РЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Полезная модель относится к технике измерения температуры, в частности резисторными чувствительными элементами, и предназначена, например, для использования в теплопрочностных испытаниях авиационно-космических конструкций при определении температуры их поверхности.
Современный летательный аппарат имеет весьма сложную конструкцию, которая при минимальном весе должна обладать необходимой прочностью. Приходится проводить специфические экспериментальные исследования в широком диапазоне воздействий (сил и температур) [Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. М., «Машиностроение», 1974]. Воспроизведение полетных температурных режимов крупных натурных конструкций в лабораторных условиях при создании новых современных объектов авиакосмической техники является чрезвычайно важной и сложной научно-технической задачей. Для целей измерения температур широко используют поверхностные датчики температуры с резисторными чувствительными элементами, например, проволочными или пленочными термометрами сопротивления из платины, меди и никеля [Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. М., «Машиностроение», 1974, §6.2. Измерение температуры]. Общие технические требования и методы испытаний отечественных чувствительных элементов термометров сопротивления регламентируются в рамках Государственной системы обеспечения единства измерений Национальным стандартом Российской федерации ГОСТ Р 8.625-2006.
Широко известно использование в качестве датчиков для измерения температуры поверхностей различных геометрических форм конструкций поверхностных термопреобразователей сопротивления с плоской формой чувствительного элемента, представляющей собой намотку из платины, покрытую винифлексовым лаком, установленную в непосредственной близости от дна защитной гильзы [Приборы для измерения температуры контактным способом. Под общ. Ред. Р.В.Бычковского. - Львов, «Вища школа», 1978, §1.4. Поверхностные термопреобразователи сопротивления], а также термометры сопротивления с защитной арматурой, кабельными выводами и специальными штуцерами [Термопары и термометры сопротивления. Сводный каталог. М., Отделение НТИ по приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, 1965]. При этом измеряют сопротивление чувствительного элемента датчика и в соответствии с его температурной характеристикой по результату измерения вычисляют значение температуры, причем датчик температуры с чувствительным элементом специальным образом крепят на поверхности исследуемой конструкции. Датчик температуры с чувствительным элементом с помощью специальных металлических приспособлений и зажимов через арматуру, штуцер М27х2 или накидную гайку М14х1 корпуса датчика установлен на поверхности исследуемой конструкции. Для измерения сопротивления датчика используется измеритель сопротивления. То есть чувствительный элемент располагают внутри защитной гильзы корпуса датчика температуры на ее дне, изготавливают специальные металлические кронштейны, крепят их на исследуемой конструкции, устанавливают на них датчик температуры, чувствительный элемент подключают к измерителю сопротивления.
Недостатками являются существенные трудности, а в ряде случаев невозможность использования таких датчиков температуры (термометров сопротивлений) для исследования поверхностных температурных полей объектов с малыми площадями, а также при большом (до сотен) числе точек измерения температуры при испытаниях крупных современных натурных авиационно-космических конструкций из-за больших габаритов датчиков, сложностей их крепления и значительного искажения поля температур исследуемой конструкции своим на нее влиянием.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту и взятым в качестве прототипа является объект, информация о котором представлена в специализированной книге: Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. М., «Машиностроение», 1974, §6.2. Измерение температуры, стр.223. Здесь в разделе «Терморезисторы» на страницах 239÷241 подробно изложены принципы и особенности использования при теплопрочностных испытаниях авиационных конструкций плоских приклеиваемых терморезисторов.
Здесь представлен принцип измерения температуры поверхности конструкции резисторным чувствительным элементом термометра сопротивления, при котором измеряют сопротивление чувствительного элемента, наклеенного на поверхность конструкции, и по результату измерения вычисляют значение температуры в соответствии с заранее известной (его или его партии) температурной характеристикой. Датчик содержит наклеенный на поверхность конструкции чувствительный элемент. В качестве измерителя сопротивления датчика используется соответствующее измерительное оборудование, к которому подключается его чувствительный элемент. Изготавливается датчик наклеиванием чувствительного элемента на поверхность исследуемой конструкции.
Недостатками являются: существенное изменение сопротивления чувствительного элемента термометра сопротивления из-за известного тензо-эффекта при неизбежном температурном деформировании (изменении линейных размеров) участка поверхности наклейки конструкции и используемого клея в процессе температурных испытаний конструкций, что усугубляяется при приложении к конструкции еще и силовых нагрузок, дополнительно ее деформирующих; строго говоря, температурная характеристика чувствительного элемента изменяется в результате процесса наклейки; невозможность повторного использования чувствительного элемента из-за неизбежного его повреждения (даже разрушения) при отделении чувствительного элемента от поверхности испытанной конструкции, вызывающего недопустимые искажения его температурной характеристики вследствие механических и других воздействий в процессе отделения.
Задачей и техническим результатом настоящей полезной модели является повышение точности измерения температуры поверхности испытуемой конструкции за счет значительного уменьшения влияния тензо-эффекта на результаты измерений температуры поверхности, а также возможности многократного использования чувствительного элемента термометра сопротивления при однократной его предварительной калибровке.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в резисторный датчик температуры поверхности конструкции, содержащий установленный на исследуемом участке поверхности конструкции чувствительный элемент термометра сопротивления с электрическими выводами, предназначенными для подключения соединительными проводами к измерителю сопротивления, введены электроизоляционная прокладка и прижимная теплоизоляционная накладка, электроизоляционная прокладка выполнена тонкой, в соответствии с толщиной чувствительного элемента, с внутренним окном по размерам чувствительного элемента и минимальными внешними габаритами из медно-фольгированного материала, стеклотекстолита или гетинакса, с двумя, тремя или четырьмя, в соответствии с конструкцией чувствительного элемента, химически травленными медными площадками в качестве переходных контактов для припайки выводов чувствительного элемента и соединительных проводов измерителя сопротивления, прижимная теплоизоляционная накладка выполнена в соответствии с габаритными размерами электроизоляционной прокладки из упругого теплоизоляционного материала, преимущественно с ворсистой поверхностью прижима и с внешней поверхностью, имеющей близкую к поверхности конструкции поглощательную способность, электроизоляционная прокладка жестко приклеена к поверхности конструкции на исследуемом участке, чувствительный элемент расположен свободно неприкрепленным внутри окна электроизоляционной прокладки с припаянными своими электрическими выводами к медным площадкам электроизоляционной прокладки, которые предназначены также для припайки по двухпроводной, трехпроводной или четырехпроводной схеме соединительных проводов измерителя сопротивления, прижимная теплоизоляционная накладка установлена с прижимом над чувствительным элементом сверху электроизоляционной прокладки в соответствии с ее расположением и к ней приклеена.
Фигура 1 иллюстрирует резисторный датчик температуры в сборе. Фигура 2 поясняет процесс его сборки (изготовления). В таблице представлены характеристики теплопроводности некоторых основных теплоизоляционных материалов [1) Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М. - Л., Государственное энергетическое издательство, 1959. 2) Строительные нормы и правила СНиП II-3-79. Строительная теплотехника / Минстрой России. - М.: ГП ЦПП, 1995].
На фигурах 1 и 2 показаны:
1 - участок исследуемой конструкции,
2 - резисторный чувствительный элемент,
3 - защитная электроизоляционная прокладка,
4 - прижимная теплоизоляционная накладка.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом.
Работа резисторного датчика температуры поверхности конструкции 1 резисторным чувствительным элементом 2 основана на следующих главных особенностях. Чувствительный элемент 2 располагают на поверхности конструкции 1 свободно (не приклеивая), в результате чего деформация поверхности испытуемой конструкции 1 не передается материалу чувствительного элемента 2 и не вызывает дополнительного паразитного изменения его сопротивления, которое поэтому зависит только от температуры. Чувствительный элемент 2 прижимают к поверхности конструкции 1, чем осуществляется необходимый тепловой контакт чувствительного элемента 2 и поверхности конструкции 1, и теплоизолируют его с внешней (наружной поверхности) стороны, что обеспечивает независимость его температуры от температуры окружающей среды. Измеряют сопротивление чувствительного элемента 2 и вычисляют значение температуры по результату измерения обычным образом в соответствии с его температурной характеристикой.
Резисторный датчик температуры имеет специальную жестко укрепленную на поверхности конструкции 1 электроизоляционную прокладку 3, внутри окна которой размещен свободно чувствительный элемент 2, что позволяет защитить его от внешних механических воздействий с торцов, от возможных перемещений по поверхности конструкции 1 и от электрического замыкания его выводов на металлический материал конструкции 1. Специальная прижимная теплоизоляционная накладка 4, которой накрыт с внешней стороны чувствительный элемент 2, обеспечивает для него необходимый прижим и тепловую изоляцию от окружающей среды. Для возможности получения результатов измерений чувствительный элемент 2 подключен к соответствующему измерителю сопротивления как обычно.
В процессе формирования резисторного датчика температуры изготавливают тонкую (0,1÷0,2 мм) электроизоляционную прокладку 3 с внутренним окном по размерам чувствительного элемента 2 и с изолированными друг от друга двумя, тремя или четырьмя электрическими клеммами-контактами в зависимости от конструкции чувствительного элемента (двухпроводная, трехпроводная, четырехпроводная). Прокладку 3 изготавливают преимущественно из медно-фольгированного стеклотекстолита или гетинакса. и приклеивают ее на поверхность конструкции 1 в месте измерения температуры клеем, предназначенным для работы в требуемом при испытаниях конструкции температурном диапазоне. Чувствительный элемент 2 располагают свободно (не приклеивая) внутри окна электроизоляционной прокладки 3 и его выводы припаивают сверху соответственно к ее контактам, чем обеспечивают необходимое пространственное размещение чувствительного элемента 2 на испытуемой конструкции 1. К контактам прокладки 3 закрепляют (например, припаивают, зажимают, приклеивают) 2, 3 или 4 соединительных провода для последующего подключения их ко входным клеммам соответствующего измерителя сопротивления. Изготавливают прижимную теплоизоляционную накладку 4 в соответствии с габаритными размерами электроизоляционной прокладки 3 из упругого теплоизоляционного материала, имеющего близкую к поверхности конструкции поглощательную способность (степень черноты), преимущественно с ворсистой поверхностью, например, фольгированный поролон, и накрывают ею чувствительный элемент 2, чем обеспечивается для него необходимые прижим и теплоизоляция от окружающей среды. Накладку 4 прикрепляют к конструкции 1 с некоторым натягом и приклеивают к прокладке 3.
Рассматриваемый резисторный датчик температуры поверхности конструкции позволяет более точно измерять температуру поверхности конструкции в месте его установки непосредственно за счет кондуктивной передачи тепла от поверхности конструкции к чувствительному элементу, защищенному от теплопотерь и теплопритоков по периметру чувствительного элемента и от теплового потока, падающего на его поверхность. При длительных временах нагревания (стационарный режим) чувствительный элемент, прижатый достаточно плотно к нагреваемой поверхности, будет иметь ту же температуру, что и нагреваемая конструкция. Затенение нагреваемой поверхности конструкции ввиду малых габаритных размеров устройства (не более 5÷8 мм) на металлических конструкциях, имеющих высокий коэффициент теплопроводности, будет незначительным. Так для дюралевой обшивки толщиной 2 мм, имеющей коэффициент теплопроводности 200 Вт/м град температура центра затененного места будет достигать значения температуры поверхности через 0,3 секунды. Для конструкций, выполненных из неметаллических материалов, например, композиционных материалов, это время не будет превышать 1 секунды.
В результате использования полезной модели повышается точность измерения температуры конкретного места поверхности конструкции за счет уменьшения влияния на результаты измерений тензо-эффекта и температуры окружающей среды, а также обеспечивается возможность многократного использования конкретного чувствительного элемента (при однократной его предварительной калибровке), поскольку простой операцией пайки свободно допускается изъятие чувствительного элемента после использования в испытаниях из состава одного устройства и установка его в другое устройство без каких-либо на него воздействий (механических или химических) и, следовательно, без необходимости дополнительной повторной его калибровки. Кроме того, в силу небольших габаритов чувствительных элементов и отсутствие громоздких приспособлений для их крепежа на конструкции использование полезной модели позволяет значительно уменьшить площадь конструкции, загороженную этим крепежом, а, следовательно, уменьшить искажения требуемого теплового воздействия на конструкцию внешнего испытательного теплового потока.
Тепловое воздействие на испытываемую конструкцию может быть:
- положительным или отрицательным (в результате нагревания или охлаждения) и может меняться от минимальной температуры исследуемого диапазона к максимальной и наоборот;
- непрерывным или ступенчатым, с определенной временной выдержкой на каждой ступени температуры диапазона, в соответствии с особенностями программы испытаний конструкций;
- внутренним или внешним, например лучистый нагрев радиационными инфракрасными установками.
- В отношении теплообмена чувствительного элемента и конструкции:
- Форма чувствительных элементов (проволочные и фольговые), как правило, плоская, что предопределяет хороший возможный тепловой контакт с исследуемой конструкцией при их использовании.
- Чувствительный элемент должен быть механически прижат к поверхности конструкции для лучшего теплового контакта.
- Место поверхности расположения чувствительного элемента следует зачистить (шлифовать) для улучшения теплового контакта.
- Для улучшения контактного (кондуктивного) теплообмена можно соответствующим образом обработать участок контакта чувствительного элемента с поверхностью конструкции, используя, например, известные методы поверхностных покрытий.
В отношении электроизоляционной прокладки:
- Прокладку следует выполнять в виде рамки с окном по размеру расположения чувствительного элемента, что позволяет обеспечить дополнительную продольную механическую защиту чувствительного элемента от внешних воздействий при установке на конструкции и в процессе испытаний, а также за счет участков рамки по периметру чувствительного элемента значительно блокировать паразитный теплообмен с окружающей средой.
- Внешние размеры прокладки должны быть небольшими (минимальными) (ширина прокладки вокруг чувствительного элемента не должна превышать 1,5-2 мм, со стороны выводных проводов чувствительного элемента ширина прокладки должна быть не более 5-6 мм), чтобы не искажать внешнее тепловое воздействие на конструкцию загораживанием теплового потока.
- Окно прокладки имеет замкнутую прямоугольную форму (по форме чувствительного элемента), но для уменьшения затрат на изготовление прокладки в ряде случаев можно изготовить ее в виде открытой прямоугольной формы (с отсутствием одной стороны прямоугольника окна).
- Выводы чувствительного элемента, как правило, не имеют электрической изоляции и при его установке могут быть закорочены на металлическую поверхность конструкции, для чего и необходима их электроизоляция.
- Прокладки должны быть жестко укреплены на поверхности конструкции в месте их установки, например простым приклеиванием соответствующим температуре использования клеем, для исключения возможности их перемещения во время испытаний.
- Толщина прокладки должна быть небольшой (0,1-0,2 мм), в соответствии с толщиной чувствительного элемента.
- Выводы чувствительного элемента могут быть приклеены к прокладке, однако в местах прохождения выводов следует иметь специальные электрические монтажные контакты, выполненные, например как печатные платы с медными контактными площадками, для припайки тонких гибких выводов чувствительных элементов и припайки соответствующих соединительных проводов, идущих к измерителю.
- Количество монтажных контактов определяется конструкцией (двухпроводная, трехпроводная, четырехпроводная) используемых чувствительных элементов.
- Крепление выводов чувствительных элементов к прокладкам можно осуществлять до размещения их на конструкции, что позволяет проводить этот монтаж и формировать соответствующие кабели для последующего соединения с измерителем сразу для нескольких (многих) чувствительных элементов одновременно независимо от наличия испытательной конструкции в данное (конкретное) время, чем существенно повышается производительность и надежность выполнения всего цикла подготовки испытаний.
В отношении прижимной теплоизоляционной накладки:
- Накладки должны быть из упругого для эффективного прижатия чувствительного элемента и достаточно теплоизоляционного материала (например, полимерного: поролон, поропласт полиуретановый эластичный) для блокирования паразитного теплообмена с внешней средой (см. таблицу).
- С одной стороны сила прижима накладкой чувствительного элемента должна быть достаточной, чтобы обеспечить надежный механический контакт плоскостей чувствительного элемента и конструкции, с другой стороны должна допускать взаимное относительное перемещение плоскостей чувствительных элементов и конструкции при температурных изменениях их размеров при испытаниях для подавления влияния тензо-эффекта.
- Материал накладки должен быть достаточно жестким, чтобы позволить надежно прижать чувствительный элемент к плоскости конструкции, и достаточно мягким, чтобы огибать при прижатии выступы под накладкой, образующиеся при размещении в районах чувствительных элементов их выводами и соответствующими электроизоляционными прокладками.
- Конструкция накладки может быть составной из нескольких материалов: жесткий материал для внешней поверхности и мягкий - для прижимной.
- Накладку удобней выполнять прямоугольной формы по внешним габаритам прокладки, что создает хорошую теплоизоляцию за счет некоторого дополнительного перекрытия плоскости чувствительного элемента и упрощает (облегчает) фиксацию положения накладки при размещении ее на плоскости и дальнейшей эксплуатации.
- Для прижимной поверхности накладки следует использовать материал с ворсистой поверхностью (например, фетр, замша), что значительно уменьшает влияние тензо-эффекта на чувствительные элементы при взаимном изменении размеров накладки и чувствительных элементов за счет того, что ворс, направленный перпендикулярно плоскости чувствительных элементов, практически не сопротивляется при малых его наклонах в результате малых относительных перемещениях плоскостей прижима.
- Установка накладки может быть осуществлена простым наложением ее на чувствительный элемент и прокладку с внешней стороны и соответствующей фиксацией известными средствами (например, специальной липкой лентой, выдерживающей температуру испытаний, предпочтительно прозрачной для уменьшения искажения внешнего теплового поля воздействия на конструкцию или приклеиванием).
Таблица.
МАТЕРИАЛ
Теплопроводность, Вт/м·°С
Резина мягкая
0,095÷0,120
Пенопласт
0,041÷0,052
Замша
0,040
Сукно
0,039
Шерстяная ткань
0,039
Пенополистирол
0,038÷0,050
Войлок шерстяной
0,034
Шелк
0,032÷0,043
Пробка
0,031÷0,040
Вата х/б
0,031
Пенополиуретан
0,029÷0,041
Автоматизация процессов регистрации результатов измерения температур резисторными чувствительными элементами во множестве точек поверхности конструкции обеспечивается использованием соответствующих измерительных информационных систем.
По данному предложению на предприятии выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования по созданию конкретных резисторных датчиков температуры и отработке методик, которые подтверждают реализуемость полезной модели и заявленного технического эффекта. В результате испытаний опытных образцов погрешность измерения температуры поверхности существенна уменьшена.
Реализация предложения при теплопрочностных испытаниях конструкций в авиакосмических отраслях науки и техники позволит значительно повысить точность измерения температуры поверхности конструкции в местах установки предлагаемых резисторных датчиков температуры, следовательно, надежность рекомендаций, выдаваемых промышленности, по совершенствованию испытуемых конструкций летательных аппаратов.