3.Випробування з визначення неелектричних величин

3.1 Вимірювання температури

 

Під час випробувань застосовуються два різних види термоперетво­рювачів – з лінійною та різко нелінійною характеристикою “вхід-вихід” у зоні допустимих температур. Перші використовуються для безперервного вимірювання температури (temperature measurement) або перевищення температури над температурою навколишнього середовища, а інші – для реєстрування факту перевищення температури окремих частин машин більше допустимого значення.

Для отримання достовірних результатів необхідно попередньо знати приблизну картину теплового поля електричної машини або трансформа­тора, щоб правильно встановити давачі температури.

До вимірювань температури ставляться такі технічні вимоги:

– можливість вимірювань в потрібних точках під час різних теплових режимів роботи;

– внесення мінімальних порушень у теплове коло під час вимірювань;

– можливість виконання дистанційних вимірювань, переважно методами безпосереднього оцінювання;

– незалежність результатів вимірювань від вібрації, електромагніт­них полів та умов навколишнього середовища;

– висока точність вимірювань;

– можливість використання для вимірювань температури простої та стандартної апаратури.

Відповідно до вказаних вимог розглянемо різні методи та способи вимірювання температури.

Температуру окремих частин машини та охолоджувальних середовищ відповідно до нормативних, можна вимірювати методами термопари, опору, закладання давачів температури до вбудованих давачів температури.

Метод термопари. У цьому методі термоперетворювач давача температури прикладається до доступних поверхонь зібраної електричної машини. Як термоперетворювач давача можна використовувати термометр розширення, термопару, термометр опору або терморезистор (temperature-sensitive resistor; thermistor). Результат вимірювання показує температуру поверхні в точці прикладання давача температури. Термометри розширення використовуються в основному для вимірювання температури охолоджувальних рідин та газів. При цьому не потрібно використовувати ртутний термометр для вимірювання температури тих частин машини, де є змінні магнітні поля, оскільки змінні магнітні поля наводять у ртуті вихрові струми, які нагрівають її, а це призводить до неправильних показів.

Метод опору дає середнє значення температури обмотки. Перевищення температури обмотки понад температуру охолоджувального середовища визначається за формулою [16]:

 

,                                        (3.1)

 

         де  – опори обмотки в гарячому та холодному станах, Ом;

         * – величина зворотна температурному коефіцієнту опору для 0°С ( для мідної обмотки та 245 для обмотки з алюмінію);

          – температура обмотки в практично холодному стані, 0°С;

          – температура охолоджувального середовища, 0°С.

Для покращення точності результатів вимірювання опору обмоток в холодному та гарячому станах, необхідно використовувати одні й ті самі прилади.

Метод закладених давачів температури застосовується для визначення температури обмотки або активної сталі. Зазвичай встановлюють не менше шістьох давачів, які рівномірно розташовують по колу машини у тих точках обмотки у осьовому направленні пазів, в яких очікують найбільші значення температури. Кожний давач повинен торкатися безпосередньо поверхні, температуру якої необхідно виміряти, та повинен бути захищений від впливу охолоджувального середовища. Як термоперетворювачі давачів використовують термопари, термометри опору або терморезистори.

Температуру в місці закладання термопари потрібно визначити за її характеристикою градуювання. Холодний спай термопари повинен бути захищений від швидких змін температури навколишнього середовища. При наявності однієї-двох термопар ЕРС вимірюється  мілівольтметром з діапазоном вимірювань 3¸10 мВ та внутрішнім опором не менше 25 Ом/мВ. Для усунення методичної похибки (врахування опору термопари) потрібно вводити поправку на покази мілівольтметра за формулою:

 

,                                              (3.2)

 

         де – дійсне значення ЕРС термопари, мВ;

          – виміряне значення ЕРС, мВ;

          – внутрішній опір мілівольтметра та опір термопари.

При більшій кількості термопар, як правило, застосовують компенсаційний метод вимірювань. Температуру в місці закладання термометрів опору визначають вимірюванням опору термометра містком або спеціальним логометром. Перевищення температури приймають рівним найбільшому вимірюваному значенню.

Метод вбудованих давачів температури. Під час використання цього методу, давачі (термопари, термометри опору або терморезистори) встановлюють в електричну машину тільки під час випробувань. Місце встановлення – лобові частини обмотки або між окремими листами активної сталі на глибину не менше 5 мм від її поверхні. Крім того, давачі можуть встановлюватися у інших доступних точках машини, в яких очікується найбільше перевищення температури.

Характеристики термоперетворювачів. Термопари використовують явище термоелектрики. Для промислових термопар використовуються такі матеріали термоелектродів [16]:

- термопара типу ТПП: платинородій (10% родію) – платина;

- термопара типу ТПР: платинородій (30% родію) – платина;

- термопара типу ТХА: хромель - алюмель;

- термопара типу ТХК: хромель - копель.

Діапазон вимірювання температури під час тривалого використання термопар складає для:

- ТПП: від –20 до + 1300°С;

- ТПР: від +300 до + 600°С;

- ТХА: від –50 до + 1000°С;

- ТХК: від –50 до + 600°С.

Значення термо-ЕРС, яка розвивається термопарами за температури "гарячого" спаю 0°С складає:

- для термопари типу ТПП – 0,64 мВ;

- для термопари типу ТХА – 4,1 мВ;

- для термопари ТХК – 6,9 мВ.

Для вимірювання температур нижчих за –50°С застосовуються термопари мідь-констактан (до –270°С) та мідь-копель (до –200°С).

Зауважимо, що термопара вимірює не температуру місця установлення спаю, а перевищення цієї температури над температурою протилежної пари електродів, до яких під’єднується вимірювальний прилад, тому під час проведення вимірювань необхідно знати температуру в місці установлення "холодного" спаю або застосовувати в давачі компенсатор температури "холодного" спаю.

Термометри опору належать до найбільш точних перетворювачів температури. Платинові термометри опору дозволяють вимірювати температуру з похибкою 0,001°С. Для вимірювання температури використовуються метали (платина, мідь), які мають високостабільний температурний коефіцієнт опору (ТКО) та лінійну залежність опору від температури.

Промислові платинові термопари опору використовуються в діапазоні температур від –200 до +650°С, міді – від –50 до +200°С. Величина ТКО в діапазоні температур від 0 до 100°С для платини складає 0,0039, для міді – 0,00427 К-1.

Промислові платинові термопари мають опір 10,46 та 100 Ом при 0°С; мідні – 53 та 100 Ом. Збільшення температури чутливого елементу термометра, який розташований в талому льоду, за рахунок нагрівання вимірювальним струмом не повинно перевищувати 0,2°С для платинових термометрів і 0,4°С для мідних з потужністю розсіювання в термометрі 10 мВт.

Терморезистори бувають металеві та напівпровідникові. Крім платини та міді для виготовлення терморезисторів використовують нікель та вольфрам. ТКО нікелю в діапазоні температур від 0 до 100°С складає 0,0069, вольфраму – 0,0048 К-1.

Основною перевагою нікелю є його відносно високий питомий опір, який має лінійну залежність від температури тільки до +100°С. Мідні та нікелеві терморезистори випускають з литого мікропроводу в скляній ізоляції. Мікропроводові терморезистори герметизовані, високостабільні, мало інерційні та за малих габаритів можуть мати опір близько десятків кОм. Для низькотемпературних вимірювань використовують індієві, германієві та вугільні терморезистори.

Напівпровідникові терморезистори відрізняються від металевих меншими габаритами. Їх ТКО має від’ємне значення й зменшується обернено пропорційно квадрату абсолютної температури. Для температури 20°С величина ТКО складає 0,02¸0,08 К-1, що на порядок вище, ніж в металевих терморезисторах. Напівпровідникові терморезистори випускаються у великому асортименті та мають номінальні опори для 20°С від 0,3 до 3300 кОм. Діапазон робочих температур різних терморезисторів складає від –100 до +300°С. Точність вимірювання температури за допомогою напівпровідникових терморезисторів близька до точності вимірювання металевими терморезисторами з дотриманими термінами їх повірки.

Розроблені терморезистори з додатним значенням ТКО на базі сегметоелементів, які різко змінюють свій опір за малих змін температури. Такі терморезистори знайшли застосування в пристроях захисту електричних машин від перегріву. З їх допомогою перевіряють перевищення допустимих температур. Критична температура, за якої починається різке зростання опору, складає для різних напівпровідникових терморезисторів з додатним значенням ТКО від +70 до +150°С.

Інерційність термопар і термометрів характеризується їх постійною часу. Розрізняють термопари й термометри опору малоінерційні (постійна часу менша або дорівнює 40 с для термопари та 9 с для термометра), середньої інерційності (постійні часу відповідно 60 с та 80 с); великої інерційності (з постійними часу до 3,5 та 4,0 хв) і ненормованої інерційності.

Окрему групу складають вимірювачі разової дії, до яких належать теплочутливі фарби й легкоплавкі метали. Ці вимірювачі дозволяють лише дати відповідь на запитання, перевищує температура, що вимірюється, допустиму чи ні. Якщо температура перевищує допустиму, то теплочутлива фарба змінює свій початковий колір, а металевий запобіжник плавиться, порушує контакт у колі вимірювання та сигналізує про недопустиме перевищення температури.