Методы измерения температуры.

Температура является мерой для описания энергетического состояния элементов конструкции, рабочей жидкости или газа. В процессе технической эксплуатации самолетов и двигателей измерения температуры занимают одно из самых основных мест.

В процессе теплообмена тепловая энергия переходит от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым, вплоть до установления теплового равновесия (выравнивания температуры). Таким образом явления теплообмена характеризуют температуру как физическую величину, определяющую направление передачи тепловой энергии.

Наибольшее распространение и применение в практике температурных измерений получили шкала Цельсия и абсолютная термодинамическая шкала Кельвина.

При построении температурной шкалы обычно выбираются две опорные точки, представляющие собой легко воспроизводимые значения температур. Обычно это температуры фазового равновесия однокомпонентных систем (точки кипения, затвердевания, таяния и т.д.). Этим температурам приписывают начало и конец или промежуточные точки температурной шкалы. За единицу шкалы принимается какая-либо целая часть этого интервала, называемая градусом, т.е.

1 градус =(t₁-t₂)/N,

где N – число частей (делений) шкалы.

В шкале Цельсия в качестве опорных точек t₁ и t₂ приняты температуры замерзания 0 ⁰С и кипения 100 ⁰С океанской воды.

В абсолютной термодинамической шкале Кельвина за начало отсчета принят абсолютный ноль (0 К), а в качестве второй опорной точки – температура тройной точки океанской воды (273,16 К). Температура тройной точки воды – точка существования льда, воды и пара равна 273,16 К ( при Р = 4,58 мм рт ст).

Для измерения температуры подбирается рабочее вещество, которое не меняет своего агрегатного состояния в пределах основного интервала температурной шкалы. Для этого вещества выбирается какое-либо свойство Е называемое термодинамическим (например, объемное или линейное расширение, электро сопротивление). Предполагая, что это свойство линейно связано с температурой, выводится основное уравнение температурной шкалы:

t = t₁ +(t₂-t₁)(E_t-E₁)/( Е₂-E₁)

где Е_1, Е_2, Е_t - значения свойства Е при температурах t_1, t₂ и t.

Данное выражение позволяет по результатам измерения величины Е определить значение измеряемой температуры.

В качестве рабочего вещества в шкале Цельсия обычно используются жидкости (ртуть, спирт и т.д.).

Виды термометров:

- Жидкостные термометры (стеклянные);

- Манометрические термометры (газовые и жидкостные);

- Термоэлектрические термометры (термопары);

- Термометры электросопротивления;

- Радиационные термометры (пирометры).

Жидкостные термометры.

Действие жидкостных термометров основано на изменении объема (высоты столба) жидкости при изменении температуры.

В качестве рабочих жидкостей применяют: ртуть, толуол, этиловый спирт и д.р.

Жидкостные термометры широко применяются при измерении t ⁰C жидкостей и газов.

Достоинства: широкий диапазон измеряемых температур (от -50 до 500 ⁰C), простота использования, высокая точность (цена деления до 0,1 ⁰C), нет необходимости применения в источниках питания и дополнительных приборах измерения.

Недостатки: невозможность измерения температуры в точке, чувствительность к ударам и вибрациям, значительная инерционность, невозможность дистационных измерений (датчик и «указатель» - одно целое).

Манометрические термометры.

Действие манометрических термометров основано на зависимости рабочего вещества, заключенного в замкнутом объеме. При погружении датчика термометра (термобаллона, заполненного рабочим веществом) в измеряемую среду, рабочее вещество стремится изменить свой объем, т.к. объем датчика, const, то происходит изменение давления. Давление рабочего вещества измеряется манометром, соединенным с датчиком капиллярной трубкой, длина трубки может достигать 50 м. Термометры данного типа обычно используются для дистанционного измерения температуры в пределах от –160 до +600 ⁰C с ценой деления до 0,1⁰C.

Термометры электросопротивления.

Действие термометра электросопротивления основано на изменении удельного сопротивления проводников электрического тока (механическая проволока) при изменении температуры. Диапазон измеряемых температур составляет от -100 до +500⁰C.

Конструктивно представляет собой сопротивление (проволока намотанная на жесткий, изолирующий каркас) диаметр проволоки 0,05-0,1мм сопротивление 45-1000м материал проволоки: медь (для температур -50 до +150⁰C), никель (от -50 до +200⁰C), платина (от -200 до +500⁰C).

Каркас с обмоткой помещается в корпус, который защищает от химических воздействий внешней среды от значительных давлений.

Достоинства: возможность дистанционных измерений и автоматической записи, широкий диапазон измеряемых температур, высокая точность измерений, простота.

Недостатки: невозможность измерения температуры в точке, значительная инерционность, требуются дополнительные источники питания и электроизмерительные приборы.

Применяются для измерения температуры воздуха на входе в двигатель, в системах КВ и ПОС , измерение температуры масла П-77, топлива, температуры в масляных полостях двигателя (термометры типа ТУЭ-48- термометр унифицированный электрический).

Радиационные термометры (пирометры)

Действие радиационного термометра основано на регистрации теплового излучения поверхности нагретого тела. По принципу действия различают яркостные и собственно радиационные пирометры. Яркостные пирометры используются для измерения относительно высоких (выше 600⁰C) температур, их действие основано на зависимости спектральной яркости поверхности нагретого тела от температуры. При проведении измерений, яркость свечения поверхности тела сравнивается с яркостью свечения нити пирометрической лампы, помещенной в поле зрения наблюдателя. Температура тела при этом определяется по величине тока, идущего на нагрев нити лампы в момент равенства яркостей. Так например, яркостный пирометр типа ОППИР позволяет измерять температуру тел в диапазоне от 700 до 6000⁰C, с погрешностью Dt менее ±20⁰C.

Радиационные термометры используются для измерения температуры поверхностей тел выше 100К. Действие радиационных термометров основано на регистрации потока излучения (фотонов). При проведении измерений поток излучения с помощью объектива направляется на фотометрическое устройство (термопару), которая вырабатывает ТЭДС пропорциональную температуре исследуемого тела.

Так например, радиационный пирометр типа РАПИД позволяет измерять температуру тел в диапазоне от 370 до 2800 К с погрешностью ±8 К.

Достоинства: дистанционность измерений, возможность бесконтактного измерения t, широкий диапазон.

Недостатки: относительная сложность.

Термоэлектрические пирометры (термопары)

Сила, вызывающая появление тока называется ТЭДС.

Величина ТЭДС зависит от природы металлов и разности температур горячего и холодного спаев. Если температуру холодного спая поддерживать постоянной ( 0⁰C ), то величина тока (ТЭДС) будет зависеть только от температуры горячего спая. До начала измерений у термопар снимают градуировочную характеристику, в процессе которой при постоянной температуре «холодного» спая, «горячий» спай последовательно нагревают до различных температур и определяют развиваемую термопарой ТЭДС. Зависимость ТЭДС от температуры представляет собой нелинейную функцию. Термопары общепромышленного назначения выпускаются в соответствии с ГОСТ 6616-74, градуировочные таблицы термопар даны в ГОСТ 3044-77.

По материалу применяемых в термопарах проводников они делятся на две группы: термопары из благородных и неблагородных металлов.

Из первой группы нашли широкое применение термопары:

- платинородий –платиновая;

- платиноиридий-платиновая.

Эти термопары применяются для регистрации высоких температур (до 1600⁰C ), для исследования процессов горения основных и форсажных камер сгорания.

К недостаткам платиновых термопар следует отнести: 1) Малая величина развиваемой ТЭДС, в связи с чем требуется высокочувствительная электроизмерительная аппаратура. 2) Большое удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления. 3) Высокая стоимость, из-за чего электроды делаются небольшой толщины и как следствие низкая механическая прочность. 4)Изменение термоэлектрических свойств в среде водорода, окиси углерода и др., что требует применение защиты.

1. в качестве термоэлектродов для термопар второй группы используются специальные сплавы (хромель – сплав на основе никеля с добавлением девяти процентов хрома, алюмель – сплав на основе никеля + Al, Mn, Co, копель – сплав меди с никелем и марганцем, никель кобальтовый сплав, НЖ – сплав никеля с железом и д.р.). Эти сплавы обладают необходимыми физическими свойствами такими как (большой уровень развиваемой ТЭДС, коррозионная стойкость и т.д.).

2. из термопар второй группы наиболее часто применяется хромель-алюмелевая ХА, хромель-копелевая ХК термопары и термопар из сплава НК-СА ( никелькобальтовый сплав – специальный алюмель; термопары типа ТВГ – 11).

Основным достоинством термопар второй группы является их доступность и малая стоимость. Благодаря этому электроды можно делать значительной толщины (если при измерениях не имеет значения инерционность показаний), что увеличивает механическую прочность и снижает электрическое сопротивление электродов.

Хромель-алюмелевая термопара хорошо работает в условиях наличия окислителей и имеет практически линейную градуировочную характеристику. Недостатком данной термопары является повышенная хрупкость при температуре более 1000⁰C пригодна для длительных измерений, при температурах до 1000⁰C и при кратковременных измерениях температура до 1300⁰C .

Термопары и сплавы НК-СА – термопары типа ТВГ -11. Особенностью данных термопар является их термоэлектрическая характеристика. При изменении температуры в интервале от 0 до 200⁰C термопара практически не развивает ТЭДС, что позволяет не помещать «холодный» спай в термостат. По жаростойкости не уступает ХА термопаре, однако имеет существенный недостаток: низкий уровень развиваемой ТЭДС.

Хромель-копелевая термопара.

Применяется в основном для измерения температуры газа за компрессором. По жаростойкости уступает перечисленным выше из-за низкой жаростойкости копеля.

Достоинства: самый высокий уровень развиваемый ТЭДС. Длительные измерения температур до 600⁰C, кратковременные – температур до 800⁰C.

Термоэлектроды, соединенные между собой, помещаются в изоляционный материал. Для предохранения изолятора от механических повреждений он заключается в металлический корпус. На конце защитного корпуса имеется планка для крепления соединительных проводов.

Термоэлектроды соединяются сваркой или пайкой.

Если градуировочная характеристика термопары представляет собой прямую линию, то можно одним измерением определить среднюю температуру из показаний нескольких термопар. Термопары соединяются последовательно и образуют термобатарею, ТЭД сила батарей равна сумме ТЭД термопар.

Достоинства термопар: возможность измерения температуры в точке, широкий диапазон измерения (от 100 до 2000⁰C), возможность дистанционной передачи измерений.

Недостатки термопар: необходимость применения точных и чувствительных электроизмерительных приборов, необходимо поддерживать температуру холодного спая.

Кроме выше перечисленных способов и средств измерения температуры в практике эксплуатации АТ находят применение следующий способ: способ термометрирования по изменению агрегатного состояния вещества. Этот способ находит применение в случаях, когда необходимо проконтролировать наступление какого-либо предельного состояния. 1) например, выплавление термосвидетелей в авиационных колоссах говорит о перегреве тормоза колеса; 2) одним из диагностических признаков погасившегося разрушения подшипников опор ГТД является повышение температуры масла, откачиваемого от опор. Для этого используются термостружкосигнализаторы. В качестве чувствительного элемента используется материал, температура плавления которого равна предельной температуре масла.

Достоинство: простота.

Метод термоиндикаторных красок. Применение термоиндикаторных красок основано на том, что ряд химических веществ меняет свой цвет при нагреве выше определенной температуры и сохраняет его затем при охлаждении. Набором термоиндикаторных красок можно измерять различные температуры от 40 то 1100 ⁰C, а также получить распределение температуры по поверхности. Перед экспирементом образцы красок наносят на детали, которые нагревают в электропечи до различных температур и фиксируют температуры перехода и получаемые оттенки. В дальнейшем они используются для расшифровки результатов экспериментов. Так как термоиндикаторные краски регистрируют максимальную температуру во время опыта, то выход на исследуемый режим не должен сопровождаться забросами температур.

Достоинства: нет необходимости препарировать детали и узлы, не нарушаются условия теплообмена деталей с окружающей средой, можно применять для термометрирования движущихся деталей, не требуются измерительные приборы, простота применения и механическая прочность.

Недостатки: 1) невозможность измерения температуры детали на переходных режимах; 2) измеряется температура только поверхностного слоя материала.

Погрешности измерения температур, связанных с установкой термометра.

При проведении температурных измерений, как и при любых других измерениях неизбежно присутствуют ошибки. Анализируя ошибки измерений, необходимо иметь ввиду, что термометры регистрируют собственную температуру. Поэтому точность измерения зависит не только от точности регистрирующих приборов, но и от разности между температурой среды и температурой термометра. Для того чтобы уменьшить ошибку измерений, необходимо знать причину ее появления.

1. Погрешности, связанные с теплопроводностью материала термометра. Возникают в следствие того, что при погружении чувствительной части термометра в измеряемую среду, часть термометра остается за пределами среды и следовательно имеет другую температуру. Из-за этого начинается отвод тепла от чувствительной части и следовательно показания отличаются от истинной температуры. Ошибка измерений тем больше, чем больше разность температуры среды, поэтому в месте установки термометра необходимо утеплять конструкцию.

Кроме того на величину ошибки оказывает влияние и длина погружаемой части термометра – чем больше погружен термометр, тем меньше ошибка измерения.

Термометры из материалов с большим коэффициентом теплопроводности дают большую ошибку, а сравнению с термометрами из материалов с малым коэффициентом теплопроводности.

Уменьшение диаметра термометра уменьшает ошибку измерения.

Рассмотренные ошибки возникают и при измерении поля температур, имеющего большой градиент, когда разные участки термометра подвергаются воздействию разных температур.

При отсутствии больших градиентов температур ошибка связана с теплопроводностью незначительно, если длина погруженного термометра больше 20ти его диаметров.

2) Погрешности связанные с излучением тепла поверхностью термометра.

Данная погрешность зависит:

1. От разности температур стенки трубопровода и поверхности термометра (чем больше разность, тем больше ошибка). Для уменьшения ошибки стенки утепляют.

2. От коэффициента теплоотдачи от среды к термометру (чем больше коэффициент теплоотдачи, тем меньше ошибка).

3. От коэффициента лучеиспускания термометра (чем больше лучеиспускания термометра, тем больше ошибка) Для уменьшения коэффициента лучеиспускания термометра необходима шероховатость поверхности

Одним из конструктивных методов борьбы с погрешностью является экранирование термометра. За счет этого можно повысить температуру ???стелки???участвующей в лучистом теплообмене с термометром. Кроме того, ошибки связанные с лучистым теплообменом сильно зависят от от температуры (чем больше температура, тем больше ошибка).

В заключение необходимо отметить , что в реальных условиях при измерении температур ошибки измерений, связанные с установкой термометров могут быть значительными . При установке термометра может исказиться температурное поле (из-за изменения линий тока газа или жидкости). Наличие частиц топлива может вызвать занижение показателей термометра из-за охлаждения его каплями, или завышенные показатели в случае догорания смеси. Кроме того поверхность термометра может являться катализатором.

3) Погрешности измерения температуры, связанные с тепловой инерционностью термометров.

Вызваны тем, что при изменении температуры среды, изменение температуры материала термометра (горячий спап, термосопротивление, объем жидкости в жидком термометре и др.) происходит с запаздыванием во времени.

В общем случае тепловая инерционность меньше, если меньше удельная теплоемкость материала, если меньше его объем и плотность.

4) Погрешности измерения температур в газовом потоке, движущемся с большой скоростью.

Причина появления погрешностей заключается в том, что температура поверхности тела помещенного в поток газа, не одинакова в различных точках.

На передней стороне тела имеется точка, в которой поток полностью тормозится и температура достигает максимального значения – температуры торможения Т^*. В остальных точках поверхности температура устанавливается между Т^* и Т (температурой потока газа). Средняя температура термометра лежит в пределах от Т до Т^*.

Чтобы избежать погрешности, термометры предназначенные для измерения температур в высокоскоростном газовом потоке снабжают «ловушками», в которых поток тормозится и определяется Т^*.

Измерение давления.

Для измерения скорости полета самолета применяется аэрометрический (манометрический) , тепловой, механический, термодинамический, ультразвуковой, доплеровский, инерциальный и др. методы.

Аэрометрический метод основан на измерении динамического напора воздуха, зависящего от скорости полета. Тепловой метод использует обдув нагретого тела потоком воздуха, от скорости j зависит теряемая при этом теплота. Механический метод использует вращение турбинки помещённой в поток. Термодинамический метод предусматривает измерение температуры торможения потока. Ультразвуковой метод основан на том, что скорость ультразвуковых колебаний, распространяющихся в воздушном потоке, относительно самолета определяется векторной суммой скорости ультразвука относительно воздуха и скорости самолета. Инерциальный метод основан на измерении ускорения и его интегрировании. В доплеровском методе используется измерение разности частот радиосигналов: излучаемые к земле и отражаемые от нее (GPS).

В ГА наиболее распространены аэрометрические методы измерения скорости полета , углов атаки α и углов скольжения.

1) Измерение давления в потоках газа и жидкости.

I. Измерение статического давления

Измерение статического давления на поверхности тел и стенках каналов осуществляется с помощью дренажирования. К форме и расположению дренажных отверстий предъявляются определенные требования:

· Ось поверхности должна быть перпендикулярна отверстию

· Диаметр отверстия должен быть в пределах 0,5-1,5 мм

· Кромки отверстия не должны иметь заусенцев, скруглений и фасок

· Вблизи отверстия стенка должна быть гладкой – без выступов, впадин и рисок

Так например наличие скругления кромки радиусом в четверть диаметра вызывает увеличение давления на 0.9%.

Наиболее часто для измерения статического давления применяют дисковые насадки.

II. Измерение динамического давления

Динамическое давление в потоке это разность между полным и статическим давлением – используется в основном для определения скорости газодинамическим методом.

Для определения применяют насадки, представляющие собой комбинацию насадок полного и статического давлений.

Размеры комбинированных насадок нормализованы.

III. Измерение полного давления.

При обтекании тел потоком газа или жидкости на их поверхности имеется определенное распределение давления. В точке, где скорость потока падает до нуля давление на поверхность равно полному давлению. Т.е. сумме статического и динамического давлений. Для измерения давления эту точку соединяют с манометром.

Если ось приемной трубки совпадает с направлением потока, то измеряется истинное полное давление. Если поток будет набегать под некоторым углом φ к оси (углом скоса потока), то критическая точка расположится на другом месте и манометр покажет меньшее значение давления. Простейшие насадки Г-образной формы чувствительны к скосу потока, поэтому в тех случаях, когда неизвестно направление натекания используются комбинированные насадки малочувствительные к углу скоса потока.

Измеритель: комбинированный указатель скорости КУС 730

Vп – индикатор скорости

Измеритель ИВС V отличаются от измерителей Vинд. Тем, что в них используется компенсационный узел, вносящий поправку на изменение T и Pст по высоте, путем изменения передаточного отношения от оси Vинд к оси ИВС

В механических указателях ИВС используется косвенное ведение поправки на изменение температуры, основанное на взаимосвязи Рст и температуры.

При измерении индикаторной скорости полагают, что ρвоздуха постоянна и равн ρо в норм стандартных условиях.

Конструкции манометров.

При практических измерениях давления находят применение следующие виды манометров:

· Жидкостные

· Пружинные

· Грузопоршневые

Жидкостные манометры

Применяются для измерения избыточного давления и для измерения перепада давлений. Измеряемое давление уравновешивается столбом жидкости и атмосферным давлением, а дифференциальных манометрах уравновешивается только столбом жидкости.

В качестве жидкостей применяют дистиллированную воду (ρ=1,0), метиловый спирт (ρ=0,791), ртуть (ρ=13,546). (при t=20˚C, для воды при t=4˚C).

Требуемая точность и удобство пользования обеспечивается выбором соответствующей жидкости для заполнения манометра так, чтобы высота столба в рабочем диапазоне измеряемых давлений была 500-1500 мм.

Для уменьшения погрешности возникающей из-за капиллярных свойств жидкости, применяют калиброванные трубки с внутренним диаметром не менее 5 мм.

Достоинства: простота конструкции, широкий диапазон измерений (до 0.2 МПа), достаточная точность.

Недостатки: непрочность, использование в качестве заполнителя вредных жидкостей, сложность автоматизации измерений.

Пружинные манометры

В пружинных манометрах измеряемое давление вызывает деформацию упругих элементов. Величина деформации служит мерой давления. Пружинные манометры могут быть чисто механическими, а также совмещать в себе механическую и электрическую часть.

Манометр с трубчатой пружиной.

Давление через штуцер поступает во внутреннюю полость трубчатой пружины, под действием давления трубка стремится распрямиться, и через систему рычагов поворачивает стрелку.

Манометр с мембранной коробкой и электрическим преобразователем.

Действие давления подводимого к мембранной коробке вызывает ее деформацию, деформация коробки воспринимается потоком, воздействующим на входное звено первичного электрического преобразователя (реостатный, индуктивный, емкостный, вибрационно-частотный).

Достоинства: широкий диапазон измеряемых давлений (от 1·10^-4 до 1000МПа), точность, простота в эксплуатации.

Грузопоршневые манометры.

Измеряемое давление в грузопоршневых манометрах уравновешивается грузом и определяется по известной площади поршня и массе груза.

Наибольшее применение находят для проверки и градуировки других манометров.

Схема грузопоршневого манометра .

Подъем поршня при измерении должен иметь определенную величину. Перед измерением тарелку приводят во вращение для снятия трения покоя.

Измерение скорости и направления потока.

При определении скорости потока используются газодинамические методы основанные на уравнении Бернулли. Для этого необходимо знать динамическое давление и плотность газа. Для определения величины динамического давления используются комбинированные насадки.

Определение направления потока.

Применяются 2 метода:

1) газодинамические

2) методы визуализации потоков.

1) Для определения направления потока газодинамическими методами используются специальные насадки. Чаще всего используется пятидырчатая насадка, позволяющая определить направление потока в пространстве. Для определения направления вектора скорости потока насадка вводится в поток и поворачивается относительно оси «a» таким образом, чтобы трубка 2 и 3 регистрировали одинаковое давление. Затем насадка поворачивается относительно оси «b» таким образом, чтобы трубки 5 и 4 регистрировали одинаковое давление. После этого направление вектора скорости совпадает с направлением трубки 1 и его определяют относительно первоначального положения насадки.

Для выяснения направления потока за плохо обтекаемыми телами используется специальная насадка, имеющий 2 трубки ориентированных в противоположные стороны друг от друга.

Достоинства: Насадки могут выполнены малых размеров ( диаметры трубок 0,4-0,5 мм, наружный диаметр насадок 4-5 мм) что позволяет говорить о измерении направления потока в точке. При тщательном изготовлении и градуировке погрешность измерения не превышает 0,2˚.

Недостатки: Малая жесткость и как следствие подверженность вибрации

2) При использовании метода визуализации потока в поток вводятся:

1) твердые, жидкие или газообразные частицы (окись магния, пары минеральных масел, дым)

2) Нити или флажки (помещаются в поток легкие шелковые нити или флажки), а для горячих потоков из листовых пластин.

Данные методы широко применяются для исследования потока вблизи поверхности тел, а также в области затененного потока за телом.

Применяется при относительно малых скоростях потока (до 70 м/с).

Измерение давлений.

Измерение сил в процессе испытаний ЛА необходимо в первую очередь для определения: величины силы тяги двигателя, крутящего момента, расхода топлива весовым методом, усилия развиваемые гидро- электро- приводами и т.д. Динамометры разделяют по принципу действия на механические (пружинные или рычажные), гидравлические и упругие силоизмерители с электрическими первичными преобразователями.

Практическое применение находят рычажные, гидравлические динамометры и упругие силоизмерители с электрическими первичными преобразователями.

1) Рычажные динамометры.

Принцип работы рычажного динамометра основан на уравновешивании момента от измеряемой силы, моментом груза Q, подвешенного на рычаг.

Простейшее исполнение рычажного динамометра. В таком исполнении динамометр неудобен из-за неравномерности шкалы. Для выравнивания шкалы поверхность сектора специально профилируют.

Кроме того широкое распространение для измерения усилий получили рычажные самоустанавливающиеся весовые элементы – рейтерные весы.

«+»: Имеют приведённую погрешность до +/- 0,05% (в зависимости от шага резьбы ходового винта). За счёт изменения плеча подвижного груза – рейтера происходит уравновешивание измеряемые усилие. На левый рычаг весов навешивается диапазонные грузы, комбинация которых позволяет получить широкий диапазон измеряемых усилий.

«-»: Значительная инерционность; необходимость установления всех люфтов и защиты шарниров.

Следующим видом динамометра являются гидравлические динамометры - (месдозы)

Принцип действия гидравлического динамометра основан на том, что под воздействием измеряемой нагрузки, давление жидкости в измерительной полости месдозы будет измеряться, и изменение давления будет являться мерой приложенного усилия.

Гидравлические динамометры имеют два конструктивных исполнения:

1. Непроточная месдоза

«-»: влияние изменения температуры на показания. При наличии воздуха в полости, перемещение мембраны становится большим, в результате приходится учитывать жёсткость мембраны, так как появляются дополнительная погрешность, связанная с var жёсткостью мембраны.

2. Проточная месдоза

В проточной месдозе, в измерительной полости постоянно осуществляется циркуляция жидкости, за счёт этого обеспечивается исключение воздушных пробок и независимость от температуры.

Упругие силоизмерители с электрическими первичными преобразователями.

Представляют собой упругий измерительный элемент, деформация которого вызывает изменения параметров первичного электрического преобразователя.

Упругий динамометр с вибрационно-частотным преобразователем.

«+»: Широкий диапазон измеряемых усилий (до 1000000Н),

малая погрешность (до +/-0,5%), малоинерционны – позволяют регистрировать быстро изменение силы, позволяют производить автоматическую регистрацию, к дистанционному измерителю.

«-»: Температурные погрешности.

Измерение крутящего момента.

Измерение крутящего момента необходимо для определения мощности.

Для измерения крутящего момента используется балансирные устройства, гидравлические измерители крутящего момента, гидротормозы и электрические измерители крутящего момента – тарзиометры.

Балансирные устройства – устройства, в которых Мкр определяется по реактивному моменту на статоре при вращении ротора.

Так как Мтр в подшипниках может быть довольно существенным, то его необходимо уменьшить или учесть при определении Мкр. Для этого при отключённой от двигателя нагрузке, определяют Мб’=Мтр при каждой частоте вращения и учесть при обработке результатов эксперимента.

Гидравлические измерители крутящего момента – ИКМ.

ИКМ получили широкое распространение, входят в конструкцию двигателя и являются штатным прибором контроля.

Реактивный момент, возникающий на неподвижной шестерне планетарного редуктора (и равный Мкр), передаёт на конус двигателя через шарики, расположенные в трапецеидальных выемках.

При увеличении нагрузки шарики отжимают поршень, который перемещаясь частично перекрывает отверстие для слива масла. Это вызывает повышение давления масла под поршнем. Движение поршня прекращаются, когда сила, отжимающая его, уравновешивается давлением масла. После соответствующей градуировки давление в полости под поршнем служит мерой крутящего момента.

В результате скручивания вала под действием крутящего момента происходит изменение зазора и следовательно изменение количества слитого масла и Р , по изменению Р измеряется Мкр.

«-»: Требуется высокая точность изготовления => высокая стоимость

Гидротормоз – устройство, предназначенное для поглощения и измерения мощности и измерения Мкр.

Преимущество: удобство в эксплуатации; годны для поглощения больших мощностей; погрешность определения Мкр не > 0,5% от измеряемой величины; малые габариты.

Недостатки: большое потребления воды; нельзя применять при малых частотах вращения; необходимость поддерживать температуру сливаемой воды не более 50°С – 60°С.

Инерционность – всевозможно измерять переменные нагрузки.

Торзиометры - применяются в тех случаях, когда применение других способов затруднительно, или когда необходимо измерить быстроизменяющиеся нагрузки. Измерение момента происходит при преобразовании в электрический сигнал деформации упругих элементов.

Различают торзиометры нуждающиеся и ненуждающиеся в контактном токосъемном устройстве.

1. Из первой группы торзиометров наиболее часто применяются торзиометры с тензометрическими преобразователями.

На вал, передающий измеряемый момент, наклеиваются два тензометра, расположенные перпендикулярно друг к другу и под углом 45° к оси вала. Оба тензометра включаются в два соседних плеча моста.

При таком расположении тензометров изгибающие деформации вала не оказывают влияние на точность измерения, т.к. преобразователи подвергаются одинаковому воздействию. Близкое расположение тензометров друг к другу исключает температурные погрешности.

Недостаток: необходимость токосъемников.

1. Фотоэлектрические торзиометры, такие торзиометры не нуждаются в токосъемном устройстве.

Конструктивно выполнен в виде вала, на котором на базовом расстоянии L, жестко закреплены диски с радиальными прорезями.

Между дисками расположен источник света. С другой стороны каждого диска за диафрагмой расположены фотоэлементы. Диски относительно друг друга регулируются так, чтобы при вращении с нулевой нагрузкой, свет от источника попадал одновременно на оба фотоэлемента.

При измерениях, когда Мкр не равен нулю, за счет скручивания вала диска сдвинутся относительно друг друга и свет будет попадать на фотоэлементы не одновременно. По величине сдвига времени определяется величина Мкр.

Недостаток: необходимо довольно длинного вала.

Общий недостаток для торзиометров: низкая точность

Методы и приборы для измерения расхода жидкости и газа.

Измерения расхода в практике испытаний и эксплуатации АТ занимает довольно существенное место. Так, например, для оценки технического состояния плунжерного насоса используется характер изменения расхода жидкости в зависимости от давления.

Для определения силы тяги двигателя можно установить его на специальный стенд и измерить с помощью динамометра силу тяги, а можно определить силу тяги двигателя имея измеренные значения расхода воздуха, и скорости истечения из реактивного сопла.

Для определения расхода воздуха через двигатель наиболее часто используется метод измерения с помощью лемнискатного насадка.

Лемнискатный профиль обеспечивает безотрывное втекание воздуха, и, следовательно, равномерное поле скоростей на входе в двигатель.

Уравнение лемнискаты в полярных координатах r²=a_л²cos 2α, где a_л=(0,6-0,8) Dв

Измерение статического давления производят в прямолинейной участке входного устройства, на расстоянии 0,25 Dв от конца лемнискаты.

Для измерения расхода необходимо определить скорость потока в сечении, с помощью комбинированного плотностью и площадь сечения насадка, плотность воздуха определяется температура и давление.

Для определения скорости, используется комбинированный насадок, для определения плотности обходимо знать давление и температуру воздуха. Температура измеряется с помощью термопары. Площадь сечения определяется с учетом затекания от установленных приемника давления и термопары. G=ρ*V*F

В случае если по каким-то причинам лемнискатный насадок не может быть установлен на двигатель, то расход газа измеряется в реактивном сопле с помощью неподвижных или качающихся гребенок полного давления и термопар.

Достатки: малое сопротивление и как следствие небольшие потери полного давления.

Недостатки: необходимость изготовления лемнискатного насадка.

1) Принцип действия расходомера переменного перепада давления основан на зависимости перепада давления, создаваемого неподвижным устройством, устанавливаемым в трубопроводе, от расхода вещества.

из расходомеров переменного перепада давления наибольшее распространение получили р-ры точки сужающими устройствами – дроссельные р-ры.

Выполняются в виде диафрагмы, сопла или трубки Вентуры и представляют собой местное сужение трубопровода, в j происходит разгон потока и уменьшения статического давления. По перепаду, давления до дросселя и в месте сужения определяется расход жидкости или газа.

Для не сжимаемой жидкости при отсутствии трения уравнения Бернулли и неразрывности при течении через дроссельный расходомер запишутся в виде:

P₁+ρV₁²/2=P₂+ρV₂²/2

F₁·V₁= F₂·V₂=F₀μV₂

Сопло для измерения расхода.

Сопла и диафрагмы подробно исследованы и их размеры нормализованы.

Диаметр трубопровода D>50мм. Длина прямого участка трубопровода до дроссельного расходомера должна быть не менее (15-20) D и за ним (4-8) D.

При тщательном выполнении этих рекомендаций погрешность определения расхода дроссельным расходомером не превышает +\- 1%.

Недостатками дроссельных расходомеров является их сопротивление, дающие потери полного давления. И невозможность измерения переменных расходов; узкий диапазон измерения (Qmax=3Qmin)

Объемные и массовые расходомеры.

Объемные и массовые расходомеры применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую точность измерения расхода жидкости +\- 0,5%

Схема объемного расходомера:

Для проведения измерений электроклапан закрывается, и жидкость от насоса поступает в компенсационный бак, а воздух, находящийся в нем перетекает в основной бак и выдавливает из него топливо к потребителю. Уровень топлива в баке и поплавок через фоторезистор включает секундомер. При достижении поплавком другого фотодатчика выдается сигнал на остановку секундомера и открытие электроклапана.

При этом средний секундный расход:
q=(Vм*ρ)/τ, где

Vм - мерный объем;

Ρ – плотность жидкости;
τ – время расходования мерного объема.

Недостатки: невозможность измерения мгновенного расхода; длительность замера и подготовки к замеру; необходимость измерения температуры, для определения плотности жидкости; трудность использования в магистралях с высоким давлением.

2) Расходомеры обтекания.

Принцип действия расходомеров обтекания основан на зависимости перемещения тела помещенного в поток от расхода.

Форма обтекаемых тел различна: поплавок, поршень, шар, диск, крыло и т.д. В большинстве приборов тело помещается прямолинейно вдоль своей вертикальной оси. У некоторых приборов тело поворачивается вокруг оси подвеса. Величина перемещения или угла поворота является мерой расхода.

а) Ротаметр – представляет собой коническую стеклянную трубку, расходящуюся вверх. На трубке нанесенные деления шкалы. Внутри трубки перемещается поплавок с косыми прорезями. Лоток движется по трубке поднимает поплавок до уровня, при котором динамическое сопротивление уравновешивает вес поплавка. Косые прорези на ободе поплавка вызывают его вращение центрирование его посреди потока. Кроме ротаметров имеющих наиболее широкое применение, используются так де следующие типы расходомеров обтекания.

б) Поплавковый расходомер

в) Поршневой расходомер

г) Шариковый расходомер

в шариковом расходомеров трубке изогнутой по дуге окружности и имеющий const сечения, под напором потока перемещается шарик. Противодействующей силой является проекция от веса шарика на ось трубки.

д) Расходомер с поворотной лопастью. Угол поворота является мерой расхода.

Преимущество: большой диапазон измерений, простота.

Недостатки: вибрация лопасти.

Ротаметры:

преимущество: простота конструкции, удобство применения, значительный диапазон измерений;

недостатки: отсутствие записи и передачи показаний на расстояние, хрупкость, непригодность для больших давлений и температур, довольно высокий уровень погрешности (до 2,5 %)

3) Тахометрические расходомеры.

Принцип работы т.р. основан на зависимости от устройства тахометрические расходомеры подразделяются на турбинные и камерные.

Турбинные расходомеры выполняются 2-х типом:

а) с тангенциальной турбиной

б) с аксиальной турбиной

В состав р-ра входит устройство для измерения угловой скорости вращения турбинки. 1.-электрический тахометрический преобразователь имеющий связь с турбинкой и нагружающий ее; 2.- устройства для бесконтактного (ненагруженного) измерения оборотов.

а) примером тахометрического нагруженного турбинного расходомера может быть следующая схема

б) ненагруженный тахометрический турбинный расходомер

Турбинные расх-ры применяются для измерения самых различных жидкостей, кроме очень вязких и сильно загрязненных. Для измерения газа применяются редка (т.к. из-за малой плотности газа à движущий момент незначительный, при больших скоростях газа à ускоренный износ опор).

Камерными называются тахометрические расходомеры, имеющие подвижные элементы, которые при движении (вращении) отмеривают определенные объемы.

Наиболее часто применяются шестеренчатые расходомеры и лопастные.

Камерные расходомеры применяются для измерения расхода жидкости и газа, имеют малую погрешность +\-0,5%-1,5%. Некоторые разновидности применяются для жидкостей имеющих вязкость до 300сСт.

Преимущества: наиболее точные.

Недостатки: тахометрические приборы измеряют объемный расход, при необходимости измерения массового расхода она дополняются устройством для определения плотности к счетно-решающей схемой.; очень чувствительные к загрязнениям и механическим примесям.

4) Ультразвуковые расходомеры.

Принцип работы ультразвуковых расходомеров основан на зависимости времени прохождения ультразвука через поток, от скорости движущегося потока.

При этом направление УЗК могут направлятся по и против потока, перпендикулярно потоку.

Основным элементом ультразвуковых расходомеров является приемники и излучатели УЗК. Их действие основано на пьезоэлектрическом эффекте.

Частота от десятков кГц до нескольких МГц. Время прохождения сигнала УЗК от излучателя до приемника

L – расстояние между приемником и излучателем.

C – скорость звука в данной среде (1000-1500м\с)

V – скорость потока.

Таким образом время прохождения сигнала прямо пропорционально скорости потока. Измерив Δτ – определяют V и расход.

5) Тепловые расходомеры.

Принцип действия теплового расходомера основан на том, что температура нагреваемого тела установленного в тепловой расходомер зависит от расхода вещества.

а) тепловой расходомер с термосопротивлением.

б) Тепловой расходомер с термопарой.

Калометрический тепловой расходомер – представляет собой две термопары помещаемые перед и за нагревательным элементом.

Преимущество: измерение массового расхода, могут применятся в трубах большого диаметра.

Недостатки: инерционность.