книги из ГПНТБ / Коротков П.А. Динамические контактные измерения тепловых величин

Г о с . п у б л и ч н а я

К66

УДК 53.082.6 Ч И Т А Л Ь Н О Г О ГОАЛА

В книге рассматрйваюдсягдагфосы контактных из­ мерений динамических'тёмпедатур,' тепловых потоков, скоростей и расходов, а также теплофизических коэф­ фициентов (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость) в динамических режимах. Приводится анализ методов определения истинных значений темпе­ ратур и тепловых потоков для различных случаев, опи­ сываются измерительные системы тепловых расходо­ меров термоанемометров. Рассматриваются методы и устройства компенсации неинформативных факторов и коррекции динамических погрешностей.

Книга предназначается для инженерно-техниче­ ских работников, занимающихся исследованием дина­ мических тепловых процессов, измерением теплофизи­ ческих величин и созданием аппаратуры для указанных измерений. Она может быть полезна также студентам вузов соответствующих специальностей.

Табл. 6. Ил. 139. Список лит. 123 назв.

Рецензент канд. техн. наук Л. Л. Б о ш н я к Редактор д-р физ.-матем. наук проф. А. Ф. Ч у д н о в с к и й

333—247 038 (01)—74 247—74

ДИ Н А М И Ч Е С К И Е

КО Н Т А К Т Н Ы Е

ИЗ М Е Р Е Н И Я

ТЕ П Л О В Ы Х

ВЕ Л И Ч И Н

@ Издательство «Машиностроение», 1974 г.

П Р Е Д И С Л О В И Е

Развитие высокопараметрических динамических процессов представляет собой одно из направлений научно-технического прогресса.

Для исследования таких процессов и управления ими необ­ ходимы новые методы и средства динамических измерений тепло­ вых величин. К последним относятся прежде всего температуры, скорости, ускорения, пульсации скоростей и давлений и другие параметры структур газовых и жидкостных потоков. Динамиче­ ские измерения указанных величин необходимо производить в та­ ких объектах, как, например, плазменные реакторы, металлурги­ ческие печи, топки и камеры пульсационного горения.

Процессы измерения тепловых величин отличаются от изме­ рения величин другой природы (механических, оптических, элек­ трических, акустических и др.) своей значительной инерцион­ ностью. В то же время развитие быстропеременных тепловых про­ цессов требует информации об истинных значениях параметров, измеряемых при помощи инерционных тепловых первичных пре­ образователей. Таким образом, неизбежно расхождение между истинным (контролируемым) значением и зарегистрированным прибором сигналом.

Максимальная идентичность между результатом измерения и истинным значением величины может быть достигнута различными методами и средствами, число которых непрерывно увеличивается по трем направлениям. Во-первых, это — развитие методов ана­ лиза погрешностей и введения поправок в результаты измерения. Во-вторых, создание малоинерционных приемных преобразовате­ лей. И в-третьих, разработка автоматических корректирующих устройств для компенсации динамических погрешностей.

Методы динамических измерений в последнее время все шире применяются для определения теплофизических констант — коэф­ фициентов теплопроводности, теплоемкости, температуропровод­ ности, тепловой активности. Опережающее развитие в этой области динамических методов по сравнению со статическими объ­ ясняется не только значительно меньшей продолжительностью

Глава I

И З М Е Р Е Н И Я Д И Н А М И Ч Е С К И Х Т Е М П Е Р А Т У Р И Т Е П Л О В Ы Х П О Т О К О В

1 . У Р А В Н Е Н И Я Т Е П Л О П Р О В О Д Н О С Т И В И З М Е Р И Т Е Л Ь Н О Й С Р Е Д Е 1

Температура является главной информативной величиной в тепловых измерениях, по которой судят не только о степени нагретости тела, но и о других теплофизических свойствах тел и параметрах тепловых процессов. К ним относятся теплопровод­ ность, теплоемкость, температуропроводность, тепловая актив­ ность, скорость потока и т. д.

При динамических исследованиях измеренное и истинное зна­ чения температур различаются между собой. В результате задача сводится к определению разности между показаниями первичного преобразователя и контролируемой температурой.

Процесс восстановления истинного значения температуры кон­ тролируемого объекта разделяется на два этапа: 1) получение результатов измерения по вторичному прибору (милливольт­ метр, потенциометр, микроамперметр, осциллограф); 2) анализ результатов измерений с целью установления истинного зна­ чения * контролируемой температуры.

При наличии соответствующей регистрирующей аппаратуры выполнение первого этапа не представляет особых затруднений. Осуществление второго этапа требует знания закономерности динамического теплообмена в зоне измерения температур и ме­ тодов анализа, учитывающих условия исследований. Таким об­ разом, одна из основных задач, возникающих при измерениях динамических температур и тепловых потоков, состоит в установ­ лении и оценке погрешности из-за температурного возмущения,

в которой имеет место переформирование температурного поля в результате внесения инородного для нее материального тела (первичного преобразователя).

5

Если величина регистрируемой температуры зависит от дей­ ствия переходного процесса в зоне исследования, то возникает

первичных преобразователей температуры, а также сложность учета условий теплообмена в зоне измерения делают оценку по­ грешности в общем случае неразрешимой задачей. Определение погрешности измерений возможно лишь с учетом конкретных условий измерений. Характер зависимости между измеренной и контролируемой температурами определяется видом решения уравнения теплопроводности с учетом условий опыта и законом изменения входного воздействия во времени.

Получим расчетные соотношения при произвольном виде вход­ ного воздействия и различных условиях опыта.

Наиболее общее уравнение теплопроводности применительно к особенностям работы первичных преобразователей в декарто­ вой системе координат имеет вид

dt д /. Ы \ . д /. dt \ . д /- dt \ . / т

количество тепла, возникающее в единичном объеме за единицу

Наряду с записью уравнения теплопроводности в виде (1.1) используется также представление его в цилиндрической и сфе­ рической координатах:

дх \ dz* "Г Г дг "т" г2 dQ* дг^ J cp ' V , 0 )

где

ху

cos ф ~~ sin ф '

6

и

(1.4)

где

Для решения уравнения теплопроводности, т. е. определения распределения температуры во времени и пространстве, должны быть заданы дополнительные сведения о форме и размерах кон­ кретного первичного преобразователя, его теплофизических свой­ ствах, начальном распределении температур в измерительной среде и условиях теплообмена между первичным преобразователем и контролируемой средой. Последние выражаются в виде так назы­ ваемых граничных условий [56]. На практике чаще всего встре­ чаются следующие граничные условия.

1. Граничные условия первого рода состоят в задании изме­

2.Граничные условия второго рода заключаются в задании теплового потока q, проходящего через любой участок поверх­ ности первичного преобразователя.

3.Граничные условия третьего рода действуют при тепло­ обмене первичного преобразователя со средой по закону Нью­ тона. При этом в соответствии с законом сохранения энергии тепло, подводимое за счет теплопроводности к единичному участку по­ верхности первичного преобразователя, отдается в окружающую среду, т. е.

*(te-t) = - K * - , х = 0, т > 0 , (1.5)

где а и 4 — соответственно коэффициент теплообмена и темпера­ тура среды.

4. Граничные условия четвертого рода характеризуют особен­ ности передачи тепла за счет теплопроводности и выражают ра­ венство температур и тепловых потоков на границе двух тел:

Выбор граничных условий диктуется особенностями процесса. В приложении к измерительным системам реже всего используются граничные условия второго и четвертого рода.

Учитывая тот факт, что первичные преобразователи реагируют

7

зуются в измерительной технике для исследования влияния формы первичного преобразователя на процесс теплопередачи в измери­ тельной среде.

Запишем уравнение (1.2) в одномерном представлении и усло­ вия, соответствующие граничным условиям третьего рода:

(1.19)