книги / Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

9.1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГУЛИРОВКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

При повышении температуры на 10° С скорость процессов ста­ рения изоляции увеличивается примерно вдвое. Время термообра­ ботки при технологических процессах меняется также очень сильно при небольшом изменении температуры. Поэтому правильное измерение температуры имеет большое значение при испытаниях кабельных изделий в процессе технологической термообработки.

Для контроля градуировки термометров и других датчиков установлены определенные температуры (реперные точки) плав­ ления и кипения ряда химических веществ, приведенные для Р= 1,01325 • 105 Па ниже:

Практические диапазоны температуры, в которых могут быть использованы различные методы измерения, приведены в табл. 9.1.

Чаще других применяют ртутные термометры (техничес­ кие— ГОСТ 2823—73, лабораторные— ГОСТ 215—73). Диа­ пазон измеряемых температур от —30 до +600° С. Цена делений в зависимости от диапазона измерений изменяется от 0,1 до 10° С. Размер ртутного датчика составляет 7—8 мм.

Термометры сопротивления бывают с платиновыми (ТСП) и медными (ТСМ) датчиками (ГОСТ 6651—59). Диаметр

112

проволоки 0,1 мм, длина датчика примерно 100 мм. Медные датчики применяются при температуре от —50 до +180° С, платиновые— от —200 до +650° С.

Параметры стандартизованных термоэлектродов приведены в табл. 9.2.

Примечание. Три последних варианта могут применяться в качестве компен­ сационных проводов для электродов ТПП, ТХА и ТХК соответственно.

Компенсационные провода П, М и ХК предназначены для удлинения выводов от термоэлектродов. Их применяют при невысокой температуре. Они имеют термо-ЭДС, близкую к термо-ЭДС соответствующих термоэлектродов.

Для стандартизованных термоэлектродов имеются градуиро­ вочные стандартные таблицы. Допустимо применение нестандарт­ ных термоэлектродов, которые должны специально градуироваться.

При точных измерениях холодный спай термоэлектрода

Го=20°С); Т — температура при измерениях; R0 и Rt— со­

Следует учитывать, что значение коэффициента а0 зависит от выбора базовой температуры Г0. При Г0 = 20° С значение а0 для электротехнической меди М составляет 0,0043 1/°С.

Медные датчики обычно используются в области тем­ ператур от 0 до 100° С, а платиновые— от 0 до 500° С.

Датчики сопротивления могут быть включены в схему любого прибора, способного измерять электрическое сопротив­ ление, соответствующее сопротивлению датчика 0,01— 100 Ом.

Для повышения чувствительности можно применять тер­ морезисторы (болометры), однако их сопротивление нестабиль­ но во времени.

Вобласти очень высоких температур для измерения ин­ тенсивности теплового излучения применяют пирометры.

Вбольшинстве случаев при использовании различных

датчиков целесообразно производить градуировку приборов по тарированному прибору, в качестве которого часто приме­ няют термометры. Датчики двух приборов располагают ря­ дом в нагревающейся среде. Наилучшие результаты дают жидкостные ванны (с маслом, водой) или ванны с кварцевым песком.

При необходимости термоэлектроды можно изготовлять самостоятельно. Электросварку термоэлектродов можно произ­ водить, подводя напряжение (десятки вольт) между термоэлект­ родом и графитом или насыщенным раствором нашатыря. При сравнительно низких температурах измерения термоэлектроды можно паять сплавами на основе олова или твердыми припоями. Такие термоэлектроды необходимо обязательно градуировать.

Измерение ЭДС термоэлектродов необходимо производить с помощью потенциометров или милливольтметров с высоким входным сопротивлением. При этом ток через вольтметр не должен приводить к заметному падению напряжения на проводах термоэлектрода.

При исследованиях, связанных с измерением температуры, применяют термостаты. В тех случаях, когда не требуется весьма точное регулирование температуры, обычно использу­ ются термошкафы.

На рис. 9.1 показано устройство термошкафа. Снаружи внутреннего металлического корпуса 1 расположены электро­ нагреватели 2. Для уменьшения расхода электроэнергии тер­ мошкаф имеет термоизоляцию 3. Образцы 4 обычно рас­ полагают на специальных стеллажах. В верхнее вентиляционное отверстие 12 может быть установлен термометр 5, кроме того, внутри корпуса могут быть установлены термоэлектроды б. Передняя стенка выполнена в виде круглой дверцы 8. В задней стенке 9 установлен биметаллический стержень терморегуля­ тора 10, который управляется рукояткой 11.

В процессе работы терморегулятора температура меняется примерно на ±5° С от установленного значения. В верхней зоне термошкафа температура примерно на 20° С выше, чем в нижней. Поэтому датчики температуры 5 и б должны быть установлены непосредственно около образца. Для уменьшения разброса температуры в разных зонах в задней стенке можно

114

Рис. 9.1. Устройство термошкафа

сделать отверстие, в которое устанавливают вентилятор 7 с двигателем 13. При этом разность температур в разных

летучие вещества, для удаления которых предусмотрены ре­ гулируемые вентиляционные отверстия 12.

Для выполнения исследований, требующих точной установки температуры, применяют специальные термостаты. Например,

Точность регулирования температуры имеет большое значе­ ние как при испытаниях, так и при поддержании заданного режима термообработки изделий в технологических процессах. Обычно регулирование температуры осуществляют периодичес-

'ким включением и отключением нагревателей. График измене­ ния температуры показан на рис. 9.2.

Рис. 9.2. График изменения температуры при ее регулировке

115

Если температура выше установленного значения Ту, то нагреватели отключаются и установка охлаждается. Когда температура станет меньше Ту, нагреватели включаются и уста­ новка нагревается. При этом вследствие тепловой инерции колебания температуры от Ту2 до Ту1 неизбежны.

В точке 7, когда прибор отключает нагреватели, температура датчика и во всем рабочем пространстве продолжает увеличи­ ваться, так как нагреватели накопили дополнительный запас тепла. В точке 2, когда нагреватели включаются, температура датчика продолжает понижаться, так как тепловой поток от нагревателей не сразу достигает датчика. Чем сильнее запаздыва­ ние температуры датчика 10 (см. рис. 9.1) относительно темпера­ туры нагревателей 2, тем больше отклонения Ту1 и Ту2 от Ту.

Для уменьшения колебаний температуры часть нагреватель­ ных элементов включают постоянно, а терморегулятор упра­ вляет остальной частью нагревательных элементов.

В термошкафу, показанном на рис. 9.1, в качестве термо­ регулятора используют биметаллические стержни. В лаборатор­ ной практике находят применение контактные ртутные тер­ мометры. Однако в большинстве установок для регулирования температуры применяют электронные приборы. Обычно в ка­ честве датчика применяют термоэлектрод, а для регистрации записи и регулирования температуры используют автоматичес­ кий электронный потенциометр. Уменьшить колебания тем­ пературы при регулировании можно с использованием упреж­ дающего регулирования. При положительной производной температуры dTjdt отключение нагревателей происходит в точ­ ке 3, температура в которой равна Ту— АТ. При отрицательной производной dT/dt включение нагревателей производят в точ­ ке 4, температура в которой равна (7^+ДГ). Регулируя величину АТ можно добиться уменьшения диапазона ТУ1— Ту2.

9.2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ

ТЕМПЕРАТУРЫ

Под методической погрешностью мы будем считать раз­ ность температуры образца и датчика, при помощи которого измеряется температура. Рассмотрим случаи стационарного

инестационарного теплового режима.

Встационарном режиме температура не изменяется со временем. Здесь можно рассматривать варианты с вентиляцион­ ным обменом газов и без него. При отсутствии вентиляционно­ го обмена (отверстие 12 на рис. 9.1 закрыто) при достаточно интенсивной циркуляции воздуха в испытательной зоне термо­ шкафа (создается вентилятором 7) температура стенок / шкафа

ивоздуха будет одинаковой. В этом случае температура датчиков 5 и б будет равна температуре образцов 4.

116

При обмене газов (отверстие 12 открыто) в шкаф постоянно поступает некоторое количество холодного воздуха. При этом необходим приток тепла от стенок шкафа к воздуху, и тем­ пература стенок шкафа всегда будет выше температуры воздуха. Аналогичные условия создаются в различном тех­ нологическом оборудовании, например в печах эмель-агрегатов, стеклообмоточных машин, при спекании пленочной изоляции. Причем разность температуры между стенкой эмаль-печи и воздухом в камере печи может достигать 100° С и более.

Образец или датчик температуры Гоб будет иметь температуру ниже температуры стенки печи Гс, но выше температуры воздуха Тв. Температура воздуха Та, К, может быть вычислена из уравнения

где а — коэффициент теплопередачи между образцами и воз­ духом, Вт/(м2 -К); С0— постоянная излучения абсолютного черного тела, Вт/(м2 К4); еэ— эффективный коэффициент чер­ ноты поверхности образца:

где еоб и ес— коэффициенты черноты образца и стенки камеры термошкафа или печи; Fo6 и Fc— площади поверхности образца

аоб и датчика температуры ад будут разными. Различны также и коэффициенты черноты поверхности еоб и ед. Тогда в соот­ ветствии с (9.3) температуры образца и датчика будут не одинаковы. Для исключения этой погрешности необходимо по возможности устанавливать датчик непосредственно на образце. Для уменьшения погрешности измерения температуры следует подбирать одинаковые значения отношений коэффици­ ентов ос/еэ в уравнении (9.3) для образца и датчика температуры.

При нагревании образца током в открытой атмосфере датчик необходимо устанавливать непосредственно на образце. Так, при определении допустимого тока нагрузки кабеля термоэлектрод устанавливают на жиле кабеля. Здесь следует учитывать теплоотвод от термоэлектрода вдоль металлических проводов. Поэтому размер термоэлектрода (диаметр головки) должен быть много меньше диаметра жилы, а первый отрезок проводов около головки термоэлектрода должен быть уложен вдоль жилы (на длине, равной примерно 20 диаметрам проводников термоэлектрода). Тем не менее и в этом случае при цельнометаллических жилах температура термоэлектрода на 1—3° С меньше температуры жилы (при общем перепаде

117

температуры 30—50° С). Эта погрешность существенно уменьша­ ется при установке термоэлектрода между проволоками многопро­ волочных жил в глубине жилы. При установке термоэлектродов на поверхности кабеля следует выполнять такие же рекомендации.

При измерениях в нестационарном режиме методические погрешности могут быть особенно велики. Рассмотрим случай нагревания термошкафа (см. рис. 9.1) с постоянной скоростью. Воздух нагревается до температуры

где 0 = CSB; C—cG; <SB=l/(aF); с— удельная теплоемкость тела, Дж/(кг*К); G—масса тела, кг; a — коэффициент теплопередачи между поверхностью тела и воздухом; F— поверхность тела.

Поскольку значения с, a, F для датчика и образца различны, то АТ для них будет различной и температура датчика будет отличаться от температуры исследуемого образца. При таком режиме нагревания необходимо устанавливать термоэлектрод непосредственно в образце. Однако и при такой установке погрешности могут возникнуть вследствие различия коэффици­ ентов температуропроводности материала датчика и образца. Для оценки возможных погрешностей необходимы решения уравнения теплопроводности в нестационарном режиме для каждого конкретного случая.

Для точных измерений необходимо задерживать процесс нагревания при заданной температуре. Время выдержки при постоянной температуре должно быть не менее 30.

9.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМОГО ТОКА НАГРУЗКИ

Для определения допустимого тока нагрузки необходимо измерить температуру жилы кабеля или провода при заданном токе нагрузки. Ток нагрузки при испытаниях выбирается приближенно равным допустимому току нагрузки. Последний предварительно оценивается по данным, имеющимся для кабелей подобных конструкций и условий прокладки.

Сначала измеряют температуру Та при выбранном токе нагрузки /а. Если Та меньше допустимой температуры Т тах для данной конструкций кабеля, то второе испытание проводят при увеличенном токе /б, которому будет соответствовать температура Тб, по значению больше Ттах. Допустимый ток нагрузки 1тах находят линейной интерполяцией

118

Температура жилы измеряется термоэлектродами или по изменению электрического сопротивления жилы. Особенности установки термоэлектродов были рассмотрены в § 9.2. Измерение сопротивления жил можно производить методом вольтметраамперметра. Этот метод удобен при измерениях в нестационар­ ном режиме и будет подробнее рассмотрен в § 9.4 при описании измерения теплопроводности изоляции обмоточных проводов.

При измерениях сопротивления жил удобно пользоваться методом двойного моста (см. гл. 2). Сначала производят измерение сопротивления жилы при комнатной температуре. Для этого кабель должен быть длительно выдержан при постоянной комнатной температуре, а ток при измерениях 1Х не должен превышать 0,1 1тах. В этом случае мост должен обладать наивысшей чувствительностью, и измерение нужно

(9.8)

Т К р \*20

*i

Ц -7’АГр(7’1—20)’

где Яя и R x— сопротивления жилы измеряемого отрезка кабеля

при температурах Га и Тх\ ТК р— средний температурный коэффициент сопротивления металла жилы 1/°С при 20° С [см. (2.1)].

При измерениях температуры жилы возникают методические погрешности, связанные с тем, что температура жилы на концах кабеля отличается от температуры жилы в середине кабеля. Наиболее сильный «концевой эффект» возникает, если температура на концах кабеля равна температуре окружающей среды. Для этого случая влияние концевого эффекта рас­ считывается по формулам соответственно при измерении термоэлектродом в средине отрезка кабеля и по изменению электрического сопротивления жилы:

119

и окружающей средой.

Длина кабеля / при испытаниях должна быть выбрана таким образом, чтобы отношения температур в (9.9) и (9.10) не выходили за пределы допустимых погрешностей.

Значения Sc для . одножильного и трехжильного кабелей

Если установить термоэлектроды на внутренней и внешней поверхностях изоляции кабеля (радиусы г1 и г2), то по результатам измерений в установившемся тепловом режиме

При установке термоэлектродов на поверхности кабеля можно определить коэффициент теплопередачи а от поверх­ ности кабеля к окружающему воздуху (или жидкости), име­

9.4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

Методы измерения теплофизических характеристик матери­

120