Використання
приварених термопар на токонесущіх поверхнях.
Волков С.Д.
У практиці
теплофізичні експерименту часто виникає необхідність вимірювати
температуру поверхні металевих елементів експериментальних пристроїв, за
яким протікає електричний струм. Якщо використовувати термопари, робочий спай
яких має безпосередній контакт з токонесущей поверхнею, то вихідний
сигнал термопари в загальному випадку дорівнює:
Ut = Et + DU де Et --
термо-ЕРС, що розвивається термопарою;
DU-паразитна складова, викликана
падінням напруги на робочому спае термопари від струму, що протікає через експериментальне
пристрій.
Величина DU
визначається подводимым до експериментального пристрою напругою (а точніше
градієнтом напруги вздовж токонесущей поверхні) і площею контакту
робочого спаяний термопари з токонесущей поверхнею.
Якщо робочий
спай термопари ізолювати від токонесущей поверхні, то складова DU
відсутня, однак при цьому виникає помітна інерційність термопари (у ряді
випадків неприпустима). Крім того, при встановленні термопар у важкодоступних
місцях ізоляція їх від токонесущей поверхні може стати проблематичною.
Використання термопар, виготовлених з кабелю КТМС з ізольованим спаем
знімає проблему з виникненням DU, проте прокладання кабелю поблизу
токонесущіх поверхонь вимагає ізоляції вже не робітника спаяний, а всієї оболонки
термопари, що в ряді випадків виявляється заскладним.
Для
експериментальної перевірки можливості застосування термопар, робочий спай
яких має безпосередній контакт з токонесущей поверхнею, був
поставлений спеціальний досвід, який використовує експериментальний пристрій,
показане на Рис. 1.
Рис.1
Експериментальне пристрій.
Як токонесущего елементу використовувалася сталевий дріт діаметром
0,7 мм і довжиною 650 мм (загальна опір близько 1,8 Ом).
Використовувалися ХК-термопари, діаметр термопарних проводів 0,2 мм. Робочі спаї
термопар приварюються точкової зварюванням до дроту (в місці приварювання
попередньо злегка "сплющеної" для кращого контакту) на
відстані 15 мм один від одного.
Термопари ТП3 і ТП8 - контрольні, їхні робочі спаї ізольовані (у ТП3 - з
допомогою тефлоновою трубки діаметром 0,7 мм, у ТП8 - за допомогою слюди).
Напруга (постійного або змінного струму), що прикладається до кінців
нагрівальної дроту, і сигнали термопар надходять в комп'ютеризовану
систему вимірювання.
при живленні
нагрівального елемента (дроту) постійним струмом для виявлення величини DU проводилися
переключення полярності підводиться до дроту напруги. При цьому полярність
падіння напруги DU по відношенню до Et змінюється. Якщо
величина DU істотна, то при одній полярності вихідний сигнал
термопари (Ut = Et + DU) виявиться більше, ніж за іншої (Ut = Et-DU).
Тимчасові
діаграми процесу представлені на Рис.2.
Рис.2.
Тимчасові діаграми сигналів термопар при живленні постійним струмом.
Показані
сигнали найбільш характерних термопар; там же показано перемикані по знаку
напруга живлення нагрівального елемента. Завданням описуваного досвіду була
оцінка можливості використання в експериментальних дослідженнях термопар,
які мають безпосередній контакт з токонесущей поверхнею, тому не
приймалися спеціальні заходи для зменшення впливу природного охолодження,
крім теплоізоляції області установки термопар. Цим пояснюється розкид по
абсолютною величиною сигналів термопар.
На дріт
також подавалася напруга змінного
струму промислової частоти (Рис.3).
Рис.3.
Тимчасові діаграми сигналів термопар при живленні змінним струмом.
За результатами
дослідів можна зробити наступні висновки:
1. З тимчасових
діаграм малюнків 2 і 3 видно, що у різних термопар виявляється
істотну відмінність у величині DU. Це пояснюється тим, що і формування
робочого спаяний при виготовленні термопари і створення контакту (приварювання, притиск)
між робочим спаем термопари і токонесущей поверхнею відбувається з
елементами випадковості, тому передбачити або забезпечити заданий результат
неможливо. У проведених, описаних вище дослідах, вплив падіння напруги на
робочому спае термопари проявилось у трьох термопар з восьми.
2. У
проведених дослідах експериментально підтвердилося, що величина паразитної складової
DU залежить від градієнту напруги вздовж токонесущей
поверхні:
DU = К * gradU де К-коефіцієнт, індивідуальний для
кожній з термопар, що характеризує ступінь впливу градієнту напруги на
величину паразитної складової DU;
GradU -
градієнт напруги токонесущей поверхні в місці встановлення термопари.
У наших дослідах,
знятих для різних gradU, цей коефіцієнт для термопар ТП6 і ТП10
дорівнював 0,14 мм та 0,065 мм відповідно. Зауважимо, що величина цього
коефіцієнта виявилася значно менше діаметру робочого спаяний приварюється
термопар, і навіть менше лінійної довжини
місця приварювання термопари до токонесущей поверхні. Для п'яти термопар з
восьми не проявилося (в межах чутливості використовуваної апаратури)
вплив падіння напруги на робочому спае термопари, тобто До
