2.10 Измерение тепловых параметров

Необходимость измерения тепловых параметров возникает при исследовании тепловых режимов электрических аппаратов или отдельных их элементов, испытаниях на нагрев в номинальном режиме и термическую стойкость. Результаты этих исследований и испытаний чрезвычайно важны, поскольку определяют правильность выбираемых конструкторских решений в процессе ОКР, качество токоведущих частей выпускаемых аппаратов. Поэтому измерениям тепловых параметров (главным образом температуры) уделяется большое внимание.

Основными объектами температурных измерений являются токоведущие шины, контактные соединения, коммутирующие контакты, изоляционные детали и т.д. Пределы измеряемых температур относительно невелики, от 0 до 300С, однако наряду со стационарными процессами в электрических аппаратах имеют место и нестационарные (квазистационарные) процессы, исследование которых требует специальных измерительных средств. Могут быть также и условия, когда измерения температур должны проводиться дистанционно. Все это предопределяет множество измерительных приборов и методик измерения температур.

По способу восприятия температуры от нагретого тела все измерительные приборы можно условно разделить на два типа: контактные и бесконтактные. К контактной группе относятся:

Термометры жидкостные (ртутные и не ртутные). Обычно это визуальные приборы, однако допускают и дистанционную передачу сигнала, если применять датчики-преобразователи измерения уровня жидкости в капиллярах или трубках (например, емкостные преобразователи). Жидкостные термометры применяются, главным образом, для измерения температуры помещений, где проводятся испытания. Для измерения температуры токоведущих частей использовать жидкостные термометры затруднительно из-за плохого контакта с поверхностью твердого тела.

Манометрические термометры (газовые, паровые) осуществляют преобразование теплового расширения в деформацию упругих элементов. Область использования практически та же, что и у жидкостных термометров.

Термометры сопротивления, основным элементом которых является терморезистор, изготавливаемый из материалов, имеющих относительно большой температурный коэффициент сопротивления. Таким образом, сопротивление терморезистора значительно изменяется при изменении его температуры. Существуют терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и положительным (позисторы). Основным достоинством термометров сопротивления являются малые габариты, малая инерционность, высокая чувствительность и др. К недостаткам следует отнести: нелинейность температурной характеристики, большой разброс температурного коэффициента сопротивления для одной партии и др.

Термоэлектрические термометры, основным элементом которых является так называемая термопара. Она представляет собой два разнородных проводника, соединенных сваркой или пайкой. При нагреве термопары в результате термоэлектрического эффекта между проводниками возникает термо-ЭДС, пропорциональная температуре ее нагрева. Наиболее широкое распространение получили такие пары проводников: хромель-алюмель, хромель-копель, медь-константан. Наиболее высокой чувствительностью обладают хромель-копелевые термопары (0,08 мВ/К).

Схема измерения температуры с помощью термопар, представлена на рис. Одну из термопар помещают на исследуемый объект (горячий спай), вторую (холодный спай) помещают в среду с заранее известной температурой. Чаще всего такой средой является сосуд, в котором находится смесь льда с водой, температура которого составляет 0С. При этом, термо-ЭДС будет пропорциональна разности , в данном случае температуре по Цельсию исследуемого объекта. Выходной сигнал, т.е. термо-ЭДС через усилитель постоянного тока подается на регистрирующий прибор с большим входным сопротивлением (цифровой вольтметр, осциллограф). К достоинствам термоэлектрических термометров можно отнести линейность характеристики, высокую чувствительность, не требуется источник питания. Основным их недостатком является малая мощность выходного сигнала, поэтому необходимо использование усилителей постоянного тока.

Существует также большое разнообразие бесконтактных методов измерения температуры. Они основываются на анализе физических характеристик электромагнитного излучения, генерируемого нагретыми телами. Чувствительными к температуре параметрами являются интегральная (полная) энергия электромагнитного излучения и спектральное распределение его плотности. В энергетических пирометрах используется принцип измерения температуры по интегральному излучению, который основан на регистрации энергии, излучаемой некоторой площадкой. Существует два основных класса энергетических пирометров:

• радиационные, основанные на зависимости энергии излучения от температуры, описываемой законом Стефана-Больцмана;

• яркостные, основанные на зависимости спектральной яркости от температуры в соответствии с законами Планка и Вина.

Действие спектральных пирометров основано на интенсивности излучения в различных спектральных диапазонах.

Существенными достоинствами и энергетических и спектральных пирометров являются:

1. возможность измерения высоких температур (например, температурные характеристики ствола электрической дуги);

2. возможность изучения быстропротекающих тепловых процессов, т.к. в отличие от рассмотренных выше датчиков температуры, практически безынерционны.

3. Возможность определения полного температурного поля всего объекта и его визуального наблюдения (тепловизоры). С 1998 г. в России в практику испытаний электрооборудования внедряется т.н. тепловизионная диагностика. Использование технических средств тепловизионной диагностики позволяет очень быстро обнаруживать большое количество дефектов, вызывающих изменение температуры и интенсивности инфракрасного излучения. Причем, тепловизионная диагностика позволяет решать такие задачи, которые без нее были бы невозможны:

• массовое обследование огромного объема электрооборудования одной бригадой из трех человек с одной тепловизионной камерой за период подготовки к осенне-зимнему максимуму нагрузки;

• выявление значительного количества аппаратов, находящихся в предаварийном состоянии (дефектные контактные соединения, трансформаторы тока, конденсаторы связи, вентильные разрядники и ограничители перенапряжений);

• выявление таких дефектов, которые не могут быть выявлены никакими другими методами, например, местный перегрев конструктивных элементов баков силовых трансформаторов, нагрев соединительных болтов в поддерживающих металлических конструкциях шинопроводов или перегрузки отдельных элементов вентильных разрядников 110 кВ и выше

Недостатками энергетических и спектральных пирометров являются относительно высокие погрешности, поэтому они непригодны для точных измерений температур и применяются, главным образом, для качественной оценки температур и температурных полей.