автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.04, диссертация на тему:Проверка статической характеристики терморезистивных преобразователей путём нагрева электрическим током

Державшім університет "Львівська політехніка"

ргб оа

АТАМАНЧУК Богдан Миколайович

УДК 536.5:534-8

Перевірка статичної характеристики герморезистивних перетворювачів шляхом нагріву електричним струмом

Спеціальність 05.11.04- прилади та методи вимірювання теплових величин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічцих наук

ЛЬВІВ -1997

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Державному університеті "Львівська політехніка" Науковий керівник

доктор технічних наук, професор,

Заслужений винахідник України Стадник Богдан Іванович,

ДУ "Львівська політехніка", зав. кафедрою "Інформаційно-вимірювальна техніка";

кандидат технічних наук, доцент ' Бернгард Франк,

ТУ Ільменау (Німеччина)

Офіційні опоненти-.

1. Доктор технічних наук, старший науковий співробітник Грищенко Татяна Георгіївна, зав. відділом Інституту проблем енергозбереження НАН України.

2. Кандидат технічних наук, доцент Яцук Василь Олександрович,

ДУ "Львівська політехніка", кафедра "Метрологія, стандартизація та сертифікація".

Провідна установа

ПВО АТ “Термоприлад”, відділення первинних перетворювачів, м. Львів.

Захист відбудеться 26 вересня 1997р. о 16 год. на засідан спеціалізованої вченої ради Д 04.06.11 у Державному університеті "Львівсьі політехніка" в ауд.226 головного корпусу (290646, Львів-13, вул.С.Бандери, 12 З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного університе' "Львівська політехніка" (290013, Львів-13, вул.Професорська,1).

Автореферат розісланий "Р2." 1997р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н.

ЛуцикЯ.Т.

І

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальність роботи. В процесі експлуатації терморезистивних іеретворювачів (ТРП) їх статична характеристика (СХ) під дісю різноманітних ■дестабілізуючих чинників може зазнавати значних змін, які виходять за межі ірпсвоєпого класу і призводять до відповідних похибок вимірювання температури. Де, в першу чергу, стосується високотемпературних вимірювань, вимірювань в тіічно агресивних середовищах, в середовищах з підвищеним рівнем радіоактивного випромінювання та вібрації. Такі екстремальні умови значно жорочують термін служби ТРП і вимагають їх періодичної перевірки.

Традиційні методи перевірки потребують вилучення ТРП з робочого :ередовшца і вимагають значних затрат кваліфікованої праці та часу. Окрім того, є іагато технологічних процесів, де навіть короткотривале вилучення ТРП передбачає х зупинку, або взагалі неможливе. Це зумовило значний інтерес до розробки засобів а методик бездемонтажної перевірки ТРП.

Перевірка ТРП передбачає аналіз його реакції на відповідне вхідне збурення з ¡ідомими амплітудно-часовими характеристиками. В умовах експлуатації одним із іебагатьох можливих каналів для формування таких збурень є лінія зв'язку ТРП з іторинними засобами вимірювання. Пропонована дисертаційна робота присвячена юзробці методики перевірки ТРП без попереднього вилучення з умов експлуатації иляхом його нагрівання електричним струмом. Традиційно такий спосіб створення іхідного збурення використовувався для визначення динамічних характеристик ермоперетворювачів. На основі проведеного аналізу процесів теплопередачі при іагріванні ТРП електричним струмом та фізичних основ електропровідності і еплосмності перехідних металів, зроблено висновок, що початкова ділянка еплового перехідного процесу не залежить від зовнішніх дестабілізуючих чинників і арактеризується вищою стабільністю, ніж СХ. Показано, що значення приросту емператури в кожний момент часу є пропорційним потужності електричного струму ерез ТРП. Це дає можливість формувати фіксовані прирости температури грмочугливого матеріалу перетворювача без його вилучення з робочого середовища, •ідомі окремі пропозиції щодо перевірки ТРП шляхом їх нагрівання електричним грумом, які базуються на прівнянні виміряного значення відповідного приросту гмператури термочутливого матеріалу з теоретично визначеним і не набули одальшого розвитку в наслідок низької точності. В даній роботі запропоновано роводити тестові нагрівання перетворювачів імпульсами струму з фіксованими араметрами до початку та під час експлуатації. На основі порівняння виміряних ідповідних приростів опору ТРП робиться висновок про зміну температурного зефіцісита опору, який є інтегральним параметром його СХ. Розроблений алгоритм, метою підвищення точності, передбачає попередню оптимізацію тривалості зчаткової ділянки теплового перехідного процесу для кожного типу ТРП, враховує

залежність значення нагріву від температури робочого середовища та нелінійність СХ платинових перетворювачів.

Запропонована методика перевірки дозволить визначати зміни СХ в процесі експлуатації без попереднього вилучення ТРГІ з робочого середовища. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження, запропоновані схемотехнічні рішення та алгоритмічне забезпечення можуть бути використаними в інтелектуальних засобах вимірювання температури з елементами перевірки первинних перетворювачів. Це дасть змогу підвищити надійність повного каналу перетворення температури, повністю уникнути затрат часу та праці на періодичні перевірки ТРП.

Таким чином, тема роботи є актуальною і має велике теоретичне та практичне значення.

Метою дисертаційної роботи є розробка методики, схемотехнічного та алгоритмічного забезпечення перевірки ТРП без попереднього вилучення з робочого середовища на основі теоретичних та експериментальних досліджень динаміки їх нагріву електричним струмом.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що:

- на основі теоретичних та експериментальних досліджень динаміки нагріву терморезистивних перетворювачів електричним струмом показано, що початкова ділянка теплового перехідного процесу є характеристикою термочутливого матеріалу, більш стійкою до впливу експлуатаційних дестабілізуючих факторів, ніж його статична характеристика;

- вказано критерії для визначення початкової ділянки теплового перехідного процесу при нагріванні ТРП електричним струмом і, на основі математичного моделюванню, визначено її прогнозовані параметри для промислових перетворювачів;

- на основі експериментальних досліджень визначено фактичні параметри початкових ділянок теплового перехідного процесу за умов впливу різних дестабілізуючих чинників для ТРП типових конструкцій, показано, що похідна від функції, яка описує перехідний процес, в початковий момент часу однозначно характеризує тип та конструктивні особливості термочутливого матеріалу перетворювача;

- на основі моделювання та експериментальних досліджень комутаційних електричних процесів при нагріванні ТРП імпульсами електричного струму показано, що вплив реактивних складових опору на значення приросту температури складає менше 0,01% при тривалості нагрівання понад Імс;

- показано, що щільне розміщення ділянок термочутливого матеріалу перетворювача приводить до значного збільшення тривалості початкової ділянки перехідного процесу за рахунок взаємокомпенсації теплового потоку при нагріванні

з

¡дектричним струмом, це п свою чергу спрощує реалізацію запропонованої перевірки;

- загіононовано алгоритми та засоби для реалізації перепірки ТРП без вилучення з робочого середоншца, розроблено основні вимоги до засобів вимірювання.

Практична цінність роботи. Запропонована методика та засоби складають основу перспективного напрямку бездемонтажної перевірки ТРП, розпиток якого с надзвичайно важливіш для металургії, атомної енергетики та інших технологічних процесів, що характеризуються високим рівнем дестабілізуючих чинників СХ перетворення. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження параметрів початкової ділянки теплового перехідного процесу при нагріванні терморезистивних перетворювачів електричним струмом, запропоновані схемотехнічні рішення та алгоритмічне забезпечення можуть бути використаними в інтелектуальних засобах вимірювання температури з елементами перевірки первинних перетворювачів. Це дасть змогу підвищити надійність повного каналу перетворення температури, повністю уникнути затрат часу та праці на періодичні перевірки ТРП.

Отримані результати складають базу для подальших досліджень можливостей перевірки терморезистивних в умовах експлуатації.

Особистий внесок здобувача. Основна частина теоретичних та експериментальних досліджень, розробка оригінальних засобів вимірювання виконані автором самостійно. Аналіз результатів окремих досліджень проводився в співавторстві згідно наведеного списку літератури.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на 7-ій міжнародній науково-технічній конференції “Електричні методи та засоби вимірювання температури”. Львів, 1992; на 1/11 міжнародному науковому семінарі "Mctody і technika przetwarzania sygnalow vv pomiarach fizycznych”. Rzeszow. 1993/94; на 13-ій Міжнародній конференції метрологів МКМ'96. Czestochowa. 1996; на 1-th International modelling school, Алушта, Крим, 1996; на 41-ому Міжнародному коллоквіумі. Ільменау. 1996.

Публікації. За результатами виконаних теоретичних та експериментальних досліджень опубліковано 14 друкованих робіт.

Структура і об’см роботи. Дисертація викладена на 140 сторінках основного друкованого тексту, містить 38 рисунків і складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури з 66 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі показано актуальність дисертаційної роботи, приведено короткий аналіз проблем дослідження первинних перетворювачів в умовах експлуатації. Визначено мету та наукову новизну досліджень.

В першому розділі роботи зроблено огляд існуючих методів перевірки терморезистивних перетворювачів без попереднього вилучення їх з робочого середовища. Проаналізовано можливі шляхи вирішення цієї проблеми. Проведено оцінку методів самодіагностики перетворювачів температури на основі вбудованих калібрагорів. Вказано, що, поряд з можливістю забезечення високої точності перевірки, такі методи вимагають значного ускладнення конструкції ТРП та збільшення його собівартості. Окрім того, методи вбудованих калібраторів вимагають відповідної динаміки температури робочого сердовища, що не завжди можна забезпечити. Вказано, що задача дослідження в умовах експлуатації первинних перетворювачів взагалі, і первинних перетворювачів температури зокрема, на сьогодні ще далека до вирішення. Розв’язання цієї задачі в першу чергу пов’язане з проблемою створення вхідного збурення з відомими амплітудно-часовими характеристиками.

Основна увага зосереджена на застосуванні нагрівання термочутливого матеріалу перетворювача імпульсами електричного струму для створення вхідного збурення при перевірці ТРП. Розглянуто особливості початкової ділянки теплового перехідного процесу, яка характеризується властивостями термочутливого матеріалу (ТЧМ) і найменш чутлива до процесів в зовнішніх елементах конструкції перетворювача та в робочому середовищі. Запропоновано розглядати початкову ділянку теплового перехідного процесу, для якої виконується умова:

(С?ТЧМ2" СтЧМІ^ОтЧМІ^ІУ, ,

де Отчмг, Qt4.ni — акумульовані в ТЧМ кількості тепла за двох можливих граничних умов теплообміну з оточуючим середовищем;

Кл—заданий допустимий коефіцієнт відносної нестабільності перехідного процесу нагрівання, що визначається вимогами до точності перевірки ТРП.

Проведено попередній аналіз початкової ділянки теплового перехідного процесу при нагріванні терморезистивних перетворювачів електричним струмом на базі типових конструкцій термочутливих елементів. На основі порівняння впливу експлуатаційних дестабілізуючих факторів (хімічна забрудненість, механічні напруження і т.д.) на електричні та теплофізичні характеристики перехідних металів зроблено висновок, що зміна температури термочутливого матеріалу ТРП при його нагріванні електричним струмом відповідної тривалості та потужності є більш стабільною, ніж його статична характеристика перетворення. Тому ця зміна температури може бути використаною для перевірки ТРП в умовах експлуатації. Такий метод передбачає перевірку температурного коефіцієнта опору, який є інтегральним параметром СХ перетворювача.

Проведено критичний аналіз відомих методів перевірки ТРП шляхом нагріву електричним струмом, які базуються на прівнянні виміряного значення відповідного

іриросту температури термочутливого матеріалу з теоретично визначеним. Показано, цо досягнути необхідної точності можна лише на основі визначення зміни емпературного коефіцієнта опору гтри порівнянні результатів тестових нагрівань до і іід час експлуатації ТРП. .

ірогнозопану тривалість початкової ділянки теплового перехідного процесу при іагріваїші електричним струмом перетворювача типової конструкції. Проаналізовано іідому модель, побудовану на основі однорідних концентричних циліндрів, процеси еплообміну в якій описуються наступною системою рівнянь:

Т,- температура ТЧМ (К);

Х-і- коефіцієнт теплопровідності ТЧМ (Вт/мхК); т- час (с);

г- радіальна координата (м);

\\- питома потужність джерела тепла (Вт/м3);

і -індекс, який вказує на відношення означених вище величин до зовнішніх циліндрів моделі.

Для кожного з рівнянь задаються відповідні початкові та граничні умови. Показано, цо в такій моделі відображення спіральної будови ТЧМ платинових ТРП при юзв'язуванні нестаціонарної задачі з врахуванням міжвиткової взаємокомпенсації еплових потоків є достатньо складним, і може бути предметом окремої роботи.

Для розв'язку поставленої задачі запропоновано дискретний варіант моделі, в кій масив ТЧМ розбито на скінченну кількість однорідних циліндрів, відображених нтегральпими значеннями теплоємності та теплопровідності. Масив засипки ТЧМ юзбито на три зони: міжвиткову М31, внутрішню М32 та зовнішню МЗЗ (рис.1). Іважаючи на незначний вплив зовнішніх елементів конструкції ТРП на перебіг ючаткової ділянки теплового перехідного процесу, враховано інтегральний відвід егіла від чутливого елемента. На основі запропонованої моделі, визначено ірогнозований перехідний процес (рис.2) при нагріванні чутливого елемента ЕЧП-іі 83 Рі 100 електричним струмом.

Критерієм для визначення тривалості початкової ділянки перехідного процесу апропоновано виконання умови:

В другому розділі шляхом математичного моделювання визначено

де сг питома теплоємність ТЧМ ( Дж/кгхК); у,- густина ТЧМ (кг/м3);

Рнс.1. Фізична модель ЕЧП-0183 для відтворення початкової ділянки теплового перехідного процесу при нагріванні електричним струмом.

Тут: Яд- радіус дротині;; Я31-радіус міжвиткового масиву засипки М31; Ьс- крок памотки; Ос- середній діаметр спіралі; Ос-діаметр отвору в керамічному каркасі; МЗЗ, М32- зовнішній та внутрішній масиви засипки.

ДТ, к 1 ^ ——-—■—Е=-~

х.с

0 0.005 0.01 0.015 0.02

б)

Рис.2. а) Розрахункові перехідні процеси при нагріванні ЕЧП-0183 Рі:100 електричним струмом потужністю ІВт. Крива 1- перехідний процес при теплопровідності ТЧМ Я|=0,995?иио„, теплоровідності засипки Х2:=0,9Х1тіл. теплоємності засипки с2=1,05с2Ном; крива 2- при Х.1=1,015>чном, Х2=1,1^-2ном, с2=0,95с2„ом- б) Відносна зміна приросту температури ТЧМ ДТ(т) при вказаних граничних змінах теплофізичних характеристик елементів конструкції.

де ДТ- усереднене значення нагріву ТЧМ;

Д^-і, ДЯ.2, Дс2- значення можливих абсолютних змін відповідних

теплопровідностей та теплоємності засипки;

- допустиме значення відносної зміни значення ДТ.

Задавшись відповідними значеннями ДХі, Д^2, Дс2 (див. рис. 2), показано, що тривалість початкової ділянки перехідного процесу, яка зазнає відносної зміни не більше 0,05%, складає близько 1,6мс при діаметрі платинової дротини 0,05мм. Встановлено, що для даної конструкції чутливого елемента тривалість вказаної ділянки може бути визначена шляхом аналізу перехідних процесів при граничних умовах теплообміну з оточуючим середовищем (зміна коефіцієнта тепловідводу на три порядки) з наступним введенням відповідної поправки. Це дає можливість експериментально визначити параметри початкових ділянок теплового перехідного процесу, що характеризують термочутливий матеріал платинового ТЧЕ без порушення цілісності його конструкції.

Оскільки запропонована перевірка ТРП передбачає стрибкоподібну зміну електричного струму, певний вплив на процес нагрівання можуть мати реактивні складові опору. На базі запропонованої електричної моделі (рис.З) чутливого елемента типу ЕЧГТ-0183 проаналізовано перехідні електричні процеси в ТРП при стрибкоподібній зміні струму через нього.

Отримано вираз, який описує вказані перехідні процеси:

Н(т)=1+ е‘т/тп + е‘т/,,с х со$(<окт),

де т„- стала часу експоненційної складової перехідного процесу; тк., со* - стала часу згасання та кругова частота коливної складової перехідного процесу.

Вказані комутаційні процеси впливають на сумарну електричну енергію, що підводиться до ТЧМ за час його нагріву. Показано, що зміна сумарної електричної енергії під дією такого впливу не перевищує 0,01% при тривалості нагрівання понад Імс. При збільшенні тривалості вплив реактивних складових опору ТРП на перебіг теплового перехідного процесу пропорційно зменшується. Оскільки вплив реактивних складових опору носить систематичний характер, то це не вносить додаткової похибки в результати проведених досліджень. Результати моделювання підтверджують експериментальні дослідження.

Рііс.З. Електрична схема заміщення ЕЧГІ-0183. Тут: Ro„ Lor активний опір та індуктивність одного витка спіралі ТЧМ; Мі(і+1), Сі(і+і) -взаємоіндуктивність та ємність між сусідніми витками, Св- ємність між відводами ТЧЕ

Розроблено апаратно-програмні засоби для проведення експериментальних досліджень початкової ділянки теплового перехідного процесу при нагріванні ТРИ електричним струмом. Функціональна схема пристрою зображена на рис.4. Така структура пристрою забезпечує високу швидкодію та гнучкість алгоритму роботи. Фактично кожен вузол пристрою є програмно керованим. Вимірювальна схема пристрою побудована на основі рівноплечого моста. Це дозволяє забезпечити стабільність потужності електричного струму ТРП при зміні його опору в межах кількох відсотків і високу чутливість. Застосування алгоритмів автоматичної калібровки дозволяє спростити процес настройки та знизити вимоги до стабільності елементної бази.

На основі аналізу загальної функції перетворення розробленого пристрою показано, що гранична похибка вимірювання приростів температури ТЧМ в наслідок його нагріву імпульсами електричного струму не перевищує 0,8%. Оскільки дослідження передбачають визначення змін теплового перехідного процесу, то вплив систематичної складової похибки є несуттєвим. Проведено аналіз впливу нагрівання резистивиих елементів мостової вимірювальної схеми. Показано, що розроблений пристрій забезпечує реєстрацію відтворюваності початкової ділянки теплового перехідного процесу з похибкою в межах ±0,01%.

ТРП

I -220В Г

Рис. 4. Функціональна схема пристрою для дослідження процесів нагріву ТРП електричним струмом. ДРН - джерело регульованої напруги; КП - комутуючий пристрій; ВВС - вхідна вимірюваїьна схема; ТРГІ - досліджуваний терморезистивний перетворювач; МО - магазин опору; и* - калібровочна напруга; БІ-перемикач; ДП - диференційний підсилювач; ПН -резистивний подільник напруги; П - перемикач; БПН - буферний повторювач напруги; АЦП- аналого-цифровий перетворювач; БГР Вх - блок гальванічної розв'язки вхідний; БГР Вих - блок гальванічної розв'язки вихідний; ПІ -паралельний інтерфейс; ПК - персональний комп'ютер; БЖ - блок живлення; А1-А5 - сигнали керування вузлами пристрою; ЗК - захисне кільце, як конструктивний елемент захисту від зовнішніх завад, що діють через паразитні провідності

В третьому розділі приведено результати експериментальних досліджень ішливу різних дестабілізуючих чинників на перебіг теплових перехідних процесів при нагріванні електричним струмом термочуїливих елементів типових конструкцій .

Показано, що зміна температури ТЧМ терморсзистивіюго перетворювача при нагріванні електричним струмом за сталих умов теплообміну в конструктивних елементах перетворювача та з робочим середовищем в кожний момент часу є пропорційною електричній потужності (див. рис. 5). Тому всі теплові перехідні процеси доцільно розглядати приведеними до ІВт потужності електричного струму ТЧМ.

0 0.01 0.02 0.03 0.04

Рис.5.Перехідні процеси при нагріванні чутливого елемента ЕЧП-0183 типу 14100 електричним струмом різної потужності. Криві 1, 2, 3- перехідні процеси при потужностях РЗ>Р2>Р1, крива 4-ті ж процеси, приведені до ІВт потужності.

На основі експериментального дослідження динаміки нагріву електричним струмом чутливих елементів та конструктивно закінчених ТРП показано, що наявність захисної арматури не впливає на перебіг теплового перехідного процесу і значно зменшує вплив зміни умов теплообміну в робочому середовищі. Тому, основними дестабілізуючими чинниками, що впливають на початкову ділянку теплового перехідного процесу слід вважати внутрішні зміни ТРП, і, насамперед, зміни в чутливому елементі. Дослідження ТЧЕ без захисної арматури за граничних умов теплообміну з робочим середовищем дає змогу визначити тривалість та рівень початкової ділянки, яка не залежить від будь-яких можливих змін в зовнішніх конструктивних елементах ТРП та в робочому середовищі і врахувати можливі зміни в конструкції самого ТЧЕ.

При дослідженні теплових перехідних процесів для відкритих платинових та мідних чутливих елементів визначено параметри початкових ділянок, які не залежать від зміни теплообміну з оточуючим середовищем в граничних межах (повітря в спокої та вода з перемішуванням). Для ЕЧП-0183 РПОО вказані перехідні процеси зображені на рис. 6. Враховуючи відповідну поправку, встановлену при

моделюванні, визначено настміні параметри початкових ділянок теплового перехідного процесу, що харчктеризуюп, ТЧМ: для ЕЧП-0183 Рі 100 тривалість 3,2 мс. відповідний приріст’ температури близько 0,45 К/Вт, для ЕЧП-0183 Р150 12 мс і

0,75К/ІЗт. Похибка відтпорюваїюсті вказаних ділянок не перевищує чутливості засобів вимірювання, що складає не більше 0,045% під приросту температури для ЕЧП-0183 тину 14100 і 0,027% для ЕЧП-0183 типу Рі50.

К/їіт І

т,с

0 0.005 б) 0.01 0.015 0.02

Рпс.6. Процеси нагріву чутливого елемента ЕЧП-0183 типу РП00 за різних умов теплообміну з оточуючим середовищем: 1 - повітря при 1=+25°С; 2 - вода при 1=+25°С (а). Абсолютна розбіжність вказаних процесів (б).

Відповідні ділянки теплового перехідного процесу для мідних ТЧЕ мають значно більшу тривалість. Це пояснюється тісним тепловим контактом між елементами термочутливої дротини і відносно великим тепловим опором між мотком дроту та засипкою (через фторопластову плівку). Така особливість конструкції мідного чутливого елемента дає очевидні переваги при реалізації запропонованого методу перевірки ТРП. З метою уточнення тривалості ділянки теплового перехідного процесу при нагріванні електричним струмом, яка визначається виключно властивостями ТЧМ було проведено дослідження ЕЧМ-0183 Си50 при різному заповненні простору між мотком термочутливого дроту та металевою гільзою (див рис.7). Показано, що тривалість такої ділянки складає близько 0,7с.

Дотична до кривої теплового перехідного процесу в початковий момент характеризує адіабатний процес нагрівання ТЧМ електричним струмом. Її нахил узагальнено характеризує тип та конструкцію ТЧЕ. Ця особливість може бути використаною для автоматичної ідентифікації ТРП в інтелектуальних засобах вимірювання температури.

Проведено дослідження впливу температури робочого середовища на перебіг початкової ділянки перехідного процесу при нагріванні плитинових та мідних ТРП. Показано, що зміна температури в діапазоні +(25...100)°С не впливає на величину нагріву ТЧМ електричним струмом при тривалості процесу нагрівання до 5мс для ЕЧП-0183 РПОО і 0,7с для ЕЧМ-0183 Си50. При більших тривалостях нагрівання спостерігається зменшення значення нагріву ТЧМ зі збільшенням температури робочого середовища, що відповідає поширенню тепла в засипці і в даному випадку не є предметом вивчення.

Рис.7. Процеси нагріву чутливого елемента ЕЧМ-0183 типу Си50 за різних типів заповнення простору міжтермочутливим матеріалом і захисною гільзою:

1 - повітря; 2 - засипка оксиду алюмінію; 3 - вода (а). Абсолютна розбіжність кривих 1 та 3 (б).

Проведено дослідження впливу потужності та тривалості імпульсів електричного струму на зміну статичної характеристики перетворення ТРП. Встановлено, що СХ не змінюється при потужностях електричного струму до 8,7Вт і тривалості до20мс для ЕЧП-0183 РПОО та 17,4Вт і 0,5с для ЕЧМ-0183 Си50.

З метою дослідження впливу на початкову ділянку теплового перехідного процесу проводилось штучне спотворення статичної характеристики ТРИ в наслідок тривалого циклічного пропускання через ТЧМ імпульсів струму значної амплітуди (близько 0,7А). Показано, що зміна температурного коефіцієнта опору ТРИ не призводить до суттєвих змін приросту температури на початковій ділянці теплового перехідного процесу (співвідношення відповідних відносних змін не менше 5). Це підтверджує результати теоретичного аналізу щодо високої стабільності вказаної ділянки.

Проводилось дослідження теплових перехідних процесів п межах одного типу ТРИ Показано, що в загальному випадку динаміку нагрівання ТЧМ перетворювача електричним струмом на початковій ділянці перехідного процесу слід вважати індивідуальною характеристикою окремого ТРП.

В четвертому розділі за результатами експериментальних досліджень проведено аналіз потенційних можливостей перевірки ТРП шляхом нагрівання електричним струмом. Запропоновано наступний алгоритм перевірки. Після традиційної перевірки СХ перетворення ТРП проводиться його тестове нагрівання електричним струмом фіксованої потужності Р, та тривалості її, що не перевищують допустимих значень, визначених для кожного тішу ТРП попередньо. Вимірюється відповідна зміна опору

AR=R(x)-R(0),

де R(0)- значення опору ТРП до початку нагрівання;

Щт)-значеіпія опору на момент закінчення нагрівання.

Значення ti , Р|, Ri(0), AR, фіксуються і присвоюються даному ТРП разом з класом згідно номінальної СХ. Через певний час експлуатації ТРП, без його демонтажу, проводиться аналогічне нагрівання електричним імпульсом потужністю Р2 і тривалістю т2. Відповідно фіксуються значення потужності Р2 , початкового опору R2(0) та його приросту AR2. Реєстрація значення опорів Ri(0) та 1*2 (0) необхідна для врахування нелінійності СХ перетворення (для платинових ТРП). Чутливість перетворення в умовах експлуатації може бути виражена:

S,=

_ E,AR:,

Е,ДК,

де 8, - чутливість, присвоєна ТРП при традиційній перевірці до початку експлуатації;

Е|. Е2 - кількість електричної енергії, що підводиться до ТЧМ при відповідних тестових нагріваннях.

Враховуючи нелінійність СХ перетворення платинових ТРП, отримано вираз іля визначення значення зміни опору, зведеного до температури робочого :ередовшца при тестовому нагріванні в умовах експлуатації:

дя,„ = (МИ,, — кг) - (л/ми,, - к2 -^ми.-н, + Г\т„ -і^-лі*,)2,

де М = 1-~;

4В

^ А, В - коефіцієнти полінома, що описує номінальну статичну

характеристику перетворення ТРП.

Отримано залежність додаткової похибки методу від різниці температур робочого середовища при тестових нагріваннях до і під час експлуатації ТРП, за умови нелінійності СХ.

Показано, що проведені дослідження доводять можливість перевірки ТРП згідно запропонованої методики принаймні в межах класу С. Відтворюваність визначених експериментально початкових ділянок в значній мірі визначалася точністю засобів вимірювання. Тобто, існує потенційна можливість підвищення точності методики за рахунок проведення додаткових досліджень з використанням більш досконалих засобів. Вказано, що зменшити вплив інструментальної складової похибки можна за рахунок відповідних змін конструкції ТЧЕ, направлених на збільшення тривалості та рівня початкових ділянок теплового перехідного процесу, наприклад, збільшення діаметру термочутливої дротини та теплового контакту між її елементами, застосування (де це можливо) засипок з меншою теплопровідністю та вищою стабільністю теплофізичних характеристик.

Вказано, що проведені теоретичні та експериментальні дослідження, запропоновані схемотехнічні рішення та алгоритмічне забезпечення можуть бути використаними в інтелектуальних засобах вимірювання температури з елементами перевірки первинних перетворювачів. Це дасть змогу підвищити надійність повного каналу перетворення температури, повністю уникнути затрат часу та праці на періодичні перевірки ТРП.

ВИСНОВКИ.

1.На основі теоретичних та експериментальних досліджень динаміки нагріву ТРП електричним струмом показано, що початкова ділянка теплового перехідного процесу не залежить від зовнішніх дестабілізуючих факторів і є характеристикою властивостей термочутливого матеріалу.

2.На основі запропонованих математичних моделей теплових та електричних процесів при нагріванні ТРП електричним струмом вказано критерії для визначення та визначено прогнозовані параметри початкової ділянки. Показано, що вплив реактивних складових електричного опору ТРП на перебіг теплового перехідного процесу не вносить вагомих похибок при тривалості нагрівання понадімс.

3.На основі експериментальних досліджень динаміки нагріву ТРП типових конструкцій електричним струмом за умов впливу різних дестабілізуючих факторів встановлено фактичні параметри початкових ділянок теплового перехідного процесу,

доведено їх високу стабільність і придатність для перевірки перетворювачів без вилучення з робочого середовища.

4.Розроблено алгоритми та схемні рішення для перевірки ТРП в умовах експлуатації на основі нагрівання імпульсами електричного струму. Отримано співвідношення для врахування иелінійності платинових ТРП.

5.Показано, що запропонована методика перевірки ТРП згідно проведених експериментальних досліджень може бути застосованою прнаймні до перетворювачів класу С з діаметром термочутливого дроту не менше 0,05 мм. Вказано на можливі шляхи підвищення точності перевірки.

7.Вказано, що проведені теоретичні та експериментальні дослідження, запропоновані схемотехнічні рішення та алгоритмічне забезпечення можуть бути використаними в інтелектуальних засобах вимірювання температури з елементами перевірки первинних перетворювачів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ВІДОБРАЖЕНІ В НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ:

1.АтаманчукБ., БазилевичО., РишковськийО. Імпульсний режим терморезистивних перетворювачів у засобах прецизійного вимірювання іемператури// Вісник ДУ “Львівська політехніка”, “Автоматика, вимірювання та керування”. Львів.-1995.- Вип.№ 292. - С. 39-42.

2.АтаманчукБ.М., МикитюкЗ.М., ПительІ.Д., ПоліщукЄ.С., РишковськийО.П., ФедорчукА.А., ТарнавськаР.Ю. Система вимірювання і регулювання температурних режимів газотурбінних двигунів // Вимірювальна техніка та метрологія. Львів-1995.-№51.- С.30-32.

3.AtamanchukB., StadnykB., SljusarenkoO., BernhardF. Wykorzystanie nagrzewania termorezystancyjnych przetwornikow pradem elektrycznym dla celow diagnostyki// Праці в матеріалах 13 Miedzyuczelnianej konferencii metrologow MKM'96. Czestochowa.-1996.- C. 19-23.

4.AtamanchukB., StadnykB., SljusarenkoO. Nutzung des LCSR-Tests fuer die Pruefung der Statischen Kennlinie von Widerstandsthermometern// Праці в матеріалах 41го Міжнародного коллоквіуму. Ільменау.-1996.- 4.1- С.682-687.

З.АтаманчукБ., СтадішкБ., СлюсареикоО., БернгардФ. LCSR-тест як метод діагностики терморезистивних перетворювачів// Вимірювальна техніка та метрологія. Львів,- 1996,- № 52.- С.44-46.

6.АтаманчукБ., БернгардФ. Нагрів терморезистивних перетворювачів

електричним струмом як характеристика їх стану// Вісник ДУ “Львівська політехніка” “Автоматика, вимірювання та керування”. Львів,- 1997.- Вип. №314.-С.105-109.

7.АтаманчукБ.Н., КовальчукН.Г., МикитюкЗ.М., ПытельИ.Д. Коррекция

инерционности термопреобразователей в системе сбора и обработки

информации//Тез. докл. 6-ой Всесоюзной конференции “Электрические методы и

средства измерения температуры. “Электротермометрия-88””. Луцк,- 1988.- ч.1.-С.28.

8.АтаманчукБ.Н., КовальчукН.Г., МироиенкоД.И., МикитюкЗ.М., ПытельИ.Д., ПолищукЕ.С., РышковскийА.П., ТарнавскаяР.Ю., ТищенкоЛ.М. Система измерения и регулирования температуры// Тез. докл. 6-ой Всесоюзной конференции "Электрические методы и средства измерения температуры. “Электротермометрия-88””, Луцк.- 1988.-Ч.1.-С.29.

9.АтаманчукБ.Н., КовальчукН.Г., ПытельИ.Д. Коррекция динамических характеристик термопреобразователей в многоканальных системах контроля температурного поля газотурбинного двигателя// Тез. докл. межотраслевой научнотехнической конференции “Диапюстика-90”, Москва-Харьков-Рыбачье.- 1990- Т.2.-С.65-66.

Ю.АтаманчукБ.Н., МикитюкЗ.М., ПытельИ.Д., РышковскийА.П., ФедорчукА.А. ИИС контроля и регулирования температуры газотурбинных двигателей.// Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конференции “ИИС-91”. Санкт-Петербург.- 1991,- С. 24-25.

11.АтаманчукБ.М., МикитюкЗ.М., ПительІ.Д., ПоліщукЄ.С., РишковськийО.П., ФедорчукА.А., Тищенко Л.М., ТарнавськаР.Ю. Система вимірювання і регулювання температури газів газотурбінних двигунів// Тез. доп. 7-ї міжнародної науково-технічної конференції “Електричні методи та засоби вимірювання температури”. Львів,- 1992.-С. 8.

12.АтаманчукБ.М., КовапьчукМ.Г., ПительІ.Д. Корекція інерційності термоперетворювачів в системах контролю температури// Тез. доп. 7-ї міжнародної науково-технічної конференції “Електричні методи та засоби вимірювання температури”. Львів.- 1992,- С. 9.

13.AtamanchukB., BasylcvychO., StadnykB., RyshkovskyA., ChaikovskyO. Optimization of inductive voltage dividers in the precision temperature measurement system// Тези доп. Materialy I/II miedzynarodowego seminarium naukowego “Metody і technika przetwarzania sygnalow w pomiarach fizycznych”. Rzeszow.- 1993/94,- C.25-27.

14.АтаманчукБ., Стадник Б., СлюсаренкоО., БернгардФ. LCSR-тест як метод діагностики терморезистивних перетворювачів// Тез. доп. на 1-th International modelling school, Алушта, Крим.- 1996,- С.20.

АНОТАЦІЯ

АТАМАНЧУК Б. Перевірка статичної характеристики терморезистивних перетворювачів шляхом нагріву електричним струмом.

Дисертація в вигляді рукопису па здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин. Державний університет "Львівська політехніка". Львів. 1997.

В дисертації розроблено методику, засоби і алгоритми бездемонтажної перевірки терморезистивних перетворювачів. Проведено аналіз запропонованої методики на базі розроблених математичних моделей. Викладено результати

кспериментальних досліджень для базових конструкцій перетворювачів. Проведено наліз метрологічних характеристик засобів для практичної реалізації запропонованої іетодики. Розглянуто можливості застосування початкової ділянки теплового ерехідного процесу в інтелектуальних засобах вимірювання температури.

Ключові слова: терморезистивний перетворювач, теплоємність, перехідний роцес, статична характеристика перетворення.

АТАМАНЧУК Б. Проверка статической характеристики ерморезистивных преобразователей путём нагрева электрическим током.

Диссертация в виде рукописи на соискание учёной степени кандидата ехнических наук по специальности 05.11.04 - приборы и методы измерения епловых величин. Государственный университет “Львівська політехніка”. Львов.

В диссертации разработаны методика, средства и алгоритмы бездемонтажной роверки термрезистивных преобразователей. Проведён анализ предложенной 1стодики на базе разработанных математических моделей. Изложены результаты кспериментальных исследований для базовых конструкций преобразователей. 1роведён анализ метрологических характеристик средств для практической еализации предложенной методики. Рассмотрены возможности примененя ачапышго участка теплового переходного процесса в интеллекуальных устройствах змерения температуры.

Ключевые слова: термопреобразователь сопротиления, нагрев, переходный роиесс. статическая характеристика преобразования.

Atamanchuk В. Test of static characteristics thermoconverter of

RESISTANCE BY ELECTRIC HEATING.

The dissertation as manuscript for obtaining of the degree of candidate of technical ciences. speciality 05.11.04 - Devices and methods for measuring thermal values. State Jniversity "Lviv Polytechnic”, Lviv, 1997.

Method, equipment and algorithm for nonremovable test of characteristic of onvertation of thermoconverter of resistance are worked out in the dissertation and on the asis of proposed mathematics model has been carried out the analysis of the method. The ¿suits of experimental researching for basic designs are given. Metrological analysis of radical potentialities of the proposed method has been done. The possibility of application f the beginning section of heat transient process in intelligent devices for measuring ;mperature.

Keywords: thermoconverter of resistance, heating, птгм« static

haracteristic of convertation.

997.

Підписано до друку 28.07.97. Формат 6 Друк офсетний. Папір офсетний. Обсяг 1 др. арк. Зам. № 97/8-15. Тир. 100 прим.

Друк ТзОВ "Простір М"