Метод измерения температуры поверхности твердого тела

Метод измерения температуры поверхности твердого тела Анемометр

Измерение температуры поверхности

Точно измерить температуру поверхности обычным контактным термометром НЕВОЗМОЖНО. Почему? Ответ кроется в самом принципе контактного измерения температуры объекта. Фактически контактный термометр показывает температуру своего чувствительного элемента, будь то термометр сопротивления, термопара или другой датчик. Точность измерения тем выше, чем лучше тепловое равновесие этого чувствительного элемента с измеряемой средой. При достаточном погружении датчика в среду и отсутствии искажений температурного поля из-за теплоотвода по корпусу термометра в окружающее пространство, измерения температуры могут быть очень точными. Это, например, мы видим при измерении температуры в ампулах реперных точек МТШ-90 или при измерении в глубоких жидкостных термостатах.

Как только глубина погружения термометра в измеряемую среду уменьшается, тепловой поток по корпусу термометра в окружающую среду начинает влиять на показания, погрешность измерения возрастает. Граничный случай – выход чувствительного элемента на уровень поверхности объекта и попытка отсчитать показания так называемой «температуры поверхности». Понятно, что в условиях размещения датчика на поверхности мы уже имеем очень серьезное искажение температурного поля объекта самим измерительным датчиком. Датчик как бы отбирает часть тепла от поверхности, выводя его в окружающую среду. Тем самым показания становятся ложными, не отражающими ту «температуру поверхности», какой она бы была без вмешательства датчика.

Еще один очень важный момент, на который следует обратить внимание при попытке измерения температуры поверхности – температура на поверхности предмета, это характеристика не одного, а фактически двух объектов: самого тела, на который мы крепим датчик, и окружающей среды (для простоты изложения, предположим, что это воздух). Тепловой поток, исходящий от поверхности тела, зависит от перепада температуры между телом и воздухом и от движения воздуха под влиянием естественной и иногда вынужденной конвекции. Очевидно, что чем меньше перепад температуры и чем слабее движение воздуха, тем точнее можно измерить температуру поверхности.

Из изложенных выше соображений следует вывод, что датчик для измерения температуры поверхности должен быть миниатюрным (например, тонкая термопара, термистор или пленочный термометр на тонких выводящих проводах). В то же время он должен иметь очень прочный контакт с объектом, но на небольшом участке поверхности, чтобы не исказить условия теплообмена. Однако даже в этом случае, не следует ожидать от измерений температуры поверхности точности лучше, чем несколько градусов. Нужна ли высокая точность, скажем 0,1 °С, при измерении температуры поверхности? В принципе, этот вопрос важно рассматривать для любых бытовых и промышленных измерений температуры. Как правило, оказывается, что требования к точности термометров завышены. Погрешность в несколько градусов вполне приемлема, когда надо оценить температуру поверхности электроплиты, батарей отопления, железнодорожных рельсов, подшипников. Датчиков, измеряющих температуру поверхности с такой точностью довольно много. Они представляют собой чувствительный элемент, тонкую термопару или ТСП, вмонтированную в миниатюрный плоский корпус, иногда снабженный пружиной, поджимающий термометр к поверхности или магнитом.

Метод измерения температуры поверхности твердого тела

Пример термометра для измерения температуры поверхности – TESTO 905-T2

Существуют и более точные датчики для измерения температуры поверхности. Однако, они более сложные и дорогие. Например, фирма ISOTECH выпускает измерительную систему под названием «944 True Surface Temperature Measurement System».

Принцип работы системы заключается в компенсации потока тепла, отводимого термометром в окружающую среду. Для этого на термометр монтируется нагреватель, мощность которого регулируется с помощью датчиков (термопар), измеряющих перепад температуры на длине термометра.

Метод измерения температуры поверхности твердого тела

Таким образом, по мнению изобретателей, удается полностью ликвидировать температурный градиент, возникающий на границе датчик-поверхность и измерить «реальную» температуру поверхности.

Одной из самых сложных проблем контактного измерения температуры поверхности является обеспечение метрологической прослеживаемости результата измерений от эталона единицы температуры, т.е. поверка датчиков температуры поверхности.

Один из подходов к решению проблемы поверки поверхностных термометров – поверять поверхностные датчики методом погружения в термостат и сличения с эталонным термометром. Однако, как показывают эксперименты, данный метод является очень грубым и иногда приводит к ошибкам в несколько десятков градусов.

Многие фирмы предлагают специальные калибраторы для поверки поверхностных термометров. Самая распространенная конструкция – подогреваемая плита, под поверхностью которой в каналах располагаются эталонные датчики температуры. В данном методе предполагается, что температура на поверхности плиты очень близка к температуре под ее поверхностью.

Метод измерения температуры поверхности твердого тела

Калибратор поверхностных термометров фирмы ИзТех

Такой метод не может дать высокую точность поверки. Обычно погрешность метода оценивают по погрешности встроенного термометра, который калибруется предварительно по эталону методом погружения. Однако даже если дисплей калибратора точно воспроизводит температуру встроенного термометра, нельзя утверждать, что эта температура равна температуре на поверхности плиты. Как уже отмечалось ранее, большое значение имеет тепловой поток от поверхности из-за конвекции и излучения. Кроме того, большое влияние на результат поверки в таком поверхностном калибраторе оказывает качество поверхности плиты и датчика и плотность контакта с поверхностью.

Для того, чтобы учесть влияние теплового потока, были предложены расчетные и практические методы.  Один из таких методов изложен в работе «The Calibration of Contact Surface Sensors: A Manufacturers Investigation. Electronic Development Laboratories Inc., 2003 NCSL International workshop and Symposium». Авторами предложен калибратор, называемый Surface Transfer Standard (STS), который представляет собой металлический блок, помещаемый в водяной перемешиваемый термостат.

Блок погружается таким образом, чтобы он выступал из жидкости на 11,5 мм. Верхняя крышка термостата находится на 10 см. выше уровня жидкости. Четыре тонких термопары встроены в блок на разных уровнях, так, чтобы отслеживать изменение температуры по длине блока. Температуру на поверхности получают методом экстраполяции показаний термопар.

Метод измерения температуры поверхности твердого тела

Методом, при котором датчик не влияет на температуру поверхности, является метод бесконтактного измерения температуры с помощью пирометров и тепловизионных приборов. Однако при измерении температуры поверхности с помощью пирометров необходимо учитывать коэффициент излучения поверхности и влияние излучения от окружающих предметов, что вносит значительную неопределенность в результат измерения. (Более подробно о бесконтактных термометрах см. раздел «Радиационные термометры»).

Одним из интересных методов, позволяющих уточнить результат контактного измерения температуры поверхности является совместное использование контактного и неконтактного термометров. Метод заключается в том, что во время измерения температуры поверхности на термопару наводится тепловизор, показывающий перепад температуры вдоль корпуса термопары, по которому можно оценить погрешность контактного измерения.

Новый подход к измерению температуры поверхности и калибровке промышленных поверхностных термометров сейчас исследуется в рамках европейского проекта EMPRESS (http://www.strath.ac.uk/research/advancedformingresearchcentre/ourwork/projects/empressproject/)

Для точного измерения температуры поверхности используется новый тип преобразования – флуоресцентная  термометрия. На последней конференции ТЕМПМЕКО 2016 был доложены последние результаты в этой области. Статья готовится к печати в журнале “International Journal of Thermophysics”. Суть метода заключается в том, что на поверхность калибратора наносится слой фосфора, который облучается потоком света от лазера или LED лампы. Приборы измеряют временное изменение интенсивности инициированного излучения поверхности, которое зависит от температуры поверхности. Таким образом, устраняется главная проблема контактного измерения температуры поверхности – тепловой поток по термометру и бесконтактного измерения – неизвестная излучающая способность поверхности.

Метод измерения температуры поверхности твердого тела

На рисунке показан прототип поверхностного калибратора, который сейчас исследуется в INRiM. Тонкий слой температурно чувствительного фосфора нанесен на поверхность плиты. Фосфор облучается лазерным диодом. Вторичный оптический сигнал, проходящий по оптоволокну, преобразуется в  электрический, слежение за которым позволяет наблюдать за изменением интенсивности флуоресценции во времени. Чувствительность такого метода сейчас достигает 0,05 °С до температуры 350 °С, воспроизводимость и однородность порядка 0,1 °С. Ожидаемая суммарная неопределенность метода оценивается 1 °С. Исследования продолжаются. Аналогичный метод, но с использованием облучения с помощью LED лампы, разрабатывается в NPL.

Группа полезных моделей относится к термометрии и может быть использована при измерении температуры в черной и цветной металлургии, машиностроении и других отраслях. По первому варианту предложен термоэлектрический преобразователь для измерения температуры поверхности твердых тел, содержащий кабельную термопару в качестве термочувствительного элемента, размещенную в чехле таким образом, что рабочий и свободный концы термопары находятся вне чехла, при этом, термопара расположена в чехле с возможностью осевого перемещения относительно последнего и со стороны свободного конца кинематически связана с ним посредством пружины, а со стороны рабочего конца термопара оснащена упором для крепления термопары внутри чехла и задания величины выхода рабочего конца термопары из чехла. По второму варианту предложен термоэлектрический преобразователь, содержащий кабельную термопару в качестве термочувствительного элемента, размещенную в чехле таким образом, что рабочий и свободный концы термопары находятся вне чехла, при этом, термопара закреплена внутри трубки, причем трубка размещена в чехле с возможностью осевого перемещения относительно последнего и со стороны свободного конца кинематически связана с ним посредством пружины, а со стороны рабочего конца трубка оснащена упором для ее крепления внутри чехла и задания величины выхода рабочего конца термопары из чехла, при этом участок термопары со стороны рабочего конца протяженностью не менее 10 диаметров уложен в виде плоской спирали и размещен на торце обечайки, заполненной диэлектрическим материалом с теплопроводностью не выше 30 Вт/м·К и закрепленной на консоли трубки, причем размещен таким образом, чтобы исключить контакт оболочки термопары и обечайки. 2 н.з. и 7 з.п. ф-лы, 7 илл.

Заявляемая группа полезных моделей относится к термометрии и может быть использована при измерении температуры в черной и цветной металлургии, машиностроении и других отраслях.

Про анемометры:  Под Омском произошла утечка опасного для жизни инертного газа

В металлургии слитки перед горячей прокаткой нагревают в печах различных типов: методических толкательных, кольцевых, камерных. В машиностроении нагрев слитков проводят перед обработкой давлением -прессовкой, ковкой, штамповкой, а также осуществляют различные виды термической обработки – отпуск, нормализация, отжиг, старение и т.п. В значительной, если не в определяющей мере, дальнейшее качество продукции зависит от соблюдения режима термообработки металла и температурного графика работы печного агрегата.

Наиболее желательным параметром для регулирования теплового режима печи является температура поверхности нагреваемой садки. Однако существует ряд трудностей при измерении температуры поверхности садки и использование этого параметра для управления тепловым режимом печи. Применение для этих целей пирометров /1/ связано со значительными погрешностями. На точность измерения температуры пирометром влияют яркость факела и степень черноты поверхности, причем значения этих параметров переменны во времени и трудно определяемы /Беленький A.M., Дубинский М.Ю., Ладыгичев М.Г., Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М. «Измерение температуры: теория, практика, эксперимента Справочное издание: В 3-х томах. Т.2. Измерение температуры в промышленности и энергетике Под ред. A.M.Беленького, В.Г.Лисиенко – М.: Теплотехник, 2007. с.486/

Другим способом измерения температуры поверхности является применение поверхностных термопар, в том числе и кабельных. В этом случае горячий спай термоэлектрического преобразователя прикрепляют непосредственно на поверхность слитка, либо зачеканивают в канавке или отверстии, организованном на его поверхности / п.9.2.2.2 руководства по использованию термопар MNL 12 /Manual on the use of thermocouples in temperature measurement. Fourth Edition, (sponsored by ASTM Committee E20 on Temperature Measurement. ASTM manual series: MNL 12. “Revision of special technical publication (STP) 470B”. Includes bibliographical references and index. ISBN 0-8031-1466-4, с.176/.

Недостатком применения поверхностных термоэлектрических преобразователей является их большой расход, т.к. извлечь преобразователь из слитка для повторного применения практически невозможно и его попросту обламывают, кроме того, наличие остатков термоэлектрических преобразователей в слитке может привести к получению брака, например при прокатке слитка в фольгу.

Описанные трудности приводят к тому, что в настоящее время наиболее широко применяют управление нагревом садки по косвенному параметру – температуре в рабочем пространстве печи. Однако при таком способе регулируемая температура всегда отличается от температуры садки, что не гарантирует соблюдение режимов термообработки и как следствие необходимого качества конечной продукции.

Температуру поверхности слитков также определяют с помощью термоэлектрических преобразователей относящихся к классу термопарных зондов или щупов, предназначенных для периодического замера температуры поверхности.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является конструкция термоэлектрического преобразователя RTC 827A компании Wahl Instruments, Inc. представленная в каталоге Heat Prober® Hand-Held

Termometers, 2007. Термопреобразователь предназначен для определения температуры электропроводящих поверхностей, например, медных и алюминиевых слитков. Рабочий торец преобразователя представляет собой два оголенных термоэлектрода диаметром 5-6 мм заточенных на торце. Достаточно массивные и острые термоэлектроды вонзаются в поверхностный слой слитка и образуют за счет электрического контакта рабочий спай термопары. Основным недостатком данной конструкции является массивность термоэлектодов, вследствие чего они принимают температуру близкую к температуре газовой среды окружающей слиток, а не температуру поверхности слитка. По этой причине измерение температуры поверхности таким преобразователем производится с погрешностью до 5% в период нагрева слитка, когда температура среды на десятки и сотни градусов больше температуры слитка, и с погрешностью 2-3% в период стационарного режима предназначенного для гомогенизации слитка. Измерение температуры с указанными погрешностями не обеспечивает должного качества конечной продукции и приводит к увеличению удельного расхода электроэнергии.

Авторы решали задачу по созданию термоэлектрического преобразователя для контроля поверхности твердых тел, способного показывать стабильные результаты на протяжении многих измерительных циклов.

Для решения поставленной задачи предлагается по первому варианту термоэлектрический преобразователь для измерения температуры поверхности твердых тел, содержащий кабельную термопару в качестве термочувствительного элемента, размещенную в чехле таким образом, что рабочий и свободный концы термопары находятся вне чехла. При этом термопара расположена в чехле с возможностью осевого перемещения относительно последнего и со стороны свободного конца кинематически связана с ним посредством пружины, а со стороны рабочего конца

Дополнительно по первому варианту предлагается торец рабочего конца термопары выполнить в виде конуса.

Дополнительно по первому варианту предлагается рабочий спай и примыкающий к нему участок термоэлектродов вывести за пределы оболочки термопары и разместить в обечайке закрепленной на торце оболочки термопары, причем размещенной таким образом, что термоэлектроды и спай изолированы от обечайки диэлектриком с теплопроводностью не выше 30 Вт/м·К на поверхность которого и уложены как спай так и участок термоэлектродов протяженностью не менее 10 диаметров термоэлектродов.

Для решения поставленной задачи по второму варианту предлагается термоэлектрический преобразователь для измерения температуры поверхности твердых тел, содержащий кабельную термопару в качестве термочувствительного элемента, размещенную в чехле таким образом, что рабочий и свободный концы термопары находятся вне чехла. При этом термопара закреплена внутри трубки, причем трубка размещена в чехле с возможностью осевого перемещения относительно последнего и со стороны свободного конца кинематически связана с ним посредством пружины, а со стороны рабочего конца трубка оснащена упором для ее крепления внутри чехла и задания величины выхода рабочего конца термопары из чехла, при этом участок термопары со стороны рабочего конца протяженностью не менее 10 диаметров уложен в виде плоской спирали и размещен на торце обечайки, заполненной диэлектрическим материалом с теплопроводностью не выше 30 Вт/м·К и закрепленной на консоли трубки, причем размещен таким образом, чтобы исключить контакт оболочки термопары и обечайки.

Дополнительно по второму варианту предлагается обечайку закрепить на консоли трубки с возможностью углового поворота относительно трубки на телесный угол в пределах от 0 до 10°. Возможность углового поворота обечайки может быть обеспечена соединением последней с трубкой посредством сферического шарнира или сильфона.

Дополнительно по обоим вариантам предлагается чехол оснастить элементом крепления для установки на термометрируемом объекте, например в виде штуцера.

Дополнительно по обоим вариантам предлагается термопару выполнить с узлом коммутации для подключения термоэлектрического преобразователя в измерительную цепь в виде, например, клеммной головки, удлинительных проводов или термопарного разъема.

Выполнение термоэлектрического преобразователя с признаками указанными выше позволяет обеспечить надежный контакт рабочей части преобразователя с поверхностью твердого тела при кратковременном введении преобразователя в соприкосновение с термометрируемым объектом. Указанный технический результат достигается за счет того, что при введении в соприкосновение датчика температуры с поверхностью твердого тела происходит компенсация величины выхода рабочего конца термопары из чехла за счет подпружинивания термопары относительно чехла.

На фиг.1 представлен термоэлектрический преобразователь по первому варианту, на фиг.2 – торец рабочего конца термопары в виде конуса, на фиг.3 и 4 – вариант выполнения рабочего конца термопары с размещением рабочего спая и участка термоэлектродов на торце обечайки, заполненной диэлектриком, на фиг.5, 6 и 7 представлен второй вариант выполнения изобретения, причем на фиг.6 – модель с использованием шарового шарнира. На представленных чертежах 1 – кабельная термопара, 2 – чехол, 3 – рабочий конец термопары, 4 – свободный конец термопары, 5

– пружина, 6 – упор для крепления термопары внутри чехла и задания величины выхода рабочего конца термопары из чехла, 7 – торец рабочего конца термопары выполненный в виде конуса, 8, 9 – термоэлектроды, 10 – рабочий спай, 11 – оболочка кабельной термопары, 12 – обечайка, закрепленная на торце оболочки термопары, 13 – обечайка, закрепленная на торце трубки, 14 – диэлектрик, 15 – трубка, 16 – упор для крепления трубки, 17 – элемент крепления в виде штуцера для установки термоэлектрического преобразователя на термометрируемом объекте, 18 – узел коммутации для подключения термоэлектрического преобразователя в измерительную цепь в виде термопарного разъема.

Устройство работает следующим образом. Термоэлектрический преобразователь с помощью элемента крепления 17 закрепляют на измерительной штанге (на чертежах не показана) и посредством узла коммутации 18 соединяют с вторичной измерительной аппаратурой (на чертежах не показана). Затем штангу механически передвигают в печь, где находится разогреваемое твердое тело, например, слиток алюминия до касания рабочего спая 10 поверхности твердого тела. При этом для надежности ход штанги выбирают таким образом, чтобы рабочий конец термопары 3 вошел в чехол 2 примерно на половину величины сжатия пружины 5. Конструкция торца рабочего конца термопары в виде конуса 7 исключает неполный контакт рабочего спая с поверхностью твердого тела. Конструкция торца рабочего конца термопары в виде обечайки, закрепленная на торце оболочки термопары 12 или на торце трубки !3 позволяет получить истинное значение температуры поверхности твердого тела.

Указанные термоэлектрические преобразователи прошли испытания в электропечах с шагающими балками (ЭПШБ) в которых происходил нагрев и гомогенизация алюминиевых слитков перед прокатом на фольгу. Температура воздуха в печи составляла 640°С, в период нагрева слитка и

620°С в период гомогенизации. Температура поверхности слитка определялась по зачеканенному в поверхность термоэлектрическому преобразователю и термопреобразователю выполненному по пункту 4 формулы. В период нагрева разница в показаниях термопреобразователей не превышала 3%, а после прогрева в период гомогенизации менее 1%, что свидетельствует о ее пригодности для ведения режимов нагрева печи.

1. Термоэлектрический преобразователь для измерения температуры поверхности твердых тел, содержащий кабельную термопару в качестве термочувствительного элемента, размещенную в чехле таким образом, что рабочий и свободный концы термопары находятся вне чехла, при этом термопара расположена в чехле с возможностью осевого перемещения относительно последнего и со стороны свободного конца кинематически связана с ним посредством пружины, а со стороны рабочего конца термопара оснащена упором для крепления термопары внутри чехла и задания величины выхода рабочего конца термопары из чехла.

Про анемометры:  Co2 какая связь

2. Термоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что торец рабочего конца термопары выполнен в виде конуса.

3. Термоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что рабочий спай и примыкающий к нему участок термоэлектродов выведены за пределы оболочки термопары и размещены в обечайке, закрепленной на торце оболочки термопары, причем размещенной таким образом, что термоэлектроды и спай изолированы от обечайки диэлектриком с теплопроводностью не выше 30 Вт/м·К, на поверхность которого и уложены как спай, так и участок термоэлектродов протяженностью не менее 10 диаметров термоэлектродов.

4. Термоэлектрический преобразователь для измерения температуры поверхности твердых тел, содержащий кабельную термопару в качестве термочувствительного элемента, размещенную в чехле таким образом, что рабочий и свободный концы термопары находятся вне чехла, при этом термопара закреплена внутри трубки, причем трубка размещена в чехле с возможностью осевого перемещения относительно последнего и со стороны свободного конца кинематически связана с ним посредством пружины, а со стороны рабочего конца трубка оснащена упором для ее крепления внутри чехла и задания величины выхода рабочего конца термопары из чехла, при этом участок термопары со стороны рабочего конца протяженностью не менее 10 диаметров уложен в виде плоской спирали и размещен на торце обечайки, заполненной диэлектрическим материалом с теплопроводностью не выше 30 Вт/м·К и закрепленной на консоли трубки, причем размещен таким образом, чтобы исключить контакт оболочки термопары и обечайки.

5. Термоэлектрический преобразователь по п.4, отличающийся тем, что обечайка закреплена на консоли трубки с возможностью углового перемещения относительно трубки на телесный угол от 0 до 10°.

6. Термоэлектрический преобразователь по п.5, отличающийся тем, что обечайка закреплена на консоли трубки посредством сферического шарнира.

7. Термоэлектрический преобразователь по п.5, отличающийся тем, что обечайка закреплена на консоли трубки посредством сильфона.

Изобретение относится к контактной термометрии и может быть использовано для измерения температуры поверхности твердых тел в условиях воздействия теплового излучения. Целью изобретения является повышение точности измерения температуры поверхности в условиях воздействия на нее теплового излучения путем учета влияния разных поглощательных способностей термопреобразователя и поверхности. При воздействии на поверхность потоком излучения изменяют коэффициент поглощения одного из двух одинаковых термопреобразователей. Для этого калибруют термопреобразователи в условиях, идентичных эксплуатационным, при известном потоке излучения и температуре поверхности, для чего снимают показания одного из двух одинаковых термопреобразователей, определяют знак отклонения от заданного значения температуры, изменяют коэффициент поглощения другого термопреобразователя. Для положительного отклонения наносят отражающего покрытие, а при отрицательном – поглощающее и снимают показание этого термопреобразователя. По результатам калибровки определяют поправочный коэффициент. Проводят натурные измерения с помощью обоих термопреобразователей и, используя поправочный коэффициент, учитывающий различие поглощательных способностей термопреобразователей и поверхности, определяют истинную температуру исследуемой поверхности по зависимости. 1 ил.

„„SU„„14832 9 А1 (511 4 G О1 К 11/00

К АBTOPCKÎMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ вия на нее теплового излучения путем учета влияния разных -поглощательных способностей термопреобраэователей и поверхности.

На чертеже представлена схема реализации способа.

При воздействии потока излучения плотности с1 А на исследуемую поверхность, на которой установлены

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21 ) 4171562/31 — 10 (22) 29.12.86 (46) 30.05.89. Бюл, 1! – 20 (72) Н.А.Ярыщев, H.Н. Заровная, Л. Б. Зисман, А, А. Соколов а, И.F..Ñïåêòîð и Н,H,Ñóõàíîýà (53) 536.5 (088.8) (56) Авторское свидетельство

СССР У 368501, кл. G Al К 7/02, 1973.

Ярыпев Н.A. Теоретические основы измерения нестационарных температур. Л.: Энергия, 1967, с.244-246. (54) СПОСОБ. ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА (57) Изобретение относится к контактной термометрии и может быть использовано для измерения температуры поверхности твердых тел в условиях воздействия теплового излучения.

Целью изобретения является повьппеиие точности измерения темгературы поверхности в условиях воздействия на нее теплового излучения путем учета влияния разных поглощательных способностей термопреобраэователя и поверхности. При воздействии на

Изобретение относится к контактной термометрии и может быть использовано для измерения температуры поверхности твердых тел в условиях воздействия на их поверхность теплового излучения.

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры поверхности в условиях воэдейст-

2 поверхность потоком излучения изме- няют коэффициент поглощения одного нз двух одинаковых термопреобраэователей. Для этого калибруют териопреобразователи в условиях, идентичных эксплуатационным, и ри известном поток е и злуч ения и температуре поверхности, для чего снимают показания одного из двух одинаковых термопреобразователей, определяют знак отклонения от заданного значения температуры, изменяют коэффициент поглощения другого термопреобраэователя. Для положительного отклонения наносят отражающее покрытие, а при отрицательном — поглощающее и снимают показание этого термопреобразователя, По результатам калибровки определяют поправочный коэфАициент. Проводят натурные измерения с помощью обоих термопреобразователей и, используя поправочный коэффициент, учитывающий различие поглощательных способностей термопреобраэователей и поверхности, определяют истинную температуру исследуемой поверхности по зависимости. 1 ил.

Cll1 A q 004; т Ат 90ад °

q = —–(U — Uт), Б термопреобразователи, плотность потоков, поглощенных свободной поверхностью тела q è поверхностью в зоне

1 к Онтак та с термопреобра зов ателем q определяется выражениями:

При этом, должны выполняться следующие условия измерений: температура источника теплового излучения значительно выпе температуры поверхности объекта; 15 спектр излучения стабилен,,коэффициенты поглощения в диапазоне исследуемых температур поверхности объекта не зависят от температуры.

Отличие коэффициентов поглощения поверхности А и термопреобразователя

Ат приводит к появлению в области контакта результирующего потока q равного разности плотностей потоков, входящих в тело до и после установки 25 термопреобразователя. Под действием этого потока в теле возникает локальное искажение температуры. Учитывая, что при использовании термопреобразователей искаженная температура поверхности тела на участке контакта с термопреобразователем (например, для пленочных термопреобразователейввиду их малой толщины и термического сопротивления) соответствует из35 меренной термопреобразователем температуре, то зависимость между результирующим потоком и искажением температуры на площадке контакта имеет следующий вид:

40 где Я вЂ” коэффициент пропорциональнОсти зависящий тОлькО От 45 теплопроводности тела Я и размера площадки (радиуса R);

S — – поверхность контакта;

U — истинная температура поверх50 ности

U — температура, измеренная термопреобраз ователем.

При установке на поверхность двух одинаковых термопреобраэователей, имеющих различные коэффициенты погло55 щения, разности температуры поверхности на площадке контакта до и после установки термопреобразователей определяются Н3 следующих соотношений:

U — Зт = (А-A T ) — — Япа1 °

После преобразования соотношение для определения истинной температуры поверхности по показаниям двух термопреобра зов ат елей имеет вид

П вЂ” П

U0 — заданная температура поверхности при калибровке;

U — температуры, измеренные перт вым и вторым термопреобраз ов ат елями, Способ осуществляют следующим образом.

При калибровке на поверхности 1 на расстоянии друг от друга не менее пяти диаметров термопреобразователя устанавливают одинаковые термопреОбразователи 2, 3 (например, пленочные термометры сопротивления с эффективным диаметром чувствительного элемента 5,6 10 м и толщиной 0,2 х х 10 э м) и подключают к прибору 4, Кроме того, термопару 5 подключают к прибору 6. Включают источник 7 излучения (может быть использована га- логенная лампа типа КГ-110-1000), ньмитирующий условия эксплуатации.

5 )48 черненую фольгу. После нанесения пок— рытия с термопреобразователя 3 снимают показания, Проведение калибровки возможно и без достижения стационарного состояния температуры иссле.дуемой поверхности. Для этого показания с термопреобразователя 2 и термопары 5 снимают одновременно. 8 условиях эксплуатации термопреобразователи 2 и 3 с нанесенным покрытием устанавливают на поверхность исследуемого тела. Регистрируют показания .обоих термопреобразователей. По их показаниям и с учетом калибровки вычисляют истинную температуру исследуемой поверхности.

Способ определения температуры поверхности твердых тел с использованием двух термопреобразователей позволяет исключить влияние на показания одиночного термопреобразователя — площадь поверхности контакта термопреобразователя, материал объекта, плотность поглощенного теплового потока. Коэффициенты поглощения термопреобразователей и поверхности,величина контактного термического сопротивления между термопреобразоватеО лями и поверхностью учитываются в калибровочном опыте. Оценка эффективности способа, проведенная по расчету систематической погрешности измерения температуры поверхности из теплоиэоляционного материала при использовании: двух термопар (медь-константан и нихром-константан); пленочного термометра сопротивления (резистор из гетероэпитаксиальной пленки кремния р-типа, расположенный на пластине из сапфира и покрытый слоем двуокиси кремния); двух термопреобразователей с разными поглощательными способностями (пленочные измерения сопротивления), показывает,что систематическая погрешность измерения температуры поверхности с использованием двух термопреобразователей значительно ниже указанной систематической погрешности и находится на уровне инструментальной погрешности

1 используемых термопреобразователей, Кроме того, данный способ универсальнее и технологичнее, так как поз328ч валяет использовать термопреобразова— тели различного принципа действия, более удобные при монтаже и надеж5 ные я эксплуатации. йормулаиэобретения

1 1=Пт 1 +-— к

UT< (1 — — — -)

Uo-UT и опр ав оч ный к оэффициент; заданная темпе45 где ратура поверхности при калиб50

РОВКЕ; температуры, измеренные первым и втОрым преобраЗОВ 3TЕ.IRISH

Способ определения температуры поверхности твердого тела, заключающийся в предварительной калибровке двух контактных термопреобразователей и определении поправочного коэффициента при заданной температуре поверхности, измерении температуры поверхности с помощью термопреобразователей и расчете искомой температуры с учетом поправочного коэффициента по математической зависимости, о тлич ающий с я тем,что, с целью повышения точности измерения путем учета влияния разных поглощательных способностей термопреобразо— вателей и поверхности, предваритель25 ную калибровку осуществляют в условиях идентичных эксплуатационным, при этом измеряют температуру с помощь ю од ног о и з дв ух т ер мопр ео бр а з ователей, сравнивают с заданной темзп пературой и определяют отклонение, изменяют коэффициент поглощения другогоо термопреоб раз ов а теля в зависимости от знака отклонения, причем для положительного отклонения поглощательную способность уменьшают, а для отрицательной увеличивают, после чего измеряют температуру этим термопреобразователем и определяют истинную температуру по зависимости

Про анемометры:  Датчик температуры канальный pt1000 dts wp 8 12 ЭСМУ Pt1000 медь 100 мм Danfoss

Составитель А. Костановский

Техред М. Ходанич Корректор М.Васильева

Заказ 2817/38 Тираж 573 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытнам при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Метод измерения температуры поверхности твердого тела

Метод измерения температуры поверхности твердого тела

Метод измерения температуры поверхности твердого тела

Метод измерения температуры поверхности твердого тела

Не существует единого типа термопары, предназначенной для измерения температуры поверхности твердых тел (поверхностных термопар). Обилие существующих конструкций поверхностных термопар объясняется прежде всего многообразием условий измерений и свойств поверхностей, температуры которых подлежат измерению.

В промышленной практике возникает необходимость измерения температур поверхностей различных геометрических форм, неподвижных и вращающихся тел, электропроводных тел и изоляторов, тел с высокой и низкой теплопроводностью, гладких и шероховатых. Поэтому поверхностные термопары, пригодные для использования в одних условиях, оказываются непригодными в других.

Метод измерения температуры поверхности твердого тела

Измерение температуры металлической поверхности приваркой термопары

Довольно часто для измерения температур нагретых тонких металлических пластин или массивных тел к контролируемой поверхности непосредственно припаивают или приваривают спай термопары. Такой способ измерения температуры можно считать допустимым только при соблюдении некоторых предосторожностей.

Теплообмен между поверхностью пластины и шариком спая термопары осуществляется главный образом тепловым потоком, проходящим через поверхность их соприкосновения, составляющую часть поверхности спая и примыкающих к спаю термоэлектродов. В некоторой степени теплообмен осуществляется излучением между пластинкой и неконтактирующей с ней частью поверхности спая с термоэлектродами.

С другой стороны, контактирующая с пластиной часть поверхности спая и термоэлектроды термопары теряют тепловую энергию вследствие излучения к более холодным телам, окружающим пластину, и конвективной теплоотдачи к омывающим спай потокам воздуха.

Таким образом, спаем и прилегающими к нему термоэлектродами термопары рассеивается значительная часть тепловой энергии, непрерывно поступающей в спай через поверхность соприкосновения с пластиной.

В результате равновесия температура спая и примыкающей к нему части поверхности пластины оказывается гораздо ниже, чем температура частей пластины, удаленных от спая (при измерении высоких температур тонких пластин эта систематическая погрешность измерения может достигать сотен градусов).

Эту погрешность снижают, уменьшая величину теплового потока, рассеиваемого спаем и термоэлектродами термопары. С этой целью полезно применять термопары из возможно более тонких термоэлектродов.

Сами термоэлектроды не следует сразу отводить от пластины, а лучше сначала проложить их в тепловом контакте с пластиной на расстоянии, равном по крайней мере 50 диаметрам термоэлектродов.

При этом следует иметь в виду, что если пластина и поверхность термоэлектродов не окислены, то они могут замкнуться пластиной и измеренная термо э. д. с. термопары будет соответствовать температуре не спая термопары, а температуре точки соприкосновения термопары с поверхностью.

В этом случае между термоэлектродами и пластиной необходимо проложить тонкий слой электрической изоляции, например тонкую пластину слюды. Целесообразно также всю поверхность спая и участка термоэлектродов покрыть слоем тепловой изоляции, например огнеупорной обмазкой, для уменьшения потерь вследствие излучения и конвективной теплоотдачи.

Метод измерения температуры поверхности твердого тела

При соблюдении этих предосторожностей можно обеспечить измерение температуры поверхности металлических деталей с погрешностью, не превышающей нескольких градусов.

Иногда к поверхности металлической пластины приваривают не спай термопары, а ее термоэлектроды на некотором расстоянии один от другого.

Такой способ измерения температуры металлической поверхности можно считать приемлемым только в том случае, если есть уверенность в равенстве температур пластины в обеих точках приварки термоэлектродов. В противном случае в цепи термопары возникнет паразитная термо э. д. с, развиваемая материалами термоэлектродов с материалом пластины.

Ниже дано описание таких термопар, как лучковые, пятачковые и штыковые. Их используют для измерения температур поверхностей неподвижных тел.

Метод измерения температуры поверхности твердого тела

Лучковая (ленточная) термопара

Лучковая термопара снабжена чувствительным элементом, изготовленным в виде ленты из двух металлов или сплавов (например, из хромеля и алюмеля) длиной 300 мм, шириной 10 — 15 мм, спаянных или сваренных в стык и прокатанных до толщины 0,1 — 0,2 мм.

Концы ленты со спаем посредине закрепляют на изоляторах по концам пружинящей рукоятки в форме лука так, чтобы лента была все время натянутой. От концов ее к зажимам измерительного прибора (милливольтметра) проходят проводники, изготовленные из тех же материалов, что и обе половинки ленты.

Для измерения температуры выпуклой поверхности лучковая термопара прижимается к этой поверхности средней частью так, чтобы поверхность охватывалась лентой, по крайней мере, на участках по 30 мм по обе стороны от спая.

В сквозные отверстия красномедного диска впаивают термоэлектроды, образующие термопару. Для обеспечения механической прочности конструкции применяют термоэлектроды диаметром 2 — 3 мм. Нижней поверхности диска (“пятачка”) придают форму той поверхности, для измерения температуры которой предназначена термопара.

Термоэлектродвижущая сила пятачковой термопары образуется в результате замыкания термоэлектродов металлом пятачка. При хорошей пайке это замыкание происходит по всей поверхности отрезков термоэлектродов, утопленных внутрь пятачка. Но электрическая цепь с наименьшим сопротивлением образуется главным образом верхним поверхностным слоем пятачка и температуру этого слоя в основном определяет термо э. д. с. термопары.

Уравнения теплового баланса пятачковой термопары составляют аналогично тому, как это было сделано выше для ленточной термопары, с той разницей, что помимо теплового потока, рассеиваемого в результате конвективной и лучистой теплоотдачи с внешней поверхности пятачка, большое значение приобретает учет части рассеиваемого теплового потока, отсасываемой от пятачка термоэлектродами вследствие их теплопроводности.

Необходимо учесть следующее обстоятельство. Термоэлектроды изготовлены из различных металлов или сплавов с разными значениями коэффициента теплопроводности. Так, например, платинородиевый термоэлектрод термопары типа ПП характеризуется коэффициентом теплопроводности, вдвое меньшим, чем второй термоэлектрод — платиновый.

Если диаметры термоэлектродов одинаковы, то различие значений коэффициентов теплопроводности термоэлектродов приведет к тому, что в местах электрического контакта термоэлектродов с пятачком образуется разность температур, которая послужит причиной возникновения в цепи термопары паразитной термо э. д. с.

Метод измерения температуры поверхности твердого тела

Термопары этого типа применяют главным образом для измерения температур поверхности сравнительно мягких металлов и сплавов. Для штыковой термопары применяют термоэлектроды из достаточно твердых сплавов, например из хромеля и алюмеля диаметром 3 — 5 мм.

Один из термоэлектродов термопары закреплен на головке неподвижно, а второй может перемещаться вдоль своей оси, и в нерабочем состоянии конец его выдвигается пружиной ниже конца первого термоэлектрода. Концы обоих термоэлектродов заострены.

При подведении термопары к объекту значительных размеров поверхности объекта касается сначала острие подвижного термоэлектрода. При дальнейшем нажиме на головку термоэлектрод входит в нее до тех пор, пока острие термоэлектрода не встретит поверхности объекта. Тогда оба острия прокалывают поверхностную пленку окисла на поверхности объекта, и этот металл замыкает электрическую цепь термопары.

При хорошей заточке концов термоэлектродов термопара дает надежные результаты измерений температур поверхностей цветных металлов, обладающих мягкой, легко прокалываемой пленкой окислов.

Применение штыковой термопары с затупленными остриями приводит к тому, что поверхности соприкосновения обоих термоэлектродов с объектом становятся сравнительно большими, в результате чего охлаждаются участки поверхности объектов в местах касания концов термоэлектродов и термопара дает явно заниженные показания температур. Однако уже через 20 — 30 секунд тепло, поступающее из окрестных областей объекта, нагревают охлажденный участок, а с ним и концы термоэлектродов.

Таким образом штыковая термопара с затупленными концами в момент контакта дает заниженные показания температуры объекта, затем в течение нескольких десятков секунд ее показания растут, асимптотически приближаясь к устойчивому значению. Это устойчивое значение тем сильнее отличается от действительного значения температуры поверхности объекта, чем больше поверхность соприкосновения затупленных концов термоэлектродов с объектом.

Градуировка поверхностных термопар

Температура, которую принимает в установившемся состоянии поверхностная термопара, оказывается ниже измеряемой температуры поверхности, с которой контактирует термопара. Этот перепад температур в значительной степени может быть учтен благодаря градуировке поверхностной термопары в условиях теплоотдачи с ее наружной поверхности, приближающихся к условиям эксплуатации.

Из этого положения вытекает, что градуировочная характеристика поверхностей термопары может сильно отличаться от характеристики термопары, образованной из тех же термоэлектродов, но градуированной методом сравнения с образцовой при их совместном погружении в термостатируемое пространство.

Следовательно, поверхностные термопары нельзя градуировать погружением в термостаты (жидкостные лабораторные нагревающие термостаты для градуировки термопар). К ним должна быть применена другая методика градуировки.

Поверхностные термопары градуируют, прикладывая их с требуемым прижатием к наружной металлической поверхности тонкостенного жидкостного термостата. Нагретая жидкость внутри термостата хорошо перемешивается, и ее температура измеряется каким-либо образцовым прибором.

Наружная поверхность термостата покрывается слоем тепловой изоляции. Тепловой изоляцией не покрывается только небольшой участок наружной поверхности, находящийся приблизительно на половине высоты термостата, к которому и приложена термопара.

При такой конструкции температуру металлической поверхности термостата под поверхностной термопарой с погрешностью, не превышающей несколько десятых градуса, можно считать равной температуре жидкости в термостате.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Оцените статью
Анемометры
Добавить комментарий