книги из ГПНТБ / Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением учеб. пособие для студентов металлург. спец. вузов

Если результаты расчета окажутся неприемлемыми для условий динамического процесса в детали (невозможность уловить мгно­ венные изменения температур, например, в дисках пил, ножах горя­ чей резки, прокатных валках и др.), то необходимо изменить диа­ метр и длину проволоки термопары. Для новых условий нужно по­ вторно пересчитать ее инерционность.

В качестве измерительных и регистрирующих приборов вместе с термопарами используют потенциометры, гальванометры и реже пирометрические милливольтметры, соответствующие данному ти­ пу термопары. При необходимости точно фиксировать динамичес­ кие тепловые процессы применяют безынерционные осциллографы (Н-700, МПО-2 и др.).

Точное измерение термо-э. д. с. достигается лишь с помощью потенциометров высокого класса и осциллографов. Как известно, потенциометрический метод измерения основан на уравновешива­

ПП и ПП-П и лабораторные ПМ, ППТН и др. В последнее время широкое распространение получили электронные автоматические потенциометры ЭПД-09, ЭПП-09М2, ЭПД-12, ЭП-120 и т. д.

Автоматические электронные потенциометры работают на прин­ ципе автоматического уравновешивания моста и располагают са­ мописцем с дисковой или ленточной диаграммой. Кроме того, они дополнительно снабжаются регулирующим устройством, с помощью которого можно автоматизировать любой процесс, если задающим параметром является температура.

В электронных потенциометрах осуществляется автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термопар: на дополнительном сопротивлении создается падение напряжения, равное поправке при данной температуре свободных концов. По­ следние должны присоединяться непосредственно к зажимам потенциометра. Д л я наращивания термоэлектродов и присоеди­ нения к потенциометру можно использовать компенсационные провода.

Автоматические электронные потенциометры выпускают на раз­ ное число рабочих точек: наряду с однозаписными имеются потен­ циометры и для записи нескольких (трех, шести и более) темпера­ тур от разных термопар на одной ленте. Отличительной особенно­

го

стью электронных потенциометров является их небольшая инерционность.

При включении в измерительную цепь осциллографов для ре­ гистрации быстро меняющихся тепловых процессов часто использу­ ют усилительную аппаратуру. В этом случае возможно применение электронных осциллографов. В качестве усилителей применяют различные конструкции усилителей постоянного тока и специаль­ ные магнитные усилители [121].

щш м _

Термостат

Рис. 5.6. Однопроводная схема подключения нескольких вращающихся термопар со свобод­ ным спаем на стороне стационарной аппара­ туры

Простейшей схемой подключения нескольких термопар к изме­ рительному прибору является так называемая однопроводная схе­ ма включения с размещением на вращающейся детали лишь рабо­ чих (горячих) спаев. Такая схема представлена на рис. 5.6. Схема составлена в предположении, что на испытуемой детали размещено восемь термопар, у которых термоэлектрод а является общим и выведен к токосъемному устройству одним отводом, а электроды б подводятся к токосъемным устройствам каждый в отдельности. Пе­ реключатель S позволяет подключать измерительный прибор к нужной термопаре поочередно. Свободный (холодный) спай явля­ ется общим для всех термопар и размещается на стороне стацио­ нарной аппаратуры в термостате с постоянной температурой Т0. Температуру свободного спая контролируют жидкостным термомет­ ром расширения.

Такая схема включения термопар на измерительную аппарату­ ру имеет серьезные недостатки. Действительно, на э. д. с. вращаю­ щейся термопары накладывается термо-э. д. с , возникающая в местах соединения термоэлектродов и колец токосъемников. По­ этому данной схемой можно пользоваться лишь при токосъемни­ ках с малыми контактными термо-э. д. с. (ртутные токосъемники).

Для осуществления точных измерений компенсационным и пря­ мым способами представляют интерес измерительные схемы, пред-

І 9 І

ставленные на рис. 5.7 и 5.8 [114]. Обе схемы в отношении электри­ ческих связей идентичны и отличаются друг от друга лишь тем, что в схеме рис. 5.7 термоэлектроды через полость 2 выведены на то­ рец вала / к приставному токосъемному устройству ГУ, а в схеме рис. 5.8 использованы токосъемники, расположенные непосредст­ венно на валу испытуемой машины. Обе схемы представлены в ва­ рианте использования токосъемников с наклонной установкой ще-

Рис. 5.7. Способ подключения вращающихся термопар со свободным спаем, рас­ положенным на приставном токосъемнике

ток и искусственным подогревом, для чего использованы трансфор­ маторы Тр и электроподогреватели 77, в цепи которых включены контрольные лампы КЛ.

На рис. 5.7 приведен вариант прямого способа измерения тем­ пературы в нескольких точках вращающейся детали. Переключе­ ние термопар осуществляется на ходу машины переключающим устройством ЯУ, расположенным непосредственно на приставляе­ мом токосъемнике. Особенностью схемы является расположение свободного спая на вращающемся теле с выводом его через торец в приставной термостат Т\ с рабочим спаем стационарной термо­ пары. Последняя включена в измерительную термоэлектрическую цепь вращающейся термопары и вместе с ней замыкается на из­ мерительный прибор ИП.

Таким образом, используя некоторые элементы компенсацион­ ного измерения, схему применяют и для прямых измерений темпе­ ратуры прибором ИП, а также для осциллографирования тепловых динамических процессов. В последнем случае прибор ИП заменя­ ют осциллографом. Подключение к осциллографу может быть осу­ ществлено непосредственно, если используют вибраторные осцил-

192

лографы, или через усилительную аппаратуру, если в качестве осциллографа применена электроннолучевая трубка.

Для исключения дополнительных термо-э. д. с , которые возни­ кают в местах соединения термоэлектродов термопары с кольцами токосъемников, в схеме предусмотрены следующие приемы осуще­

Рис. 5.8. Способ подключения вращающихся термопар со свободным спаем, расположенным на валу испытуемой машины

ников К- Подсоединение одного из электродов термопары (в частности, электрода б\) производят с помощью клемм 4, располо­ женных на вращающемся валу. Отводы от клемм к кольцам осу­ ществляются проводниками 3, выполненными из меди (при медных кольцах) или из серебра (при серебряных кольцах). Благодаря этому термо-э. д. с , возникающие в местах соединения отводящих проводников 3 с электродом термопары б, взаимно компенсируй ются. На стороне стационарной аппаратуры отводы 8 от щеток то­ косъемника 9 сделаны из того же материала, что и отводы от коль­ ца К- Стационарная термопара (а2, б2) полностью термоидентична вращающейся термопаре (au б{) и изготовлена из тех же мате­ риалов.

Соединение цепи стационарной термопары с электрической цепью вращающихся термопар через измерительный прибор ИП производят с помощью стационарного устройства 7, которое обес­ печивает одинаковые тепловые условия для клемм. Рабочий спай стационарной термопары размещен в термостате Т\. Это обеспечи­ вает идентичные тепловые условия этого спая со свободным спаем вращающейся термопары. Свободный же спай стационарной тер­ мопары помещают в термостат Т2 с контролируемой термомет-

дельных точках. Они имеют малую тепловую инерционность и мо­ гут непрерывно следить за температурой объекта.

От термопар термисторы отличаются, в частности, тем, что их показания не зависят от температуры всех спаев цепи. Здесь не нужно термостатировать холодные концы токоподводов и измерять их температуру. Термо-э. д. е., возникающие на всех спаях в цепи, на несколько порядков меньше внешнего напряжения, используе­ мого в измерительной схеме.

Термисторы отличаются также высокой чувствительностью, так как их сопротивление изменяется в 10—100 раз при изменении тем­ пературы на 100° С. При этом только изменение сопротивления при росте или уменьшении температуры на 1°С может достигать одно­ го килоома и больше. Следовательно, токоподводящие провода не оказывают влияния на показания термистора. Они могут быть практически любой длины и сечения.

Тепловая инерционность термосопротивлений рассчитывается обычно методами [114, 118], аналогичными приведенным выше при­ менительно к термопарам. Обычно тепловую инерционность опре­ деляют величиной t', которая выражает время, в течение которого температура термистора изменится в е раз, т. е. на 63% от вели­ чины разности температур при переносе датчика из одной среды с

секунды для одних датчиков и минуты — для других.

В связи со сложностью изготовления малоинерционных термоеопротивлений представляет интерес применение для исследования динамических процессов более грубых инерционных термосопро­ тивлений с последующей графо-аналитической расшифровкой ре­ зультатов измерений по методике, получившей распространение в

конечных цилиндров с постоянными тепловыми условиями на своих торцах [125], заключается в том, что, с одной стороны, аналитичес­ ки путем решения задачи распространения тепла устанавливается функциональная связь между быстрыми гармоническими измене­ ниями температуры окружающей среды и температурой заведомо инерционного термочувствительного элемента, а следовательно, и его электрическим сопротивлением; с другой стороны, осциллограм­ ма изменения сопротивления инерционного термоэлемента, полу­ ченная в результате эксперимента, разлагается на гармонические составляющие с измерением амплитуды и частоты каждой гармо-

196

ники. В результате анализа гармонических составляющих экспери­ ментальной кривой изменения сопротивления термоэлемента нахо­ дятся соответствующие им гармонические составляющие искомой кривой изменения температуры среды, окружающей термоэлемент. После этого производят синтез найденных гармонических состав­ ляющих кривой температуры среды для построения (или вычисле­ ния) суммарной кривой, характеризующей протекание исследуе­ мого теплового процесса.

Таким образом, метод позволяет осуществить перестройку экспе­ риментальной кривой изменения сопротивления инерционного тер­ моэлемента в расчетную кривую действительных быстрых измене­ ний температуры окружающей среды. Относительная приведенная точность метода достигает 1—2%.

Полупроводниковыми материалами для термисторов служат обычно различные оксиды, нитриды, сульфиды и карбиды метал­ лов. Данные о часто применяемых материалах для термисторов приведены в табл. 5.3.

Т а б л и ц а 5.3

Материалы для термисторов

вают изменение характеристики термистора. Относительно хорошая стабильность показаний обеспечивается у термисторов из двуокиси урана UO2 . Термисторы размерами 1,5X1,5X16 мм из этого ма­ териала могут иметь сопротивление порядка (30—40) 103 ом.

К основным параметрам термисторов естественного нагрева от­ носятся:

1)габаритные размеры;

2)величина сопротивления датчика при определенной темпера­ туре (обычно комнатной);

3)температурный коэффициент сопротивления а 0 при опреде­ ленной температуре;

4)постоянная времени t', характеризующая тепловую инерцион­ ность термистора;

5)максимально допустимая рабочая температура Г м ;

197

6) максимально допустимая мощность WM, выделяющаяся в термисторе при пропускании тока.

Приемы крепления термочувствительных элементов могут быть разнообразными и определяются конкретными условиями испы­ тания. Во всех случаях они сводятся к привариванию (или пайке), запрессовке, приклеиванию, а также к креплению с помощью внеш­ них накладок (рис. 5.9 и 5.10).

Если деталь, температуру у которой нужно измерить, представ­ ляет собой пластину / с небольшой толщиной (рис. 5.9), то для установки термосопротивления сверлят сквозные отверстия диамет­ ром, позволяющим плотно, но без усилий вставить капсулу термо­

и прокладывают по поверхности, прижимая их к ней с помощью накладки 5 из фольги или пластины нержавеющей стали. Пластину также приваривают к исследуемой детали.

На рис. 5.10 приведен вариант крепления путем запрессовки и последующей заделки термочувствительного элемента. Такое креп­ ление удобно для массивных деталей машин. Для установки и креп­ ления термочувствительного элемента 2 в испытуемой детали / сверлят отверстие заданной глубины и диаметра, равного диаметру капсулы термочувствительного элемента. После установки капсулы кромку отверстия 3 расклепывают, образуя бортик, удерживающий вставленную капсулу термосопротивления. Выводы 4 проходят че­ рез полость втулки; их крепят на поверхности с помощью н а к л а д ­ ки 5.

В большинстве случаев в комплекте с термисторами естествен­ ного нагрева используют неуравновешенные мостовые схемы. Инох-

198

да применяют автоматические уравновешивающиеся электронные мосты [128].

Измерения температуры в отдельных точках среды могут произ­ водиться датчиками, размеры рабочего тела которых весьма малы. Такие «точечные» термисторы называют иначе микротермосопротивлениями. В технической литературе сведения о применении микротермосопротивлений весьма ограничены [114, 129—132]. Некото­

служат две платинитовые проволоки диаметром 0,05 мм. К прово­ локам приварены медные выводы диаметром 0,4 мм.

Максимальная рабочая температура термистора КМТ-14 состав­ ляет 300° С. Номинальное сопротивление задается при 150° С. Тер­ мосопротивления КМТ-14 изготовляют на различные номинальные сопротивления (от 350 ом до 10 мгом при 150°С). Допускаемое от­ клонение от определенного номинала составляет ± 3 0 % .

Тепловая инерционность термистора КМТ-14 зависит от усло­ вий работы и схемы, в которой это термосопротивление использует­

вплавляют серебро; при этом крупинку окунают в расплавленную капельку серебра сначала одной, а затем противоположной гранью, в результате чего вплавляются серебряные контакты. К этим кон­ тактам для термистора СМИ-1 приваривают две стальные прово­ локи диаметром 0,2—0,3 мм. Для защиты от внешней среды термис-

199