевые может достигать 5—10 °С. Необходимо переработать стандарт, указав на данную проблему, и ввести в стандарт проверку термоэлектрической неоднородности.
Но основной сложностью, связанной с проведением поверки термоэлектрических преобразователей, является необходимость демонтажа термопары, которая может входить в конструкцию другого прибора или автоматизированную систему [2].
Известен способ бездемонтажной оценки достоверности показаний термоэлектрических преобразователей в процессе его эксплуатации. Способ заключается в периодическом определении величины дифференциальной термоэлектродвижущей силы при заданных значениях температуры, сравнении полученных данных с первоначальной величиной дифференциальной термоэлектродвижущей силы, измеренной до начала эксплуатации термоэлектри-
ческого преобразователя. При этом дополнительно через его электроды пропускают электрический ток в прямом и обратном направлении с одинаковыми силой и длительностью импульса и измеряют дополнительную составляющую термоэлектродвижущей силы при прямом прохождении электрического тока (АБпр, рис. 3) и дополнительную составляющую термоэлектродвижущей силы при обратном прохождении электрического тока (АЕобр , рис. 4). О достоверности показаний термопары судят по величине изменения дифференциальной термоэлектродвижущей силы 55, определяемой по зависимости
55 =
(АЕ'пр-АЕ 'обр) (АЕпр -АЕобр)
х100 %,
где АЕ 'пр — дополнительная составляющая термоэлектродвижущей силы при прямом прохождении электрического тока, измеренная до начала эксплуатации термоэлектрического преобразователя, АЕ обр — дополнительная составляющая термоэлектродвижущей силы при обратном прохождении электрического тока, измеренная до начала эксплуатации термопары.
К недостаткам данного способа можно отнести необходимость специального аппаратного обеспечения, а также то, что он определяет изменение термоэлектродвижущей силы по сравнению с первоначальной величиной на участках термоэлектродов в зоне рабочего спая, а не в целом по их длине. Следовательно, о необходимости проведения очередной поверки или калибровки термоэлектрического преобразователя можно лишь предполагать. Кроме того, этот способ требует затрат времени на проведение и приостановку регистрации температуры на период проведения измерений.
Для решения данной проблемы, а также для достижения технического результата предлагается использовать преобразователь термоэлектрический, содержащий узел коммутации, защитный чехол, узел крепления термопар, выполненный со сквозным отверстием, предназначенным для размещения контрольного или эталонного средства измерения внутри защитного чехла, два чувствительных элемента в виде термопар с одной и той же номинальной статической характеристикой. Причем термопары отличаются по типу материалов, изолирующих термоэлектроды, или по сечению термоэлектродов, или по концентрации легирующих элементов в термоэлектродах, или по виду их предварительной термической обработки, или по количеству элементов механической защиты термоэлектродов, ее геометрическим параметрам [3].
Дополнительно предлагается в качестве первого чувствительного элемента использовать кабельную термопару стандартной компоновки в оболочке из жаростойкой стали или сплава с минеральной изоляцией, например, из окиси магния или окиси алюминия. Под кабельной термопарой стандартной компоновки подразумевается преобразователь термоэлектрический кабельный (кабельная термопара), изготовленный в соответствии с требованиями ГОСТ 23847-79 «Преобразователи термоэлектрические кабельные. Технические условия». А в качестве второго чувствительного элемента применить термопару с термоэлектродами, изолированными друг от друга, от основного чувствительного элемента и защитного чехла одно- или многоканальной керамической соломкой, или стеклонитью, или кремнеземной нитью [4].
220 200 180 160 140 120 100 80
-
\
/
3 ^
-Г" 1
2,6 2,7
2,8 2,9 3,0 С
3,1 3,2 3,3 3,4
Рис. 3. Изменения термоэлектродвижущей силы при пропускании тока в прямом направлении: 1 и 3 — кривые изменения термоэлектродвижущей силы для нового термоэлектрического преобразователя
Ш
<
Рис. 4. Изменения термоэлектродвижущей силы при пропускании тока в обратном направлении: 2 и 4 — кривые изменения термоэлектродвижущей силы для термоэлектрического преобразователя после трехмесячной эксплуатации
Также предлагается первый чувствительный элемент изготовить в виде кабельной термопары стандартной компоновки с наружным диаметром от 4 до 8 мм, а второй чувствительный элемент выполнить в виде кабельной термопары стандартной компоновки с наружным диаметром от 1 до 3 мм.
Таким образом, метрологическая стабильность термоэлектрических преобразователей зависит от типа материалов, изолирующих термоэлектроды, от сечения термоэлектродов, от концентрации легирующих элементов в термоэлектродах, от вида их предварительной термической обработки, от количества элементов механической защиты термоэлектродов и ее геометрических параметров.
Библиографический список
1. Каржавин, В. А. Влияние термоэлектрической неоднородности на точность измерения температуры термопарами / В. А. Каржавин. - Обнинск, 2010. - С. 37.
2. ГОСТ 6616-94. Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия. - Введ. 1999-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1998. - 14 с.
3. ГОСТ 8.338-2002. Преобразователи термоэлектрические. Методика поверки. - Введ. 2002.11.06. - М. : Изд-во стандартов, 2002. - 10 с.
4. Рогельберг, И. Л. Сплавы для термопар: справ. / И. Л. Рогельберг, В. М. Бейлин. — М. : Металлургия, 1983. — С. 84.
МАРТЕМЬЯНОВ Денис Борисович, доцент кафедры «Метрология и приборостроение». Адрес для переписки: mips@omgtu.ru ПШЕНИЧНИКОВА Вера Владимировна, доцент кафедры «Метрология и приборостроение».
Адрес для переписки: mips@omgtu.ru КРУТЬКО Светлана Константиновна, студентка гр. ПР-312 машиностроительного института. Адрес для переписки: helen-1994@mail.ru
Статья поступила в редакцию 16.03.2015 г. © Д. Б. Мартемьянов, В. В. Пшеничникова, С. К. Крутько
УДК 536.531
Д. Б. МАРТЕМЬЯНОВ В. В. ПШЕНИЧНИКОВА Д. А. ШАБАНОВ
Омский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА И АТТЕСТАЦИЯ МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИЙ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ УТВЕРЖДЕНИЯ ТИПА ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Сегодня во всем мире для измерений температуры в трубопроводах теплоснабжения используются платиновые термометры сопротивления классов А и В, обладающие более стабильными характеристиками, чем применявшиеся ранее медные и никелевые. Платиновые термометры имеют меньшую погрешность по сравнению с медными и никелевыми (от 0,25 до 0,8 °С) и более широкий рабочий диапазон температур. Экспериментальным исследованиям подвергается вновь разработанный образец термопреобразователя сопротивления ТСП 9201. Основными достижениями в области исследования созданной модели является занесение в Государственный реестр средств измерений (регистрационный № 13587-01).
Ключевые слова: температура, термометр сопротивления, испытания.
В настоящее время всё больше и больше электронные средства вычисления и датчики снятия показаний «врываются» в жизнь современного общества. В данном техническом прогрессе не остались без внимания и отрасли машиностроения, вычисления, робототехники и, конечно, строительства. Измерение температуры с помощью термопреобразователя сопротивления (ТС) основано на температурной зависимости электрического сопротивления металлов, из которого сделан чувствительный элемент ТС, который, как правило, изготавливается из меди, платины и полупроводников [1]. Конструктивно выполняется в виде проволочной катушки или пленочного покрытия. Выходным параметром устройства является электрическая величина, которая может быть измерена с весьма высокой точностью, передана на большие расстояния и непосредственно использована в системах автоматического контроля и регулирования.
Термометр сопротивления (ТС) — это средство измерений температуры, состоящее из одного или нескольких термочувствительных элементов сопротивления и внутренних соединительных проводов, помещенных в герметичный защитный корпус [2], внешних клемм или выводов, предназначенных для подключения к измерительному прибору. В состав
ТС могут входить конструктивно связанные с ним монтажные и коммутационные средства.
Чувствительным элементом ТС является резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки с выводами для крепления соединительных проводов, имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры и предназначенный для использования в ТС.
Защитный корпус — конструктивный элемент ТС, обеспечивающий его механическую прочность и устойчивость к воздействию внешней среды, как правило представляющий собой заваренную с одной стороны металлическую трубку с приспособлениями для монтажа ТС или без них.
Термопреобразователи сопротивления предназначены для измерения температуры в окислительных и нейтральных газовых средах, не содержащих веществ, вступающих во взаимодействие с материалом корпуса термопреобразователей.
Основа термопреобразователя — чувствительный элемент, выполненный в виде катушки сопротивления. К выводам элемента подпаиваются удлинительные провода необходимой длины, образуя узел чувствительного элемента.
Стандартные элементы изготавливаются из меди (медные элементы) и платины (платиновые элементы)
