Термопары из благородных металлов имеют сравнительно низкую чувствительность к изменению температуры, но относительно высокую стоимость.

Термопары из неблагородных металлов, используемые для измерения более низких температур, составляют большую часть всех применяемых термопар. К нормированным относятся медь - константан (-250...+400° С); железо - константан (-250...+700° С); хромель-алюмель (-200...+1300° С). Наиболее распространены хромель-алюмеливые термопары, достаточно точные и устойчивые, со сравнительно линейной характеристикой. Однако они развивают меньшую термоЭДС, чем медь - константановые и железо - константановые термопары, и имеют ограниченное время использования при высоких температурах ввиду окисления при температуре вьппе 600° С. Приведенные диапазоны температур эксплуатации даны для воздушной среды. Для инертной среды используют термопары из других материалов, например, вольфрам-рениевые (выше 2000° С).

В отличие от термопар, с помощью которых можно измерять только разность температур, термометры сопротивления позволяют определить абсолютные значения температур, но при их использовании необходим вспомогательный источник напряжения. Линейность температурной характеристики существенно зависит от материала чувствительного элемента термометра, в качестве которого используют металлы и полупроводники. Наиболее известны металлические термометры сопротивления - медные (-50...+180° С), никелевые (-60... +180° С), платиновые (-220...+750° С), в нейтральной атмосфере 1000° С.

Пирометры реализуют бесконтактный метод измерения температуры, различие их типов позволяет охватить диапазон измерения температур -50...+3000° С при точности 1-2 %. Применение пирометров наиболее оправдано в следующих случаях: области высоких температур, где другие приборы не обладают требуемой термостойкостью; для измерения температуры труднодоступных, удаленных или движущихся объектов, чего невозможно достичь контактными термометрами. С помощью современных инфракрасных камер возможно получение изображения температурных полей различных объектов.

Для правильного выбора средства измерения температуры необходимо учитывать погрешности, обусловленные как этим средством и его соединительными и измерительньпи элементами, так и свойствами объектов измерения и окружающей среды. С учетом конкретных условий при использовании известных методов можно в большей или меньшей степени уменьшить погрешность измерения температуры.

Измерительные приборы и системы. Информация об измеряемом параметре, поступающая от датчика и преобразованная в электрический сигнал, обрабатывается прибором или системой для дальнейшего представления в заданном виде для анализа и принятия решений. Наибольшее значение имеют цифровые измерительные приборы (ЦИП), информационно-измерительные системы (ИИС) и измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) [22, 27, 48, 60, 84]. Развитие цифровой измерительной техники основано на широком использовании более совершенных алгоритмов цифровой и аналоговой обработки сигналов, новых физических принципов, возможностей современных средств микроэлектроники (микропроцессоров, в том числе и аналоговых, микро-ЭВМ, кодоуправляемых коммутаторов, аналоговых и кодовых интегральных измерительных функциональных преобразователей и

др.).

Цифровой измерительный прибор снабжен устройствами выборки и хранения информации на входе, а также различными видами памяти на выходе. Информационно-измерительная система освобождает оператора от регистрации и функций обработки результатов измерения. Каждая измеряемая величина преобразуется в датчике в унифицированную величину, обычно в напряжение, которое подается через коммутатор на цифровой измерительный прибор. Обработка результатов измерения выполняется вычислительньп устройством.

Измерительно-вычислительный комплекс как автоматизированное средство представляет собой программно-управляемую совокупность измерительных, вьгшслительных и вспомогательных устройств, предназначенную для контроля и испытания сложных объектов. ИВК включает устройства ввода программ (УПВ); программное управление большинством агрегатов комплекса; развитую систему отображения информации (СОИ - цифропечать, магнитная запись, аналого-цифровые отображения, мнемонические устройства, дисплеи и

др.).

Для современных ИИС характерен агрегатный или модульный принцип построения: объединение автономных цифровых измерительных приборов с приемниками и источниками информации в виде измерительных преобразователей, преобразователей аналог-код, счетчиков импульсов, устройств накопления, регистрации информации и управляющих устройств-контроллеров. Для этого все ЦИП и другие устройства должны обладать свойствами совместности - конструктивной, информационной, метрологической, энергетической, эксплуатационной. Устройства соединены между собой при помощи унифицированной системы взаимосвязи - интерфейса.

Гсии

, I

<1

Шина даннь1х

Анализ результатов

уСПР

<2.

Решения \ команды I

Рнс. 11.1.1. Ми1фопроцессорнш1 инфс

ионно-измерительши! система:

I - коммутатор; 2 - микроконтроллер, сбор и предварительная обработка данных; 3 - порт согласования и ввода данных; 4 - клавиатура; J - накопитель на гибких магнитных дисках; 6 - специализированные устройства ввода; 7- микровьпшслитель; 8 - рулонный графопостроитель; 9 - планшетный графопостроитель; 10 - дисплей; 11 - алфавитно-цифровое устройство; 12 - накопитель на гибких дисках; 13 - специализированные устройства ввода; 14 - блок исполнительных устройств; Д - датчик; СИД - система измерения данных; СОД - система обработки данных; СПР - система принятия решений

Современные ЦИП, ИИС и ИВК построены на базе микропроцессоров (МП) [44] -центральных арифметико-логических устройств на одном или нескольких кристаллах, каждый из которых может вьшолнять обработку информации под управлением программ. Современные тензометрические системы или устройства представляют собой автоматический комплекс аппаратных и программных средств для получения и обработки результатов измерения деформации и физических величин, характеризующих напряженно-деформированное состояние объекта (рис. 11.1.1). В зависимости от назначения возможны различные варианты приведенной структуры, когда те или иные структурные элементы отсутствуют или вводятся новые. Тенденции развития ИИС позволяют выделить два основных направления в построении их структур: с жесткими алгоритмами функционирования и программируемые.

В случае применения тензорезисторов при выборе измерительной цепи и параметров ее иcтoшикa электроснабжения следует учитывать: допустимую мощность рассеяния тен-

зорезисторов; число измерительных каналов; скорость изменения измеряемого процесса (статический или динамический процесс); длину измерительных линий; входное сопротивление измерительного прибора, подключаемого к выходу измерительной цепи и др. В многоканальных ИИС (особенно при удалении тензорезисторов на значительные и различные в каждом канале расстояния) следует отдать предпочтение электроснабжению измерительных цепей напряжением постоянного тока или постоянным током.

С тензорезисторами и тензористорными преобразователями, в основном, используются три вида измерительных цепей: потенциомет-рические, мостовые и компараторные. Выбор той или иной измерительной цепи и вида электроснабжения определяются: задачами, решаемыми ИИС; параметрами и условиями применения используемых тензорезисторов; электрическими схемами тензорезисторных преобразователей механических величин; характером распределения тензорезисторов по объекту и удалением их от измерительного прибора; характером влияния на погрешность

измерения элементов, составляющих измерительную цепь; параметрами входной цепи (сопротивление, емкость и др.) и измерительного прибора и т.д.

Современные ЦИП характеризуются: цифровыми измерителями линейных и угловых перемещений до 0,02 мкм и долей угловой секунды соответственно; цифровыми измерителями температуры, охватывающими диапазон температур -200...+2500° С (при этом цифровые кварцевые измерители температуры имеют разрешающую способность до 10 °С); цифровыми параметрами с диапазоном от десятков до 2000° С класса 0,05, высокого быстродействия с расстоянием до объекта до 30 м; АЦП двукратного интегрирования для тензометрии с коэффициентом подавления до 120 дБ как для первой, так и для высших гармоник сетевой частоты; цифровыми виброметрами, динамометрами, манометрами и др.

Среди хщфровых программируемых приборов широкое применение получили доггеры - портативные (масса не более 5 кг) микропроцессорные программируемые системы сбора, обработки, хранения и выдачи информации в цифровой форме. По информационным возможностям они близки к стационарным информационно-измерительным системам, многие из них способны работать в диалоговом режиме, выполняя в простейших случаях роль цифровой управляющей системы. Доггеры используют преимущественно для сигналов термо- и тензодатчиков, датчиков давления и других неэлектрических величин, сигналов постоянного и переменного напряжений. В качестве памяти в них служат миниатюрные кассетные магнитографы, их дисплеи построены на жидкокристаллических индикаторах и электронно-лучевых трубках.

Переносные микропроцессорные ИВК типа К537 и программируемые контролеры МикроДАТ по своим характеристикам близки к доггерам.

Интеллектуальные ИР1П позволяют достичь максимальной степени автоматизации измерений в экспериментальных исследованиях вследствие более гибкого осмысленного машинного учета всех априорных данных об измерениях и шумовых процессах, а также данных о технических возможностях подсистем ИИС. Характерными чертами этих ИИС являются: возможность свободного взаимодействия человека и компьютера (на естественных языках и образцах); восприятие и переработка измерительной и служебной информации не только на количественном, но и качественном уровнях; широкое использование методов обучения и самообучения, а также методов аналогий, процедур принятия решений, прогнозирования; возможность анализа больших цепочек причинно-следственных связей.

Глава 11.2

СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЬГГАНИЯ

НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

11.2.1. ОСОБЕННОСТИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Методы кратковременных статических прочностных испытаний при нормальных и повышенных до 1500 К температурах достаточно хорошо известны и освещены в литературных источниках [64], а также регламентированы стандартами (ГОСТ 9.910-88, ГОСТ 25.503-80, ГОСТ 25.506-85, ГОСТ 9651-84, ГОСТ 14019-80) на основные виды испытаний материалов при растяжении, сжатии, изгибе, кручении и др. В дальнейшем механические испытания тугоплавких материалов, проводимые в интервале 1500...3300 К, будут считаться высокотемпературными. При высокотемпературных испытаниях тугоплавких материалов для сопоставимости определяемых характеристик важно обеспечить соблюдение закона подобия механических испытаний в отношении формы и размеров образцов, одинаковых условий силового и теплового нагружения, учета влияния состава среды, способов нагрева и других факторов [3].

Прочностные свойства тугоплавких материалов вследствие их чувствительности к окислению на воздухе обычно определяют в вакууме (не менее 0,1 МПа, при натекании воздуха в вакуумную систему примерно 0,1...0,3 мкл/с) или инертной среде. В процессе кратковременных испытаний, когда в качестве защитной среды используют аргон, минимальные температурные выдержки (3...10 мин) приводят к небольшому поверхностному насыщению образцов остаточными газами из объема рабочей камеры и не оказывают заметного влияния на прочностные характеристики. Испытания сплавов ниобия и тантала вообще не желательно проводить в среде аргона или динамического вакуума (при натекании воздуха в вакуумную систему более 0,5 мкл/с). В некоторых случаях, при высокотемпературных механических испытаниях псевдосплавов тугоплавких материалов, содержащих легкоплавкую составляющую, необходимо регулировать интенсивность испарения, тогда в рабочей камере испытательной установки создают инертным газом избыточное давление 0,1... 10 МПа.

При проведении механических испытаний тугоплавких материалов применяют различные методы нагрева образцов: радиационный, электронно-лучевой, плазменный, ин-дук1щ0нный, непосредственным пропусканием тока через образец, комбинированный, с соответствующей комплектацией высокотемпературных установок.