Подписано в печать Формат 60х90 1/16

Бумага писчая. Печать оперативная. Усл. п.л. 2, 18

Тираж 100 экз. Заказ №

 

ã Самарский государственный университет путей сообщения, 2013

 

Лабораторная работа №1

ТЕРМОМЕТРИЯ. ИЗМЕРЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ УЗЛОВ

И АГРЕГАТОВ МАШИН

Продолжительность работы – 4 часа.

Лабораторная работа состоит из двух разделов:

а) освоение контактных методов термометрии (2 часа);

б) освоение бесконтактных методов термометрии (2 часа).

 

Цель работы: ознакомиться с методами и средствами термометрии и научиться проводить техническое диагностирование подшипниковых и других узлов технических объектов с использованием контактных и бесконтактных приборов измерения температуры.

Основные положения

Существует множество методов измерения температуры при техническом диагностировании машин, которые по принципу взаимодействия с контролируемым объектом делятся на две группы: контактные и бесконтактные.

В контактных методах первичный преобразователь, называемый обычно датчиком температуры, непосредственно соприкасается с поверхностью детали. При контактном измерении необходимо обеспечить хорошую теплопередачу между датчиком и деталью, результат измерения считывать после того как температуры детали и датчика сравняются.

Для бесконтактного измерения температур используют оптические фотоэлектрические пирометры полного или частичного излучения. Фотоэлектрические приборы основаны на принципе преобразования излучения оптического диапазона в электрический сигнал. Для расширения возможностей оптические фотопирометры снабжены электронной схемой и цифровым индикатором.

 

а) Контактные методы термометрии

Приборы, применяемые для измерения температуры при техническом диагностировании машин контактными методами, можно разделить на несколько основных видов:

1. Термометры расширения (жидкостные, стеклянные, манометрические, дилатометрические, биметаллические). Действие основано на изменении объёма жидкости при нагреве или охлаждении. Диапазон измерения температур: спиртовые - -80…+70 °С; ртутные - -35…+750 °С.

При измерении температуры узлов машин колбу термометра следует обматывать алюминиевой фольгой для ее предохранения от повреждения и увеличения теплопередачи.

2. Термоиндикаторы (термохромовые, жидкокристаллические, плавящиеся, люминофорные, изооптические). Действие основано на смене окраски или состояния индикатора при изменении температуры или достижении ею определенной величины.

3. Манометрические термометры (МТ) – основаны на зависимости изменения давления жидкости, газа или пара с жидкостью в замкнутой системе постоянного объёма от температуры. Жидкостные МТ имеют рабочую жидкость – ксилол, ртуть, спирт. Диапазон измерения –60…+300 °С. Газовые МТ – рабочий газ азот или гелий. Диапазон измерения -100…+600 °С.

Приборы 3-х вышеуказанных групп могут использоваться только при измерении температуры наружных узлов машин и не могут быть встроены в автоматизированные системы технического диагностирования без специальных элементов для считывания показаний.

Вышеуказанных недостатков лишены следующие два вида приборов контактного измерения температуры. Они могут быть помещены в любой точке машины, а их выходной сигнал является электрическим и может непосредственно обрабатываться системой автоматического технического диагностирования.

4. Электротермометры (термоэлектрические, терморезисторные, термошумовые, термомагнитные, термочастотные, термоёмкостные, термотранзисторные). Термометры сопротивления (ТС) – приборы, в которых изменение температуры приводит к соответствующему изменению сопротивления электрическому току. В металлических ТС сопротивление растет с увеличением температуры, а в полупроводниковых, как правило, падает. Наиболее распространенные термометры сопротивлений: платиновые ТС (П77 и др.) – измеряемые температуры -70...+300 °С; медные ТС – измеряемые температуры –50…+180°С.

Погрешность термометров сопротивлений составляет 0, 2…0, 5 % от диапазона измерения. Для преобразования и отображения результатов измерения температуры используют разнообразные вторичные приборы со стрелочными или цифровыми индикаторами.

5. Термоэлектрические термопарные датчики. Термопара - температурный датчик, с выхода которого непосредственно снимается сигнал напряжения, пропорциональный температуре. Действие термоэлектрических термопарных датчиков заключается в том, что в замкнутой цепи, составленной из двух разнородных проводников (или полупроводников), возникает электрический ток, если температура мест их спайки различна. Измерительный спай контактирует с объектом диагностики, а соединительный спай присоединен к измерительному прибору. При этом не требуется источник питания, так как выходное напряжение возникает вследствие термоэлектрических свойств металлов. Величина соответствующего напряжения (термо-ЭДС) зависит от типа металла и является линейной функцией температуры спаев. Термопары применяются при температурах –100…+1600 °С.

Для различных диапазонов температур применяют:

· термопары хромель-копель (ХК), диапазон измеряемых температур -100…+600 ^ОС;

· термопары хромель-алюмель (ХА) – измеряемые температуры 0…1200 °С;

· термопары платинородий-платина – измеряемые температуры 900…1600 °С.

Большой температурный диапазон, достаточно высокая точность измерений, малые габариты датчика и возможность его установки в труднодоступных местах определяют широкое использование термопар в автоматизированных системах диагностики машин.

Лабораторная работа по изучению термометрии с помощью термопары выполняется с использованием измерительного стенда, представленного на рис.1. При проведении работы, нагрев узла машины моделируется с помощью электрического нагревателя, в который помещена термопара. Обработка результатов измерений производится с использованием компьютера.

Состав оборудования стенда:

· Термопара ХК с выводами длиной 1, 5 м;

· Измеритель температуры типа Ш 4500;

· Нагреватель;

· Компьютер;

· Источник питания.

 

а)                                                                     б)

а) общий вид, б) структурная схема

Рисунок 1  – Стенд для измерения температуры с помощью термопары

 

Порядок выполнения работы

(Работа выполняется бригадой студентов под руководством преподавателя.)

1. Подключите сетевую вилку стенда к однофазовой электрической сети 220 В, 50 Гц с заземляющим проводом и поставьте сетевой переключатель в положение «ВКЛ».

2. Вставьте термопару в трубку нагревателя на глубину 20 мм.

3. Включите тумблер «Сеть» на нагревателе.

4. Подключите кабель электропитания осциллографа DC IN к клеммам «Питание осциллографа» на стенде измерения температуры с соблюдением полярности.

5. Подключите кабель входного сигнала осциллографа СН1 к стенду, причём общий провод (с узлом) подключите к минусу питания осциллографа, а второй провод подключите к клемме «Самописец».

6. Включите электропитание стенда измерения температуры и включите питание осциллографа – переключатель POWER переведите в положение ON. Должен загореться красный светодиод.

7.  Включите ПК и запустите программу «Самописец» - правая пиктограмма в нижнем поле экрана ПК.

8. Настройте с помощью мыши режим самописца:

· установите для канала СН1 усиление 20 mV;

· установите скорость развертки 50 s;

· отключите СН2.

9. Нажмите с помощью мыши кнопку Run на экране и запустите развёртку самописца. На экране будет записываться изменение входного сигнала во времени.

10. Установите включатель СН1 на дисплее ПК в среднее положение (на вход будет подан нулевой сигнал) и с помощью регулировочной ручки СН1 установите луч на экране самописца на нижней линии рабочего поля.

11. Переведите включатель СН1 на дисплее ПК в верхнее положение, при этом самописец готов к работе.

12. Включить первую ступень нагрева и одновременно с помощью мыши, нажав дважды кнопку Run, включите режим записи Recording на экране дисплея самописца.

13. Дав выдержку 3 минуты, произвести измерение температуры на приборе Ш4500 при помощи самописца.

Чтобы измерить температуру с помощью самописца нужно выполнить следующие операции с помощью мыши:

· откройте меню View;

· нажмите кнопкой мыши Markers (DSO);

· переместите горизонтальные маркеры, нижний на начало измерения температуры, а верхний маркер на верхнюю границу измерения температуры. Внизу на дисплее будет высвечиваться изменения напряжения в mV;

· коэффициент усилия сигнала термопары равен К=10. Следовательно, значение истинного напряжения равно U=U_н/К, где U_н – напряжение при нагреве объекта.

· используя табл.1. для термопары хромель-копель, определяем по измеренному напряжению температуру нагрева объекта, использую следующую зависимость:

U_н = U_Δ + U_из,

где U_Δ – напряжение при 20 º С (температура холодного конца термопары), U_из – измеренное напряжение при нагреве объекта (рабочего конца термопары).

Повторить работы по п. 12, 13 на второй и третей ступенях нагревателя, давая выдержку времени на установление температуры 3 минуты. Результат измерений записать в табл. 2.

 

Содержание отчёта

1. Цель работы.

2. Основные методы измерения температуры узлов машин.

3. Область применения, достоинства и недостатки контактных методов термометрии.

4. Состав лабораторного стенда.

5. Порядок выполнения работы, результаты измерений.

6. Выводы.

 

Таблица 1 – Градуировочная таблица термопары хромель-копель

	Напряжение, мВ
Температура рабочего конца, °С	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
0+	0	0, 65	1, 31	1, 98	2, 66	3, 35	4, 05	4, 76	5, 48	6, 21
100+	6, 95	7, 69	8, 43	9, 18	9, 93	10, 69	11, 46	12, 24	13, 03	13, 84
200+	14, 66	15, 48	16, 30	17, 12	17, 95	18, 77	19, 6	20, 43	21, 25	22, 08
300+	22, 91	23, 75	24, 60	25, 45	26, 31	27, 16	28, 02	28, 89	29, 76	30, 62

 

Таблица 2 –  Результаты измерения температуры прибором Ш4500 и осциллографом PCS64i

Ступень нагревателя	Измерение температуры, °С
	Прибор Ш4500	Осциллограф PCS64i
1
2
3

 

б) Бесконтактные методы термометрии

Основные приборы для бесконтактного измерения температуры:

· Пирометры излучения (яркостные, цветовые, радиационные).

· Тепловизоры (оптико-механические, пировидиконные).

· Лазерные пирометры.

· Спектрофометрические пирометры.

· Акустические пирометры.

Бесконтактные приборы для измерения температуры имеют значительные преимущества перед контактными. Измерение температур малых объектов контактным способом может привести к искажению температуры в точке измерения. Имея значительно меньшее, по сравнению с термопарами, время срабатывания, бесконтактные приборы способны измерять температуру с точностью, недосягаемой при обычном контактном методе измерения, особенно в случае быстродвижущихся объектов. Это позволяет точнее контролировать ход процесса и проводить измерения независимо от вида материала и состояния его поверхности.

Назначение пирометров:

· измерение температуры удаленных и труднодоступных объектов;

· измерение температуры движущихся частей;

· обследование частей, находящихся под напряжением;

· контроль высокотемпературных процессов;

· регистрация быстро изменяющихся температур;

· измерение температуры тонкого поверхностного слоя;

· обследование частей, не допускающих прикосновения;

· обследование материалов с низкой теплопроводностью или теплоемкостью;

· экспресс–измерения.

К наиболее широко используемым методам измерения относят:

Яркостные – измеряют спектральную яркость объекта на определённой длине волны, которая сравнивается с яркостью абсолютно чёрного тела (АЧТ). Яркостные пирометры применяют для измерения высоких температур (свыше 600 ^ОС).

Радиационные – пирометры, работающие в широком спектральном диапазоне, применяют для измерения температуры слабо нагретых тел (-100…+100 ^ОС).

Оптико-механические – тепловизоры, использующие в качестве приемника излучения, фотосопротивление из сурьмянистого индия. Эти системы подсоединены к цифровым системам оперативного запоминания тепловых изображений и снабжены устройствами автоматизированной обработки с помощью ПК. Область измерения температур -20 …+1500 ^ОС.

Лазерные – пирометры реализуются на газодинамическом эффекте (теневые, интерференционные), а также на основе оптико-физических эффектов (когерентного рассеяния света). Теневые и интерференционные лазерные пирометры позволяют визуализировать и вычислять поля температур как газов, так и жидкости. Лазерные пирометры, работающие на эффекте когерентного рассеяния света, позволяют фокусировать излучение лазера в любую точку измеряемого объёма и определять его температуру. Область измерения температур +400…+3000°С.

 

Измерительный стенд

Лабораторный стенд для бесконтактного измерения температуры объекта диагностики (рис.2) построен с использованием фотопирометра ЛУЧ-Н. Инфракрасные термометры, часто называемые пирометрами, используют принцип детектора инфракрасного излучения. Интенсивность и спектр излучения зависит от температуры тела. Измеряя характеристики излучения тела, пирометр косвенно определяет температуру его поверхности. Объект диагностики моделируется с помощью излучателя (лампа накаливания).

Состав оборудования стенда:

· Пирометр ЛУЧ-Н.

· Излучатель.

Пирометр ЛУЧ-Н позволяет измерить температуру нагрева в пределах +600…+900°С.

 

Рисунок 2 – Общий вид стенда измерения температуры с помощью пирометра

Порядок выполнения работы

(Работа выполняется бригадой студентов под руководством преподавателя.)

1. Включить в сеть блок излучателя и установить минимальную яркость лампы.

2. Снять защитную крышку фотоприёмника.

3. Расположить конец среза трубы прибора ЛУЧ-Н на расстоянии 50…100 мм от лампы накаливания.

4. Прицелясь, нажать и удерживать кнопку включения прибора в течение 5…7 с.

5. Отпустить кнопку - измеренная температура высвечивается на цифровом табло в течение 3…5 с.

6. Произвести запись температуры шесть раз (следующие измерения выполнять только после отключения индикации прибора), результаты занести в табл.3.

7. Повторить работы по п. 4 и 5 на средней и максимальной температуре накала нити лампы.

8. Подсчитать среднее арифметическое значение температуры и занести в табл. 3.

Содержание отчёта

1. Цель работы.

2. Основные методы бесконтактного измерения температуры узлов машин.

3. Область применения, достоинства и недостатки бесконтактных методов термометрии.

4. Состав лабораторного стенда.

5. Порядок выполнения работы, результаты измерений.

6. Выводы.

 

Таблица 3 – Результаты измерения температуры фотопирометром

Положение регулятора	Температура, °С						Среднее значение, °С
	1	2	3	4	5	6
1
2
3

 

Лабораторная работа №2

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: