Danas je nabavljen ugradbeni instrument za kokpit zrakoplova, mjerač temperature ispušnih plinova, američkog proizvođača Lewis Engineering Company pod tvorničkom oznakom 17B31. Tvrtka Lewis Engineering Company na tržištu je od 1961. godine i specijalizirala se za proizvodnju komponenti i dijelova od metala za vojnu industriju te po narudžbi kupca.
Mjerač temperature ispušnih plinova pilotu služi kao indikator podešenosti mješavine goriva i zraka za avionski motor. Naime, u određenim fazama leta kao i kod promjene visine leta gdje se mijenja gustoća zraka, pilot mora sam podešavati smjesu sagrijevanja, odnosno omjer zraka i goriva koji dospjevaju u cilindar. Pravilno podešena mješavina kontrolira se preko temperature ispušnih plinova na instrumentu EGT – Exhaust Gas Temperature koji je kalibriran u stupnjevima celzijusa.
Naš EGT instrument je kombinacija voltmetra sa zakretnim svitkom i termopara. Po natpisnoj pločici vidimo da je instrument predviđen za spajanje s termoparom tipa K-7.
Termoparovi tipa K predviđeni su za mjerenje temperatura u području od -270 °C to 1260 °C i u tom rasponu daju termoelektrični napon od -6.4 to 54.9 mV. Naš instrument baždaren je za temperature od 0-1000 °C, a termopar tipa K-7 u tom opsegu daje napone 0,277 – 41,548 mV.
Elektrode termopara tipa K su slijedećeg sastava:
- Pozitivna elektroda sastoji se od 90% nikla i 10% kroma, na instrumentu je označena sa + (pozitivna elektroda) i CR (krom).
- Negativna elektroda sastoji se od 95% nikla, 2% aluminija, 2% mangana i 1% silicija, na instrumentu je označena sa – (negativna elektroda) i AL (aluminij).
Po kemijskom sastavu elektroda vidimo da termopar tipa K ne sadrži značajno skupe elemente i pokriva širok raspon temperatura. Osim toga termopar tipa K ima gotovo linearnu karakteristiku promjene napona sa temperaturom pa je stoga najzastupljeniji tip termopara sa širokim područjem primjene.
Termopar se sastoji od dvije žice iz različitog materijala međusobno spojene na jednom kraju. Kad se spojeni kraj nalazi na većoj temperaturi od otvorenog kraja žica, na tom otvorenom kraju žica pojaviti će se električni napon. Ta pojava zove se termoelektrični efekt (ili Seebeckov efekt), a radi se dakle o izravnom pretvaranju toplinske energije u električnu. Neke od primjeni termopara opisane su u našim objavama: VAKUUM METAR NRC TYPE 701 TYPE 501 i RMT ZC-994 Uređaj za toplo hladnu masažu lica.
No, kod mjerenja temperature pomoću termopara javlja se jedan problem, a koji posebno dolazi do izražaja ukoliko termopar spajamo bakrenim vodićima na udaljeni voltmetar, što je i najčešći slučaj, jer termopar mora biti montiran u ispušnoj cijevi motora, dok instrument mora biti montiran u kokpitu aviona. Sada spoj bakrenih vodića sa metalnim legurama termopara zapravo tvori novi termopar jer se opet radi o spoju različitih metala. Ti novonastali termoparovi (Cr-Cu i Al-Cu) proizvode svoj napon i unose pogrešku u ukupni napon koji se mjeri na instrumentu. Također, treba voditi računa o tome da termoelement ne daje napon sukladno temperaturi na spojenom kraju, već sukladno razlici temperature na spojenom i otvorenom kraju.
Da bi se dobilo ispravno očitanje temperature potrebno je dakle kompenzirati ove pogreške. Također, vidimo da termopar generira vrlo male struje i napone, što znači da je mjerni sistem osjetljiv na električni otpor i šum koji može biti više izražen što su dulji i tanji vodići koji spajaju termopar s voltmetrom. Za naš mjerni sistem ne traži se vrlo precizno mjerenje temperature pa se ovdje nećemo baviti različitim složenim kompenzacijskim metodama koje se koriste u pojedinim mjernim sistemima.
Spomenuti ćemo samo temperaturnu kompenzaciju koja ugrađena u naš mjerni instrument. Naime, zbog vrlo malih napona i struja koje instrument mjeri temperatura okoline može u dovoljnoj mjeri promijeniti električni otpor zavojnice zakretnog svitka ili elastična svojstva balansirajućih elemenata kazaljke da se dobije pogrešno očitanje na instrumentu. Stoga su u instrument ugrađeni elementi koji korigiraju napetost opruga kao i električni otpor zakretne zavojnice sukladno promjenama temperature u kućištu instrumenta kako bi u konačnici kod istog ulaznog napona uvijek dobili isti otklon kazaljke.
Temperaturna kompenzacija se sastoji od tri elementa. Prvi je bimetalna spirala koja je povezana sa spiralnom balansirajućom oprugom kazaljke instrumenta. Bimetalna spirala će dakle zatezati ili otpuštati oprugu kazaljke instrumenta ovisno o promjeni temperature. Druga dva kompenzacijska elementa čine kombinaciju otpornika i termistora koji imaju zadaću održavati stalan električni otpor zavojnice instrumenta pri bilo kakvim promjenama temperature unutar kućišta. Na posljednje tri slike vidljiva su opisana tri kompenzacijska elementa: bimetalna spirala, termistor i otpornik.
S obzirom da je temperaturna kompenzacija izvršena unutar samog instrumenta, vrlo je vjerojatno da se instrument sa termoparom spaja preko tzv. kompenzacijskih vodića. Tu se ne dakle ne radi o običnim bakrenim vodićima, već o vodićima koji su napravljeni od istog materijala kao i žice termopara. Na taj način nema pojave novih termoparova koji bi nastali pri povezivanju sa bakrenim žicama i unoslili naponske pogreške pa se referentna temperaturna točka može izvesti u samom instrumentu, gdje nastaje prvi spoj termopara sa bakrenim vodićima.
Ovaj naš instrument za mjerenje temperature ispušnih plinova mogli bismo uz dodatak jeftinog termopara ugraditi na bilo koji motor ili izvor topline. No, to bismo vjerojatno učinili samo ukoliko želimo dobiti vizualni efekt avionskog kokpita na nekoj mjernoj ploči 🙂