CC BY
32
и подставляя в нее выражения для Ег ЭП различной неоднородности, получим математическую модель погрешности датчика от неоднородности поля. Полученная математическая модель погрешности учитывает конструктивные размеры как датчика, так и его чувствительных электродов, а также пространственный диапазон измерения, характеризуемый параметром а.
По составленной математической модели с помощью универсальной системы математических расчетов МаШсас1-2СЮ1 проведено математическое моделирование погрешности датчика от неоднородности ЭП в зависимости от конструктивных размеров сферических прямоугольников а0 и ро, исполняющих роль ЧЭ, и пространственного диапазона измерения а, характеризующего степень неоднородности поля.
Результаты математического моделирования представлены в виде семейств графических зависимостей: на рис.3 приведены графики погрешности датчика от неоднородности ЭП с ЧЭ в форме сферического квадрата (а0=р0) для различных значений а0и полей точечного (рис.За) и плоского (рис.Зб) источников; на рис.4 для сравнения приведены графики погрешности датчика от неоднородности ЭП с ЧЭ в форме сферического сегмента для различных значений его углового размера 60=а0 (сферический сегмент вписан в сферический квадрат) и полей точечного (рис.4а) и плоского (рис.4б) источников [3].
Сравнительный анализ погрешностей от неоднородности ЭП по рис.3 и 4 дает основания сделать следующие выводы:
1) датчики с ЧЭ в форме сферического квадрата с предельными размерами а0, равными предельным размерам сферического сегмента 90 имеют меньшую погрешность при одном и том же пространственном диапазоне измерения а\
В. А. НИКОНЕНКО Ю. О. МАЛЫШЕВ Ю. В. ШЕВЕЛЕВ
ФГУП Омский опытный завод «Эталон»
УДК 691.317.39(91)
На современном уровне развития промышленности контроль температуры составляет значительную часть относительно других параметров контроля технологических процессов. Вследствие этого выпускается широкая номенклатура средств измерения температуры, большую часть которой составляют термоэлектрические преобразователи (термопары) хромель-алюмель, хромель-копель и термометры сопротивления ТСМ, ТСП.
Очевидно, что датчики в процессе эксплуатации нуждаются в периодической поверке. Согласно ГОСТ 8.338-78 термопары поверяются в основном в горизонтальных
2) погрешность датчика в поле плоского источника слабо зависит как от формы, так и от размеров ЧЭ датчика;
3) для датчиков с ЧЭ в форме сферического квадрата и сферического сегмента, имеющими одинаковую площадь, графики погрешности полностью совпадают. Равенство площадей сферических квадратов и сегментов наблюдается при выполнении условия 90=а0+3°.
4) оптимальные сточки зрения минимума погрешности и максимума пространственного диапазона измерения размеры ЧЭ датчика как в форме сферического квадрата, так и в форме сферического сегмента лежат в диапазоне 450<а0=90<90°.
Литература
1. Бирюков C.B. Анализ работы электроиндукционных сферических датчиков напряженности электрического поля в полях различной неоднородности //"Магнитные и электрические измерения" : Межвуз. сб. тр. - Омск, 1983. - С. 3-5.
2. Бирюков C.B. Теория и практика построения электроиндукционных датчиков потенциала и напряженности электрического поля // Омский научный вестник. - 2000. -вып. 11.-С. 89-93.
3. Теоретические основы электротехники:Учебник для вузов в 3-х т. / Под. общ. ред. K.M. Поливанова. - Т.З. -М.: Энергия,1975. -208 с.
БИРЮКОВ Сергей Владимирович-кандидат технических наук, доцент кафедры информационно-измерительной техники.
ШИЛИКОВ Андрей Сергеевич - студент 4-го курса специальности «Информационно-измерительная техника и технологии»
трубчатых печах. Однако эти печи имеют существенные недостатки, такие как: *
- большой перепад температур в рабочей зоне (0,8°С/см),
- значительная абсолютная погрешность,
- большое расстояние от торца печи до изотермической зоны, что не позволяет проводить поверку датчиков малой длины,
- значительное влияние конвективного теплообмена качество поверки,
- большие времена выхода печей на температурный режим (для печи МТП-2М оно составляет 90 мин.).
СУХОБЛОЧНЫЙ ТЕРМОСТАТ ТС 600-1 ДЛЯ ПОВЕРКИ КОНТАКТНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР +50 +600 °С
В СТАТЬЕ ЗАТРОНУТЫ НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ПОВЕРКЕ КОНТАКТНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ В ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ПЕЧАХ И ЖИДКОСТНЫХ ТЕРМОСТАТАХ. ОПИСАНА КОНСТРУКЦИЯ СУХОБЛОЧНОГО ТЕРМОСТАТА ТС 600-1 ПРИВЕДЕНЫ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭТОГО ТЕРМОСТАТА, ПРИЕМЛЕМЫЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ТЕРМОСТАТОВ, СХОЖИХ ПО КОНСТРУКЦИИ С ТЕРМОСТАТОМ ТС 600-1. ОБОЗНАЧЕНА ПЕРСПЕКТИВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУХОБЛОЧНЫХ ТЕРМОСТАТОВ В КАЧЕСТВЕ СРЕДСТВ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ РЕПЕРНЫХ ТОЧЕК ТЕМПЕРАТУРНОЙ ШКАЛЫ МТШ-90.
Таблица 1
Технические характеристики термостата ТС 600-1
Наименование характеристики, единицы измерения. Значение характеристики.
Диапазон воспроизводимых температур, "С +50...+600
Нестабильность поддержания температуры за 30 мин., "С, не более ±0,05 (в диапазоне температур от +50 °С до +300 °С) ±0,15 (в диапазоне температур от +300 °С до +600 °С)
Перепад температуры на дне рабочей камеры, °С, не более 0,1
Вертикальный градиент температуры в рабочей зоне 107... 187 мм от верхнего торца выравнивающего блока, °С/ см, не более 0,15 (в диапазоне температур от+50 °С до +300 °С) 0,2 (в диапазоне температур от +300 "С до +600 °С)
Превышение температуры боковой поверхности корпуса над температурой окружающего воздуха при нагреве до максимальной температуры,"^, не более 30
Максимальная потребляемая мощность, кВт, не более 1,5
Диаметр выравнивающего блока, мм, не более 25,4
Габаритные размеры, мм, не более Блока управления: 350x132x458 Термостата: 155x195x375
Масса термостата, кг, не более 20
Время выхода в режим стабилизации температуры, мин., не более 45
В диапазоне температур до +600 °С более предпочтителен сухоблочный термостат, который имеет лучшие характеристики, чем трубчатая печь. Характеристики этого термостата приведены в таблице 1.
Термометры сопротивления согласно ГОСТ 8.461-82 поверяются в жидкостных термостатах в диапазоне температур от 0 до +600 °С, а в диапазоне температур от+100 до +1100 °С в горизонтальных трубчатых электропечах. Жидкостные термостаты с диапазоном воспроизводимых температур выше +200 "С (оловянный, свинцовый, селитровый) вредны для здоровья человека, так как выделяют в окружающую атмосферу испарения металлов. Сухо-блочный термостат лишен данного недостатка, кроме того, он имеет метрологические характеристики не хуже, чем горизонтальная трубчатая печь, обладает меньшими габаритными размерами по сравнению с печами и обеспечивает лучший тепловой контакт поверяемого датчика степлопро-водящей средой (металлическим выравнивающим блоком) по сравнению с трубчатой печью.
Для решения данных задач на ФГУП Омский опытный завод «Эталон» в 2000 - 2001 году был разработан сухо-блочный термостат ТС 600-1 с диапазоном воспроизводимых температур +50...+600°С.
Сухоблочный термостат ТС 600-1 состоит из термостата ТС-2 и блока управления БУ-2-2. Чертеж термостата ТС-2 приведен на рис. 1.
Основой конструкции термостата ТС-2 является нагревательный блок 2, представляющий собой вертикально расположенную металлическую трубу, заглушённую с нижнего торца. Во внутреннее пространство нагревательного блока помещают сменный выравнивающий блок 3 со сверлеными колодцами, предназначенными для размещения поверяемых средств измерения температуры и образцового датчика.
На внешнюю поверхность нагревательного блока в один слой уложен нагреватель 4, изготовленный из нагрево-стойкого кабеля с минеральной изоляцией в стальной оболочке марки КНМСНХ-Н (кирс-кабель), который размещается в специальной проточке, обеспечивающей большую площадь соприкосновения и, следовательно, лучшую теплопередачу между нагревателем и нагревательным блоком.
Датчик обратной связи регулятора температуры 6 расположен внутри нагревательного блока вблизи кирс-кабеля. В качестве датчика обратной связи используется платиновый термометр сопротивления,
Поверх нагревателя уложен теплоизоляционный материал 5 - войлок марки МКРВ. В верхней части нагреватель-
ного блока располагается защитная заглушка 1 из пенокера-мики, ограничивающая теплообмен между верхним торцом нагревательного блока и окружающей средой.
Данная конструкция помещена в защитные 7 и радиационные экраны 8. В нижней части термостата расположен вентилятор 9 для ускорения его охлаждения.
Выравнивающий блок обеспечивает дополнительное выравнивание теплового поля в термостате за счет высокой теплопроводности материала, из которого он изготовлен. И нагревательный, и выравнивающий блоки изготовлены из бронзы марки БРАЖМЦ с теплопроводностью 100 (Вт/мЧк). Кроме того, сменный выравнивающий блок позволяет обеспечивать хороший тепловой контакт с
Рис. 1 Сухоблочный термостат ТС 600-1: 1 - заглушка из пеиокерамики, 2 • нагревательный блок, 3 - выравнивающий блок, 4 - нагреватель, 5 - войлок МКРВ,
6 - датчик обратной связи регулятора температуры, 7 • защитный экран, 8 • радиационный экран, 9 - вентилятор.
Рис.2. Схема соединений при измерении вертикального градиента температуры: А1 - термостат ТС 600 -1, А2 - термостат нулевой (для термостатирования холодных концов термопар), ВК1 - опорная термопара, ВК2 - измерительная термопара, ХК1- свободные концы опорной термопары, ХК2-свободные концы измерительной термопары,
РУ1 - вольтметр, 81 - переключатель бестермоточный.
поверяемыми датчиками разных диаметров благодаря возможности установить выравнивающий блок с колодцами требуемых диаметров.
Применение КНМСНХ-Н позволяет обеспечить высокую степень защиты пользователя от поражения электрическим током благодаря его высокому сопротивлению изоляции.
Размещение датчика обратной связи вблизи нагревателя уменьшает запаздывание в системе регулирования и позволяет реализовать высоко устойчивую малоинерционную систему управления с малыми временами переходных процессов.
Использование радиационных экранов и теплоизоляции дает возможность, имея температуру внутри термостата +600 "С, получить на корпусе термостата температуру не выше +50 °С.
Блок управления БУ-2-2 объединяет в себе микропроцессорный регулятор температуры и усилитель мощности, обеспечивающие реализацию ПИД-закона регулирования.
Основными характеристиками термостата, влияющими на качество поверки средств измерения температуры, являются вертикальный градиент температуры в рабочей зоне термостата и перепад температуры на дне его рабочей камеры. Для определения этих характеристик были разработаны следующие методики. Методика определения вертикального градиента температуры:
1. Собирается рабочее место по схеме рис. 2.
2. В колодец нагревательного блока термостата вставляется выравнивающий блок с четырьмя отверстиями.
3. Опорная и измерительная термопары устанавливаются в держатели штатива. Термопары опускаются в отверстия выравнивающего блока термостата до касания спаев термопар с дном колодцев в выравнивающем блоке (на глубину 187 мм от его верхнего торца). Термопары поднимаются на 1 ... 2 мм и закрепляются в держателях штатива.
4. При помощи держателя штатива измерительная термопара поднимается на 80 мм.
5. Термостат выводится на требуемый температурный режим.
6. Через 10 минут после достижения установившегося режима переключатель устанавливается в положение опорной термопары и по вольтметру измеряется термо ЭДС, ио8 на опорной термопаре с точностью до 0,001 мВ.
7. Переключатель устанавливается в положение измерительной термопары и по вольтметру измеряется термо ЭДС, ии8 на измерительной термопаре с точностью до 0,001 мВ.
8. По таблицам ГОСТ Р 50431-92 определяется температура 1 о., соответствующая напряжению 1)08, и темпе-
ратура соответствующая напряжению Вычисляется разность температур, 01в по формуле (1):
Ч=1ие" *ое
(1)
9. Измерительная термопара при помощи держателя штатива опускается на 1 см вниз. Время выдержки термопары после перемещения не менее 2-х минут
10. Повторяются операции по пункту 6...8, при этом определяются значения ио;, 1)И1,^ ^ Д1г
11. Вычисляется значение вертикального градиента температуры в точке \ по формуле (2):
в; =
ДЪ -
¡+1
1
(2)
12. Повторяются операции по пункту 9. .. 11 до получения восьми значений вертикального градиента температуры
0 = 8...0).
Данная методика позволяет измерять вертикальный градиент температуры в рабочей зоне термостата с точностью до 0,01 "С/см. Использование опорной термопары позволяет исключить влияние нестабильности поддержания температуры в термостате на результаты измерений вертикального градиента.
Методика определения перепада температуры на дне рабочей камеры термостата:
1. В рабочую камеру термостата вставляется выравнивающий блок с четырьмя отверстиями. Эталонный платиновый термометр сопротивления ЭТС-100 (далее ЭТС-100) помещается в выравнивающий блок в колодец диаметром 6,3 мм до соприкосновения с его дном. Диаметрально противоположно колодцу, в котором находится ЭТС-100, должен располагаться другой колодец диаметром 6,3 мм.
2. Термостат выводится на требуемый температурный режим.
3. Через 30 минут после достижения установившегося режима измеряется сопротивление В, ЭТС-100 с помощью вольтметра, ЭТС-100 подключается к вольтметру по четырехпроводной схеме. Показания с вольтметра считы-ваются с учетом четырех знаков после запятой.
4. Дважды повторяются операции по пункту 3 при этом измеряются сопротивления И2 и Интервалы между замерами должны составлять не менее 30 мин.
5. Вычисляется значение сопротивления ЭТС-100 в точке 0° по формуле (3):
Я, +Я2 +Я3 3
6. Определяется температура 10°, соответствующая измеренному сопротивлению Я0° по указаниям эксплуатационных документов на ЭТС-100.
7. ЭТС-100 перемещается в диаметрально противоположный колодец выравнивающего блока, диаметр этого колодца должен быть 6,3 мм. Время переноса ЭТС-100 из одного колодца в другой не более 10 секунд.
8. Повторяются операции по пункту 3...6 при этом определяется значение сопротивления К1в0° ЭТС-100 и соответствующая ему температура 11ао°.
9. Выравнивающий блок с ЭТС-100 разворачивается приблизительно на 90° по часовой стрелке и выполняются операции по пункту 3...6 при этом определяется значение сопротивления Р270° ЭТС-100 и соответствующая ему температура 1270°.
10. Повторяются операции по пункту 7.
11 Выполняются операции по пункту 3...6 при этом определяется значение сопротивления Р90° ЭТС-100 и соответствующая ему температура Ц0°.
12. Перепад температуры определяется как максимальная разность между измеренными значениями температуры 10°. V, 1180°, 1270°
Проведенные исследования сухоблочного термостата позволили сделать следующие выводы:
1. Сухоблочный термостат ТС 600-1 пригоден для проверки термопар и термометров сопротивления;
2. Для поверителя сухоблочный термостат более удобен, чем трубчатая печь (малые габаритные размеры термостата, малое время выхода термостата на режим стабилизации температуры, высокая стабильность поддержания температуры, надежный тепловой контакт поверяемого датчика с выравнивающим блоком термостата);
3. Термостаты рассмотренного типа, благодаря своей конструкции и техническим характеристикам, перспективны для реализации реперных точек температурной шкалы МТШ-90.
НИКОНЕНКО Владимир Афанасьевич, директор ФГУП ООЗ "Эталон".
МАЛЫШЕВ Юрий Олегович, инженер ФГУП ООЗ "Эталон", аспирант кафедры ТЭА ОмГТУ.
ШЕВЕЛЕВ Юрий Валентинович, инженер ФГУП ООЗ "Эталон", аспирант СНИИМ.
