Испытание на Теплоустойчивость

ИСПЫТАНИЯ НА ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ

Целью испытаний на Теплоустойчивость является определение способности изделий сохранять свои параметры в условиях воздействия повышенной температуры.

Процесс (метод) проведения испытаний. Различают испытания при длительном и кратковременном воздействиях. Перед проведением испытаний производится внешний осмотр и проверка механических свойств изделия, а также измерение его электрических параметров в соответствии с указаниями в методике испытаний.

Перед ‚проведением испытаний следует проверить, обеспечивает ли камера тепла поддержание заданного значения температуры в любой точке объема с требуемой точностью, после чего подготовляют камеру тепла и контрольно-измерительную аппаратуру для испытаний. Подготовка камеры существенно зависит от того, должны ли изделия испытываться под электрической нагрузкой, т. е. в рабочем состоянии или без нее. При испытаниях в рабочем состоянии необходимо обеспечить подведение к изделиям, находящимся в камере, питающих напряжений, а также подключение к ним всех необходимых измерительных приборов и эквивалентов нагрузки для контроля параметров. Величины питающих напряжений и контролируемых параметров отовариваются в ТУ, ПИ и :В методике испытаний. Располагая в камере тепла несколько изделий для испытаний, необходимо исключить воздействие теплового поля одного изделия на другое. В некоторых случаях, специально оговоренных в ТУ, ПИ или методике, изделия механически закрепляют в камере.

 Таблица 3-1

Изделия помещают в камеру и устанавливают в ней температуру, предусмотренную ТУ, ПИ или методикой и соответствующую определенной степени жесткости испытания (табл. 3-1). При выборе степени жесткости необходимо исходить из суммарных предельных температур, действующих на изделие. Очевидно, что температурные экстремумы определяются как климатическими и внешними техническими факторами, так и внутренними источниками тепла. Поэтому при испытаниях необходимо учитывать  суммарный эффект от воздействия всех действующих температур. При определении суммарной температуры изделий, которые должны испытываться в рабочем состоянии, следует исключать влияние внутреннего нагрева.

Возможно два варианта проведения испытаний изделий в рабочем состоянии. В первом варианте питание и электрическая нагрузка включены на все время испытаний и периодически производят измерения параметров.

Во втором варианте изделие находится в камере в выключенном состоянии и включается только на время измерения параметров. Измерение параметров рекомендуется производить не ранее, чем через 10—15 мин после включения и их продолжительность не должна превышать 15 мин. Если измерение параметров изделия внутри камеры оказывается невыполнимым, то допускается изъятие изделий из камеры, но не более, чем на 3 мин (если это время специально не оговорено в ТУ, ПИ или методике).

Продолжительность испытаний определяется ТУ, ПИ или методикой.

При длительном воздействии тепла продолжительность зависит от режима испытаний. В номинальном электрическом и тепловом режимах продолжительность может быть равна долговечности или заданному числу часов работы изделия. В форсированных электрических и тепловых режимах продолжительность соответственно сокращается (ускоренные и граничные испытания, испытания на повреждающую нагрузку). По истечении периода испытаний изделие извлекается из камеры. Далее следует период восстановления, когда изделие выдерживается в нормальных атмосферных условиях. Период восстановления определяется временем, необходимым для приобретения изделием нормальной температуры. Он может составлять от 1—2 до 4—6 ч. В заключение проверяют внешний вид, механические свойства изделия и производят измерения электрических параметров. При проверке внешнего вида обращают внимание на изменение цвета, вид защитных покрытий, состояние сопрягаемых деталей и др.

Если после испытаний указанные выше свойства и параметры удовлетворяют требованиям, установленным в ТУ, ПИ или методике, то изделие считается выдержавшим испытание.

Следует помнить, что отклонение от методики испытаний недопустимо.

Испытания изделий на теплоустойчивость при кратковременном воздействии имеют целью определить устойчивость параметров изделий в условиях повышенной температуры. Методика их проведения отличается от рассмотренной выше тем, что изделия выдерживаются в камере в течение времени, необходимого для их прогрева по всему объему. Это время может составлять от 0,5 до 6 ч. Оно указывается в ТУ, ПИ или методике.

Испытательное и контрольно-измерительное оборудование. Для испытаний на теплоустойчивость применяют специальные камеры тепла или комбинированные камеры: термобарокамеры, термовлагокамеры. Нагрев камер может осуществляться подачей нагретого воздуха непосредственно в полезный объем или путем обеспечения циркуляции теплоносителя (воздуха) внутри металлической рубашки камеры, окружающей полезный объем. Скорость перемещения воздуха в камерах тепла не должна превышать 5 м/сек. Камера тепла Должна обеспечивать непрерывную работу в заданных режимах в течение неограниченного времени. Обеспечение равномерной температуры по объему термокамеры достигается размещением нагревательных элементов на дне и стенках камеры, а по возможности и в двери камеры.

Постоянство температуры в камере достигается автоматическим включением или отключением части нагревательных элементов в зависимости от изменения температуры. Поскольку температура в термокамере не может быть одинаковой во всем объеме, то рекомендуется термочувствительный элемент располагать возможно ближе к испытываемому изделию. Учитывая, что действие тепла обычно бывает совмещено с действием влаги или давления, в большинстве случаев выпускают камеры комбинированного действия: термобарокамеры, термовлагокамеры и термобаровлагакамеры, причем некоторые из указанных камер бывают рассчитаны на получение как высокой, так и низкой температуры.

Современными установками, позволяющими получить низкие и высокие температуры с одновременным понижением давления в рабочем объеме, являются термобарокамеры МПС 500 У, МПС 1 ООО У, выпускаемые народным предприятием «Нема» ГДР. Число, стоящее вслед за обозначением типа, означает полезный объем камеры в литрах (дж3), а индекс У — что в данной ка-мере, кроме тепла и холода, можно получить пониженное давление.

Испытательная камера 1 установки типа МПС (рис. 3-1) имеет форму лежащего цилиндра со сводчатым дном. На торцевой передней стороне камеры имеется одностворчатая дверь 47 с запорами, через которую загружают испытываемые изделия. В двери имеется многослойное стеклянное окно для наблюдения рабочего пространства камеры. Между стеклами окна в двери помещают силикагель для исключения запотевания. Влага из самой камеры удаляется также с помощью силикагеля, помещенного в сушильные желоба. Для подключения электрических проводов на внешнем кожухе находятся два кабельных прохода. Внутри рабочего пространства камеры имеется буксовая плита для подключения 32 измерительных проводов. В камере имеется освещение.

Повышение температуры в установке достигается с помощью злектрокалориферов, расположенных под полом рабочей камеры. Для контроля и регистрации температуры имеются два датчика температуры: один для самописца, а другой для контактного регулятора температуры. Равномерная температура в камере достигается за счет принудительной циркуляции, обеспечиваемой вентилятором и правильным расположением направляющих перегородок, а также отверстий для входа и выхода воздуха. Камеры рассматриваемого типа предназначены также для получения низких температур косвенным способом охлаждения при помощи многоступенчатого компрессорного холодильного агрегата.

1 – испытательная камера; 2— испаритель; 3 — отделитель; 4 — впрыскивающий агрегат; 5— заслонка; 6 — впрыскивающая форсунка; 7 — фильтр; 8 — маслосборник; 9, 10 и 11  — компрессоры низкого, среднего и высокого давления; 12—маслоотделитель высокого давления; 13 и 14 — пароохладители низкого и среднего давления; 15—конденсатор; 16—маслоотделитель низкого и среднего давления; 17 — масловозвратный вентиль; 18 — всасывающий фильтр; 19 — сушильный патрон; 20 — регулятор охлаждающей воды; 21 — вакуумный насос; 22 — фильтр сухого воздуха; 23—28, 30, 31 — мановакуумметры; 29 — самописец вакуума; 32—манометр давления масла; 33 — всасывающий запорный вентиль; 34 — нагнетательный запорный вентиль; 35 — запорный вентиль манометра; 36, 37, 39, 41 — угловой запорный вентиль; 38—задвижка с раструбами; —запорный вентиль; 42 — дроссель; 43, 44 — краны для выпуска воздуха и воды; 45 — перепускной клапан; 46 — устройство для распределения масла; 47 — дверь камеры.

Принцип действия компрессорной холодильной установки основан на сильном сжатии газа фреона (СF2Сl2) в одной части системы и быстром расширении в другой. Охлаждающий агент — фреон в установках данного типа может использоваться продолжительное время, так как он существует в замкнутой системе. Поскольку одноступенчатый холодильный агрегат не обеспечивает достаточного понижения температуры в камере, то в термобарокамере типа МПС предусмотрен трехступенчатый, агрегат, состоящий из двух компрессоров 9 низкого давления и двух компрессоров 10 и 11 соответственно среднего и высокого давления.

После первого повышения давления газа фреона в компрессорах 9 он через левый маслоотделитель 16 поступает в переохладитель низкого давления 13. Масло, собирающееся в маслоотделителе низкого давления 16 через масловозвратный вентиль 17, возвращается в картер компрессоров низкого давления 9. Масло из переохладителя 13 через угловой запорный вентиль 39 поступает в рабочий объем компрессора. Дальнейшее повышение давления достигается компрессором среднего давления 10, в который пары фреона отсасываются из переохладителя 13 через всасывающий фильтр 18. После второго повышения давления пары фреона через правый маслоотделитель 16, переохладитель среднего давления 14 и всасывающий фильтр 18 отсасываются компрессором высокого давления 11.

Под действием компрессоров высокого давления пары фреона нагнетаются в маслоотделитель 12, из которого через угловой запорный вентиль 41 поступают в конденсатор 15, где с. помощью охлаждающей воды они сжижаются. Количество воды, поступающей для охлаждения конденсатора и двух переохладителей, регулируется автоматически водорегулирующим вентилем регулятора 20 в зависимости от давления сжатия пара фреона. Жидкий фреон из конденсатора 15 через угловой запорный вентиль 37, сушильный патрон 19 и жид-

костный фильтр 7 попадает в автоматический впрыскивающий агрегат 4, расположенный на задней стенке камеры и состоящий из поплавкового вентиля высокого давления, а также впрыскивающих форсунок 6. При вспрыскивании часть жидкого фреона разрежается до давления испарения, а часть охлаждается и поступает в каскадный испаритель 2, где испаряется. Для дополнительного охлаждения жидкого фреона, подводимого от сушильного патрона 19 к жидкостному фильтру 7, его пропускают по специальному трубопроводу через отделитель жидкости 5.

Холодные пары фреона из испарителя 2 отсасываются компрессорами низкого давления через отделитель жидкости 3, в котором улавливаются захваченные парами частицы жидкого фреона. Таким образом осуществляется циркуляция хладоагента в системе охлаждения.

Для испытания изделий при пониженном давлении негерметичная рабочая камера установки преобразуется в вакуум-котел. При этом к лицевой стороне камеры с помощью ходового механизма подкатывается днище, которое своим выступом равномерно прилегает к рези-новой прокладке, расположенной на торце корпуса камеры. Движение тележки прекращается в тот момент, когда выступ днища приходит в соприкосновение с прокладкой и срабатывают два концевых выключателя, установленные на ходовом механизме.

Понижение давления в камере достигается вакуумной установкой, состоящей из двух насосов 21, которые воздухопроводом соединяются с вакуум-котлом (камерон) . К воздухопроводу присоединен сушильный фильтр 22, заполненный силикагелем и снабженный электрическим калорифером. После окончания испытаний под вакуумом в котел через воздушные фильтры медленно подается воздух.

Управление, сигнализация и контроль состояния установки сосредоточены на специальном электрораспределительном пульте (рис. 3-2), позволяющем выполнить все работы вручную или автоматически. Автоматическое поддержание режима работы термобарокамеры основано на взаимодействии контактных манометров и термометров, устанавливаемых соответственно на заданные давление и температуру с программными часами и исполнительным механизмом.

Программные часы позволяют устанавливать любые режимы изменения температуры в пределах технических возможностей рассматриваемой установки.

Помимо указанных приборов, на пульте расположены манометры, указывающие давление в испарителе и в нагнетательной стороне компрессора; измерители вакуума; электроизмерительные приборы сети электропитания, а также самописцы, регистрирующие температуру и вакуум в камере. Самописцы позволяют записать изменения параметров на ленте.

Рис. 3-2. Пульт управления термобарокамерой.

КМI— контактный манометр давления в конденсаторе; КМII — контактный манометр переохладителя средней ступени; КВ — контактный мановакуумметр; МIII — манометр давления переохладителя низкой ступени; МIV—манометр давления испарителя; СВ, СТ — самописцы давления и температуры; СС — светящаяся схема термобарометра; А—амперметр; В — вольтметр; ПР — предохранитель; УКI, УКII— датчики программы; КПIII — кнопка возврата; ГВ — общий рубильник; В1 — кнопка включения автоматики; В2 — кнопка включения света в камере; ВЗ, В4, В5 и В6 — кнопки включения компрессоров низкого, среднего и высокого давления; В7 — соединительный выключатель компрессоров низкого давления; В8, В10 — кнопка включения вентилятора ка-меры; В9 и В14 — кнопки включения калориферов; В15 — кнопки включения вакуумного насоса; В16 — кнопка включения подогрева воздуха в патроне с силикагелем; ВП — переключатель «охлаждение—подогрев» ; В12 — переключатель «вручную—автоматика»; ВП — буксовая плита для подключения проверяемых приборов в камере; КРТ — контактный терморегулятор; В13 — кнопка включения самописцев; КнВ — кнопка открытия (левая) и закрытия (правая) дверей.

Ручное управление осуществляется при отключенных программных часах. Следует отметить, что холодильная система установки может работать как при применении в качестве хладоагента фреона-22, так и фреона-12.

Технические данные термобарокамер типа МПС:

1.Диапазоны температур:

от +100 до —70° С при употреблении «Ф-22»;

от +100° С до —65° С при употреблении «Ф-12».

2. Диапазон давления от 760 мм рт. ст. до 3—4 мм рт. ст.

3. Время охлаждения от 1 + 20 до —70° С около 2—3 ч.

4. Скорость изменения температуры при охлаждении 0,5°/мин.

5. Время нагревания от —70 до +100° С около 1—3 ч.

6. Скорость изменения температуры при нагреве 2°/мин.

7. Точность поддержания температуры в камере 1,5—2° С.

8. Время достижения вакуума 3—4 мм рт. ст. примерно через 0,5 ч.

Все данные о временах охлаждения и нагревания относятся к эксплуатации камеры при нормальном атмосферном давлении при применении в качестве хладоагента фреона-22 и при условии, что термическое влияние испытываемых изделий не учитывается. При употреблении фреона-12 все названные данные соответственно уменьшаются.

Питание установки осуществляется трехфазным током, частотой 50 Гц, напряжением 380 в. Потребляемая мощность зависит от рабочего объема камеры.

Другим видом комбинированных камер являются тепловлагокамеры. Тепловлагокамеры типа ТВ К (рис. 3-3) выполнены в виде шкафа прямоугольной формы, наружный и внутренний кожух которого сделан из листовой стали. Пространство между кожухами заполнено теплоизоляцией. Загрузку изделий в камеру производят через дверь со смотровым окном, имеющим тройные стекла. Камера ТВК-2 позволяет подводить к испытываемым изделиям от внешних источников испытательные напряжения в режиме тепла от 3 до 300 в постоянного тока или от 3 до 2 000 в переменного тока, а в режиме влажности — от 36 до 1 000 в постоянного тока или от 36 до 600 в переменного тока. Для этой цели на левой стенке расположены 36 электродов.

Получение необходимой температуры в камере 1 достигается с помощью безынерционного электронагревателя. 2. Максимальная температура нагрева +100° С. Скорость повышения температуры 1—2° С в минуту. Неравномерность нагрева не более ±2° С. Равномерное распределение тепла по всему объему камеры достигается циркуляцией и перемешиванием с помощью осевого вентилятора 9. Увлажнение воздуха в испытательной камере достигается испарителем влаги 5 с нагревателем 6, расположенным вне камеры. Определенный режим влажности достигается принудительной циркуляцией воздуха вентилятором 7 через испаритель 5. Относительная влажность может достигать 98% при температуре окружающего воздуха от +15 до +60° С. Скорость повышения относительной влажности не менее 0,25% в минуту. Возможная неравномерность тела ±2%. Контроль, регулирование и автоматическое поддержание заданных температуры и влажности обеспечивается «сухим» 8 и «влажным» 9 контактными термометрами.

Рис. 3-3. Схема устройства тепловлагокамеры ТВК-1.

Контактные термометры представляют собой ртутные термометры, в капиллярах которых проволоки. Подвижные контакты устанавливают в соответствующие положения так, что повышение или понижение температуры приводит к замыканию или размыканию соответствующих контактов. Возможная схема автоматического регулирования температуры с помощью контактных термометров представлена на рис. 3-4.

Ток от выпрямителя СВ через контакты промежуточных реле Р1 и Р2 (работающих на размыкание) поступает в обмотки сильноточных реле главного контактора К-1 и контактора К-2. При достижении установленной температуры контакт термометра КТ1 замыкается, обмотка поляризованного реле Рп1 оказывается под током, реле Р1 срабатывает, разрывая цепь питания контактора КС который в свою очередь отключает все нагревательные элементы, а также электродвигатель ЭД вентилятора. Одновременно зажигается лампа сигнализации о достижении заданной температуры.

Понижение температуры вызывает размыкание кон-такта термометра КТ1. Если по каким-либо причинам температура поднимается на 5° С сверх заданной, замыкается контакт термометра КТ2 и обмотка поляризованного реле Рп2 оказывается под током. Срабатывает реле Р2 и разрывается цепь питания контактора К2, отключающего 25% мощности нагревательных элементом НЭ.

В оборудование камеры также входит блок коммутации, обеспечивающий автоматическое снятие всех напряжений, подводимых й снимаемых с изделий, при открывании двери. В тепловлагокамере ТВК-1 была предусмотрена возможность получения температуры на 10—20° ниже температуры окружающей среды за счет пропускания охлаждающей воды или сжиженного газа по калориферу 4.

Помимо рассмотренных камер, находят применение камеры комнатного типа, предназначенные главным образом для испытаний изделий в условиях тропического климата. В этих камерах воздух нагревается при помощи горячего воздуха, циркулирующего по рубашке, или нагревателями, расположенными в камере в зоне обдува воздухом от вентилятора. Мощность нагревательных средств зависит от теплопотерь, определяемых в значительной степени теплопередачей стенок. Уменьшение потерь достигается выполнением хорошей теплоизоляции, в качестве которой можно рекомендовать шлаковату, обладающую малой влагоемкостью и стойкостью против гниения.

Рис. 3-4. Схема автоматического регулирования температуры с помощью контактных термометров.

КТ1 и КТ2 контактные термометры; Рп1 и Рп2 — поляризованные реле; Р1 и Р2 промежуточные реле; К1—главный контактор; К2 — контактор обмотки, регулирующий температуру; ЭД — электродвигатель; СВ — селеновый выпрямитель . В – автотрансформатор; Пр1 и Пр2 — предохранители; В1 — главный выключатель; В2 — выключатель электродвигателя вентилятора; пометки 75% и 25% отвечают соответствующей мощности нагревательных элементов.

Температура воздуха в таких камерах может достигать + 50° при относительной влажности до 98%. Камеры должны иметь автоматические устройства, обеспечивающие поддержание постоянства установленных режимов. (О способах увлажнения воздуха Ъ данных камерах изложено в § 3-4.)

Как указывалось выше, температура в камерах может измеряться ртутными термометрами, получившими широкое распространение благодаря своей простоте, сравнительно высокой точности и удобству эксплуатации. К недостаткам ртутных термометров можно отнести трудность устранения влияния внешней среды, термическую инерционность и непостоянство показаний. Однако указанные недостатки поддаются строгому учету и могут быть устранены введением соответствующих поправок.

Помимо ртутных термометров, измерение температуры в испытательных камерах, а в ряде случаев и для непосредственного измерения тепловых режимов испытываемых изделий могут применяться терморезисторы, термопары, термокарандаши и термокраски. Иногда для автоматической регулировки температуры могут применяться биметаллические регуляторы.

Измерение температуры с помощью терморезисторов основано на свойстве металлов и специальных полупроводниковых материалов изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры.

Применение полупроводниковых терморезисторов, обладающих на порядок более высоким температурным коэффициентом, позволяет получить примерно на порядок более высокую чувствительность. Малые размеры и теплоемкость терморезисторов обеспечивают их малую термическую инертность. Основным недостатком термо резисторов, особенно полупроводниковых, является их склонность к старению после определенного срока служим, ведущая к нарушению калибровки и уменьшению чувствительности.

Рис. 3-5. Схема измерения температур с помощью терморезисторов.

R1, R2, R3, R4 — резисторы; R6, R7, R8, R9, R10 — терморезисторы; R5 — регулировочный резистор; T1— тумблер подключения терморезисторов; П1 — переключатель терморезисторов.

Терморезисторы могут использоваться либо в простой схеме, где они включаются последовательно с соответствующим измерительным прибором и источником напряжения, либо в мостовой схеме (рис. 3-5). В одно из плеч мостовой схемы включается термодатчик, а в диагональ моста или низкоомный прибор магнитоэлектрической системы, или электронный вольтметр, повышающий чувствительность системы. Практически установлено, что погрешность измерения температуры с помощью терморезисторов не превышает ±1°С.

Другим достаточно простым, надежным и удобным средством является способ измерения температуры с помощью термопары. Термопара состоит из двух разнородны металлических проводов, соединенных на одном конце пайкой, сваркой или скручиванием. Указанное место соединения проводов принято называть горячим спаем, в противоположность холодному спаю, образованному двумя другими концами (рис. 3-6). При помещении горячего спая в место измерения темпера-туры, а холодного — в нормальные условия или в ванну с тающим льдом между двумя спаями образуется разность температур, которая вызовет ток в замкнутой цепи. Поскольку возникающая э. д. с. зависит от разности температур двух спаев и применяемых металлов, то возникает необходимость поддерживать постоянной температуру «опорного» холодного спая. Если холодный спай включается в измерительный прибор, то опорная температура равна температуре воздуха в комнате. Помещение холодного спая в ванну с тающим льдом при температуре 0°С повышает точность и исключает необходимость определения комнатной температуры. Измерение термотока или термо-э. д. с. может производиться гальванометрами и ручными или автоматическими потенциометрами.

Рис. 3-6. Схема термопарного измерителя температур.

1— горячий (рабочий) спай; 2 — холодный (свободный) спай; 3 — константановый провод; 4 — медный провод; 5 — переключатель; 6 — измерительный прибор; 7 — сосуд Дьюара с тающим, льдом.

В зависимости от диапазона измеренных температур термопары могут быть составлены из пар хромель-копель, хромель-алюмель и др. Термопары позволяют измерять температуры в любом требуемом диапазоне; погрешность измерения составляет менее 1% от измеряемой величины. При быстром нагреве за счет тепловой инерции погрешность может возрастать. Измерение температуры с помощью термокрасок и термокарандашей основано на свойстве веществ, входящих в их состав, определенным образом изменять свой цвет при воздействии тепла. Эти способы применяются при измерении высоких температур (до 600—720°С) с погрешностью от 5 до 30°С.

Автоматическая регулировка температуры с помощью биметаллического регулятора основана на свойстве полоски из биметалла изгибаться или распрямляться при изменении температуры, что в свою очередь приводит к замыканию или размыканию соответствующих контактов регулируемой системы.