СТЕНД ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ГРАДУИРОВКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕРМОМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к технике определения температурных характеристик чувствительных элементов различных резисторных датчиков, в частности, при испытании и градуировке термометров сопротивления и тензорезисторов, и предназначена, например, для использования их в тепло-прочностных испытаниях авиационно-космических конструкций при измерениях их поверхностных температурных полей.
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 деформационных и 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 используют поверхностные датчики температуры с резисторными чувствительными элементами, например, проволочными или пленочными (фольговыми) термометрами сопротивления из платины, меди или никеля, имеющими определенные температурные характеристики сопротивления от температуры [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]. Для целей измерения деформаций используют тензорезисторы, температурные погрешности которых (возникающие из-за изменения их сопротивлений от температуры) могут быть существенно учтены, если известны заранее их температурные характеристики [Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. М., «Машиностроение», 1974, § 6.6. Измерение деформаций и определение напряжений]. Термометры сопротивления и тензорезисторы (как датчики температуры и деформации соответственно) имеют в качестве чувствительного элемента собственно резисторный чувствительный элемент, сопротивление которого определенным образом зависит от его температуры, и процессы определения температурных характеристик по сопротивлению термометров сопротивления и тензорезисторов не имеют существенной и принципиальной разницы.
Широко известно использование для измерения температуры поверхностей различных геометрических форм поверхностных термопреобразователей сопротивления с плоской конструкцией 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]. Такое использование и действующий ГОСТ Р 8.625-2006 определяют следующее.
При градуировке резисторного чувствительного элемента термометра сопротивления термометр сопротивления с исследуемым резисторным чувствительным элементом помещают в нагревательную печь, задают ступенчато внутри печи необходимую известную температуру в требуемом диапазоне, вычисляют температурную характеристику чувствительного элемента по результатам измерений сопротивления чувствительного элемента и величинам заданной температуры печи. Рассматриваемый объект здесь, содержит нагревательную печь, обеспечивающую необходимую задаваемую температуру, внутрь которой помещен градуируемый термометр сопротивления, и измеритель сопротивления, к которому подключен чувствительный элемент термометра сопротивления. Объект формируется с использованием нагревательной печи, внутри которой имеется датчик ее температуры и термометр сопротивления с исследуемым чувствительным элементом, подключением датчика температуры печи и чувствительного элемента к измерителю температуры и измерителю сопротивления соответственно.
Недостатками являются существенные трудности при использовании таких термометров сопротивлений после определения температурных характеристик их резисторных чувствительных элементов для исследования поверхностных температурных полей объектов с малыми площадями, а также большим (сотни) количеством точек измерения температуры из-за их больших габаритов, сложностей крепления и значительного искажения поля температур исследуемой испытываемой конструкции своим на нее влиянием.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту и взятым в качестве прототипа заявляемого является объект, информация о котором представлена в книге: Клокова Н.П., Лукашик В.Ф., Воробьева Л.М., Волчек А.В. Тензодатчики для экспериментальный исследований. М., «Машиностроение», 1972, § 5. Температурное приращение сопротивления.
При градуировке резисторного чувствительного элемента термометра сопротивления здесь на чувствительный элемент, наклеенный на металлическую пластину и помещенный в нагревательное устройство, обеспечивается тепловое воздействие, регистрируется температура этого воздействия на чувствительный элемент измерителем температуры нагревательного устройства и сопротивление чувствительного элемента для нескольких значений установленного диапазона температур ступенями, вычисляется температурная характеристика чувствительного элемента по результатам регистрации. Рассматриваемый объект здесь, состоит из измерителя сопротивления с подключенным к нему чувствительным элементом, и измерителя температуры с подключенным к нему датчиком температуры нагревательного устройства, в котором расположена металлическая пластина с наклеенным на нее исследуемым чувствительным элементом. Объект формируется наклеиванием исследуемого резистивного чувствительного элемента на металлическую пластину, размещаемого в нагревательном устройстве и подключением к измерителю сопротивления, расположением датчика температуры в нагревательном устройстве и подключением к измерителю температуры.
Недостатками являются: существенное изменение сопротивления чувствительного элемента из-за известного тензо-эффекта при неизбежном температурном деформировании (изменении линейных размеров) поверхности наклейки металлической пластины и используемого клея в процессе определения температурной характеристики, что приводит к искажениям определяемых температурных характеристик собственно самого (свободного) чувствительного элемента; невозможность использования испытанного чувствительного элемента термометра сопротивления в дальнейшем для измерения температуры плоскостей объектов из-за неизбежного его повреждения (разрушения) при отделении чувствительного элемента от испытательной пластины, вызывающего недопустимые искажения определенной в результате испытаний температурной характеристики после отделения чувствительного элемента от поверхности наклейки вследствие механических и других воздействий на сам чувствительный элемент в процессе отделения.
Задачей и техническим результатом полезной модели являются повышение точности определения температурных характеристик резисторных чувствительных элементов датчиков за счет уменьшения влияния тензо-эффекта в процессе градуировки и возможность многократного использования испытанного чувствительного элемента в дальнейшем для измерения температуры плоскостей объектов.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в стенде для автоматизированной градуировки чувствительных элементов термометров сопротивления, состоящем из измерителя сопротивления с подключенным к нему градуируемым чувствительным элементом, объекта теплового воздействия на чувствительный элемент, датчика температуры теплового воздействия, объект теплового воздействия выполнен в виде массивного медного бруска, на одной из граней которого внутри окна приклеенной к бруску изоляционной пластины, изготовленной преимущественно из фольгированного стеклотекстолита с медными переходными контактами для совместной стыковки пайкой выводов чувствительных элементов и соединительных с измерителем выводных проводников, свободно расположены один или несколько градуируемых чувствительных элементов, на внешней поверхности которых установлена прижимная теплоизоляционная накладка, датчик температуры теплового воздействия выполнен в виде приклеенного к бруску другого изолированного чувствительного элемента термометра сопротивления, проградуированного вместе с бруском, а в качестве измерителя сопротивления использована многоканальная измерительная система, на входы которой выводными проводниками подключены совместно все градуируемые чувствительные элементы и датчик температуры.
Фигура 1 иллюстрирует объект в сборе. Фигура 2 поясняет особенности формирования объекта. Таблица содержит основные тепловые характеристики некоторых твердых металлов, например, при температуре 0°С [Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М. - Л., Государственное энергетическое издательство, 1959].
Состав объекта:
1 - массивный медный брусок;
2 - чувствительный элемент датчика температуры;
3 - изоляционная пластина;
4 - калибруемые чувствительные элементы;
5 - прижимная теплоизоляционная накладка;
6 - многоканальная измерительная система;
Заявляемый технический объект работает следующим образом.
Стенд состоит из медного бруска 1 и прижимной теплоизоляционной накладки 5, между которыми с непосредственным поверхностным контактом внутри окна изоляционной пластины 3 свободно (не приклеенными к поверхности бруска 1) расположены чувствительные элементы 4, сигналы с которых в виде электрического сопротивления регистрируются многоканальной измерительной системой 6. На поверхности бруска 1 также установлен датчик температуры в виде приклеенного к бруску другого изолированного чувствительного элемента термометра сопротивления 2, который в соответствии с температурой бруска 1 вырабатывает свой сигнал, регистрируемый также многоканальной измерительной системой 6.
Чувствительный элемент 2 должен быть предварительно специально отдельно проградуирован, чтобы по изменениям его сопротивления в многоканальной измерительной системе 6 была возможность вычислить его температуру. Градуировку чувствительного элемента 2 следует обязательно проводить в наклеенном состоянии и совместно с бруском 1 для исключения (учета) погрешностей из-за упомянутого выше тензо-эффекта.
Сигналы чувствительных элементов 4 и датчика температуры 2 измеряются автоматически по специальной программе многоканальной измерительной системой 6. Температурные характеристики исследуемых чувствительных элементов 4 вычисляются в измерительной системе 6 по результатам нескольких таких автоматических регистрации в испытуемом диапазоне температур и фиксируются в виде соответствующих протоколов.
Особенностью стенда является то, что тепловое воздействие на чувствительные элементы 4 оказывается массивным медным бруском 1, который своим температурным состоянием через свою поверхность задает температуру чувствительных элементов 4, для чего они свободно (не приклеивая) расположены непосредственно на поверхности бруска 1, в результате чего температурная деформация поверхности бруска 1 не передается материалу чувствительных элементов и не вызывает дополнительного паразитного изменения их сопротивления. Температуру бруска 1 меняют в соответствии с требуемым диапазоном. Регистрируют многоканальной измерительной системой 6 с помощью чувствительного элемента датчика температуры температуру бруска 1 в качестве температуры чувствительных элементов 4 и регистрируют многоканальной измерительной системой 6 сопротивление чувствительных элементов 4 для нескольких значений установленного диапазона температур теплового воздействия, которое меняется в соответствии со своей температурой. По результатам этих регистрации вычисляют температурную характеристику чувствительных элементов 4. Для повышения точности соответствия температур поверхности бруска 1 и материала чувствительных элементов 4 их с внешней стороны теплоизолируют, уменьшая влияние теплообмена с окружающей средой, который искажает устанавливаемую бруском 1 температуру чувствительных элементов 4.
При формировании стенда для автоматизированной градуировки чувствительных элементов 4 термометров сопротивления их прижимают к внешней поверхности используемого бруска 1, выполненного, например, медным многогранной формы с высокой теплопроводностью, и накрывают теплоизоляционной накладкой 5 из материала, не позволяющего чувствительным элементам 4 деформироваться при изменении температуры, которую прикрепляют к поверхности бруска 1. Выводы чувствительных элементов 4 соединяют с многоканальной измерительной системой 6 непосредственно или через электромонтажные контакты на электроизоляционной прокладке 3, к которым припаивают соединительные с многоканальной измерительной системой 6 провода. Датчик температуры 2 устанавливают на поверхность бруска 1 и также подключают его к многоканальной измерительной системе 6.
Тепловое воздействие на чувствительный элемент термометра сопротивления в рассматриваемой полезной модели может быть осуществлено следующим образом:
- Тепловое воздействие может быть положительным или отрицательным (в результате нагревания или охлаждения чувствительного элемента).
- Обеспечивают тепловым воздействием сначала максимальную температуру одной границы исследуемого диапазона, затем, изменяя соответственно тепловое воздействие, меняют температуру в сторону другой минимальной границы вплоть до ее достижения, или наоборот, что чаще бывает удобней.
- Тепловое воздействие, а, следовательно, и изменение температуры чувствительного элемента может быть осуществлено ступенчато, для чего обеспечивают определенную временную выдержку на каждой ступени температуры требуемого диапазона, уменьшающую погрешности переходных процессов теплообмена.
- Тепловое воздействие, а, следовательно, и изменение температуры чувствительного элемента может быть осуществлено непрерывно, что значительно сокращает время проведения всего процесса определения температурных характеристик чувствительных элементов, при котором для уменьшения погрешности переходных процессов необходимо обеспечить эффективную передачу тепла чувствительному элементу и точность определения температуры теплового потока воздействия, что и реализуется данным техническим решением.
- Для определения полной температурной характеристики можно сначала осуществить тепловым воздействием нагревание чувствительного элемента до верхней границы исследуемого диапазона температур, затем осуществить тепловым воздействием охлаждение чувствительного элемента до нижней границы исследуемого диапазона температур, или наоборот.
- Для определения положительного участка характеристики удобно сначала осуществить тепловым воздействием нагревание чувствительного элемента до верхней границы исследуемого диапазона температур, затем снять это воздействие путем помещения устройства в условия комнатных температур для естественного охлаждения; с другой стороны, для определения отрицательного участка характеристики удобно сначала осуществить тепловым воздействием охлаждение чувствительного элемента до нижней границы исследуемого диапазона температур, затем снять это воздействие путем помещения устройства так же в условия комнатных температур для естественного нагревания.
Тепловое воздействие на чувствительный элемент обеспечивается массивным медным бруском, особенностями которого для эффективной реализации полезной модели являются следующие важные аспекты:
В отношении теплообмена бруска:
- Изменение температуры бруска при теплообмене может быть как положительным, так и отрицательным (нагрев или охлаждение).
- Источник теплового потока для бруска может быть внешним, путем размещения его внутри печи, термостата или холодильника, в результате чего теплообмен происходит через внешние поверхности бруска.
- Источник теплового потока для бруска может быть внутренним, путем размещения внутри его нагревательного или охладительного элемента, в результате чего теплообмен происходит через внутренние поверхности.
- В отношении материала бруска:
- Теплопроводностью определяется скорость распространения тепла, а, следовательно, и выравнивания температур по массе и поверхности бруска: чем больше теплопроводность бруска, тем быстрее уменьшаются различия этих температур температурного поля, что важно в отношении правильного воспроизведения задаваемых температур для чувствительных элементов и определения температуры самого бруска.
- Теплоемкостью определяется общее количество теплоты, способное иметь в себе брусок, что определяет скорость изменения его температуры, при воздействии на него другого внешнего температурного поля: чем больше теплоемкость, тем слабее реакция на внешнее температурное поле, что положительно сказывается на выравнивании температурного поля.
- Величины удельной теплоемкости по весу и по объему (согласно плотности материала) характеризуют, соответственно, насколько тяжелым и габаритным будет брусок с заданной емкостью по теплу.
- Температурное расширение материала бруска при нагревании изменяет его геометрические размеры, что необходимо иметь в виду.
- На основе анализа тепловых свойств, приведенных в Таблице, в качестве наиболее подходящего материала для изготовления бруска рекомендуется использовать медь.
Таблица.
МЕТАЛЛ
Плотность,   кг/м3
Теплоемкость
Теплопроводность, Вт/м·°С
К-т линейного расширения,10<sup>-6</sup>/°С
Дж/кг·°С
кДж/м<sup>3</sup>·°С
Алюминий
2700
896,0
2419
209,3
22,90
Железо
7880
439,6
3464
74,4
11,30
Золото
19310
130,2
2514
312,8
14,15
Медь
8930
387,7
3462
389,6
16,70
Серебро
10500
234,5
2462
418,7
19,49
В отношении конструкции бруска:
- Форма может быть любой, включая параллелепипед, куб, цилиндр и прямоугольный, квадратный, круглый диски.
- Размер и форма может допускать размещение на его поверхности (на нескольких или всех гранях) многих исследуемых чувствительных элементов одновременно, что значительно повышает производительность процесса градуировки.
В отношении изготовления бруска:
- Места поверхностей расположения чувствительных элементов рекомендуется шлифовать, для улучшения теплового контакта с чувствительными элементами.
- Место поверхности контакта чувствительного элемента термометра сопротивления датчика температуры рекомендуется шлифовать, для улучшения теплового контакта с датчиком температуры.
- Для улучшения поверхностного радиационного (излучательного) теплообмена следует соответствующим образом обработать поверхность бруска, используя, например, известные методы поверхностных покрытий.
- При установке градуируемых чувствительных элементов на бруске для большего дальнейшего уменьшения влияния тензо-эффекта рекомендуется на поверхность соприкосновения бруска нанести соответствующую смазку.
Если выводы чувствительных элементов, установленных на бруске, имеют электрическую изоляцию, они могут быть выведены за его пределы и подсоединены к измерителю сопротивления непосредственно. Для выводов без изоляции необходимы дополнительные небольшой толщины электроизоляционные прокладки, подкладываемые на бруске в местах расположения этих выводов и имеющие следующие важные особенности:
- Прокладки в местах прохождения выводов (кроме функции электроизоляции) могут 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.
- Выводы чувствительных элементов могут быть приклеены к прокладкам и припаяны (в случае наличия на прокладках монтажных контактов), чем дополнительно укрепляется их месторасположение.
- Приклейку и припайку выводов чувствительных элементов к прокладкам (т.е. укрепление чувствительных элементов на прокладках) рекомендуется осуществлять до размещения их на бруске, что позволяет проводить этот монтаж и формировать соответствующие кабели для последующего присоединения с измерителю сразу для нескольких объектов и операций испытаний независимо от наличия и использования всего устройства с бруском в данное (конкретное) время, чем повышается производительность и надежность выполнения всего цикла исследований температурных характеристик.
- Прокладки могут иметь обычную соответствующую (согласно расположению) прямоугольную форму, но удобней выполнять их в виде рамки с окном по размеру расположения чувствительных элементов, что позволяет обеспечить дополнительную продольную механическую защиту чувствительных элементов от внешних воздействий при установке на брусок и при формировании тепловой изоляции установкой прижимной теплоизоляционной накладки.
- Толщина прокладки должна быть небольшой (в соответствии с толщиной чувствительного элемента).
- Габаритные размеры (один или оба) плоскости прокладок удобно устанавливать соответствующими (равными) габаритным размерами соответствующим плоскостям бруска, что упрощает (облегчает) фиксацию положения прокладок при размещении их на его плоскости и дальнейшей эксплуатации.
- Прокладки можно изготовить отдельно для каждого чувствительного элемента в отдельности или одну общую - для всех чувствительных элементов, размещенных в одной плоскости бруска.
- Прокладок на бруске может быть размещено несколько штук в соответствии, например с числом граней, используемых для установки чувствительных элементов.
- Установка прокладок на бруске может быть осуществлена простым прислонением (прижатием) их к поверхности бруска и соответствующей фиксацией известными средствами (например, специальной липкой лентой) либо приклеиванием.
- При использовании прокладок следует иметь в виду уменьшение свободной (неприкрытой) внешней площади бруска, что влияет на скорость теплообмена с внешней средой.
Для обеспечения необходимого высокого соответствия температуры материала чувствительных элементов температуре массы бруска в данной полезной модели осуществляется механический прижим поверхностей чувствительных элементов к поверхности бруска и блокировка паразитного теплообмена материала чувствительных элементов с внешней средой с помощью соответствующих прижимных теплоизоляционных накладок, накрывающих чувствительные элементы с внешней стороны и имеющих следующие важные особенности:
- Накладки для прижима чувствительных элементов можно выполнить по форме, габаритам и взаимному расположению в полном соответствии с конфигурацией и расположением конкретных чувствительных элементов, однако накладки удобней выполнить по габаритам всей плоскости прижима чувствительных элементов, что обеспечит независимость конструкции накладок от размеров и количества испытуемых чувствительных элементов и создаст более надежную теплоизоляцию.
- Согласно требуемому расположению накладки могут иметь обычную соответствующую прямоугольную форму.
- Габаритные размеры (один или оба) плоскости накладок удобно устанавливать соответствующими (равными) габаритным размерами пластины 3 соответствующим плоскостям бруска, что упрощает (облегчает) фиксацию положения накладок при размещении их на его плоскости и дальнейшей эксплуатации.
- Накладки можно изготовить отдельно для каждого чувствительного элемента в отдельности или одну общую - для всех чувствительных элементов, размещенных в одной плоскости бруска.
- Накладок на бруске может быть размещено несколько штук в соответствии, например с числом граней, используемых для установки чувствительных элементов.
- Материал накладки должен быть достаточно жестким, чтобы позволить надежно прижать чувствительные элементы к плоскости поверхности бруска, и достаточно мягким, чтобы огибать при прижатии выступы под накладками, образующиеся при размещении в районах чувствительных элементов их выводами и соответствующими электроизоляционными прокладками.
- В качестве материала для выполнения накладок могут быть использованы известные теплоизоляционные материалы, например полимерные (поролон, поропласт полиуретановый эластичный и др.).
- Конструкция накладок может быть составной из нескольких материалов: жесткий материал для внешней поверхности и мягкий - для прижимной.
- 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 накладок может быть осуществлена простым наложением их на чувствительные элементы с внешней стороны и соответствующей фиксацией известными средствами (например, специальной липкой лентой).
- С одной стороны сила прижима накладкой чувствительных элементов должна быть достаточной, чтобы обеспечить надежный контакт плоскостей чувствительных элементов и бруска, с другой стороны сила прижима должна допускать взаимное относительное перемещение плоскостей чувствительных элементов и бруска при температурных линейных изменениях их размеров в процессе испытаний (определения температурных характеристик чувствительных элементов), для подавления влияния тензо-эффекта на чувствительные элементы.
- При использовании накладок следует иметь в виду уменьшение свободной (неприкрытой) внешней площади бруска, что соответствующим образом влияет на скорость теплообмена с внешней средой.
При высоких температурах для укрепления электроизоляционных прокладок и прижимных теплоизоляционных накладок на бруске можно использовать связку этих конструктивных составляющих высокотемпературными стеклонитями или стекловолокном.
Конструктивно рассматриваемые плоские резисторные чувствительные элементы могут быть как проволочными, так и пленочными (фольговыми). Рассматриваемая полезная модель позволяет определять температурные характеристики любых резисторных чувствительных элементов, включая терморезисторы и тензорезисторы. Для неплоских чувствительных элементов положительный эффект изобретений несколько меньший.
По данным предложениям на предприятии выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования по созданию конкретных устройств и отработки методик, которые подтверждают реализуемость рассматриваемого технического решения и заявленного технического эффекта. В результате испытаний опытных образцов погрешность определения температурных характеристик резисторных чувствительных элементов термометров сопротивления уменьшена в 3÷4 раза.
Реализация предложений при теплопрочностных испытаниях конструкций в авиакосмических отраслях науки и техники позволит значительно повысить точность выполнения программ испытаний и их результатов, а, следовательно, надежность рекомендаций, выдаваемых промышленности, по совершенствованию испытуемых конструкций летательных аппаратов.