3.9.2. Радіаційні пірометри

Дія радіаційних пірометрів ґрунтується на вимірюванні густини інтегральногопотоку випромінювання. Вони вимірюють радіаційну температуру T_р, тобто таку, при якій густина інтегрального потоку випромінювання абсолютно чорного тіла дорівнює густині інтегрального потоку випромінювання реального тіла при температурі . На основі закону Стефана-Больцмана (3.47) зв'язок між температурою тіла і радіаційною температурою визначається формулою

T = Tр ,

(3.49)

де – інтегральний коефіцієнт чорноти тіла.

Принципова схема радіаційного пірометра показана на рис. 3.30.

Радіаційний пірометр типу РАПІР складається з об’єктиву з лінзою 1, обмежувальної діафрагми 2, чутливого елемента 3, окуляра 4 із захисним світлофільтром 5 і електровимірювального приладу 6. Чутливий елемент пірометра – це термобатарея, яка складається з декількох послідовно з’єднаних між собою термопар. Робочі спаї термопар розклепані у вигляді тонких секторів, які покриваються черню і наклеюються на тонку слюдяну пластинку. Вільні кінці термобатареї приварені до тонких металевих пластинок, через які термобатарея підключається до електровимірювального приладу. Для вимірювання термоЕРС застосовуються мілівольтметри або автоматичні потенціометри.

Оптична система пірометра концентрує потік променистої енергії на чутливому елементі, ступінь чорноти якого близька до одиниці. Температура робочих спаїв термобатареї відповідає тепловій рівновазі між поглиненим потоком променистої енергії і відводом теплоти в навколишнє середовище і не перевищує 250 ^оС. Потік променистої енергії на чутливий елемент обмежується діафрагмою 2.

Оптична система радіаційних пірометрів виготовляється з об’єктивами з кварцового скла для діапазону температури 400…1500 ^оС і з оптичного скла для діапазону 900…2500 ^оС. Кварцове скло застосовується завдяки його здатності добре пропускати хвилі великої довжини, які випромінюються нагрітим тілом при більш низьких температурах.

Радіаційні пірометри мають певні переваги порівняно з оптичними пірометрами, які полягають в об’єктивності методу вимірювання, відсутності допоміжного джерела струму і можливості застосування ди-станційної передачі показань, але точність вимірювання цими піро-метрами нижча.

3.10. Спеціальні вимірювання температури

Експлуатація суднових енергетичних установок, дослідження робочих процесів і випробування їх устаткування характеризуються надзвичайною різноманітністю умов вимірювання температури і вимог до вибору методів вимірювань, конструкції засобів вимірювань і розміщення їх на об’єкті. Головним при цьому є забезпечення необхідної точності вимірювань температури, надійності роботи засобів вимірювань, мінімального впливу засобів вимірювань на робочі процеси в устаткуванні. Такі вимірювання температури звичайно відносять до спеціальних.

1. Вимірювання температури поверхні і всередині твердих тіл

Невпинне зростання одиничної потужності енергетичних установок і прагнення до зниження маси і габаритів можливе лише при значному підвищенні енергонапруженості устаткування. Важливе значення при цьому надається оцінюванню температурного рівня теплонапружених деталей енергетичного устаткування: лопаток і дисків газових турбін, деталей циліндро-поршневої групи двигунів внутрішнього згоряння, поверхонь нагріву котлів, тепловиділяючих елементів ядерних реакторів тощо.

Температуру поверхні тіл вимірюють контактними і неконтактними методами. При контактному методі чутливий елемент термометра порушує початковий розподіл температури в тілі. Внаслідок цього виникає методична похибка вимірювання температури, яка залежить від конструкції чутливого елемента, способу закріплення його на поверхні, підведення або відведення теплоти по чутливому елементу внаслідок теплопровідності, змінювання умов теплообміну тіла з середовищем.

Для вимірювання температури поверхні найбільш придатні термоелектричні термометри, але іноді також застосовують термометри опору з термоперетворювачами спеціальної конструкції. Існують два способи закріплення чутливих елементів термометрів: у спеціальних канавках і безпосередньо на поверхні. Докладна інформація про теоретичний аналіз різних способів закріплення вимірювальних перетворювачів температури наведена в [26].

При розміщенні в канавках робочий спай термоелектричного перетворювача (термопари) утоплюється в тіло на певну глибину, канавка заповнюється клеєм, пастою або цементом. Іноді зверху термоелек-троди термопари закриваються металічною фольгою. Для підвищення точності вимірювання канавки розміщують вздовж ізотермічної лінії, а довжину виконують такою, щоб відведення теплоти від робочого спаю термопари було незначним.

Методична похибка при закріпленні робочих спаїв термопар у канавках на відстані δ_д від поверхні (рис. 3.31) визначається формулою

,

(3.50)

де T_с – температура спаю; T_п – температура поверхні; – густина теплового потоку; λ_т – коефіцієнт теплопровідності матеріалу тіла.

Формулою (3.50) визначаються наближені значення похибки, оскільки вона не враховує порушення температурного поля, геометрію канавки і термічний опір контакту. Для підвищення точності вимірювання необхідно зменшувати діаметр термоелектродів, глибину канавки і забезпечувати надійний тепловий контакт спаю з поверхнею тіла. При таких вимірюваннях використовуються мікротермопари з ізольованими термоелектродами діаметром від 0,07 до 0,15 мм і розміщеними всередині капіляра з нержавіючої сталі діаметром 0,5…1,0 мм. Робочий спай термопари сплющують на довжині 1…1,5 мм і заварюють. Глибину канавки для розміщення термопар виконують на 0,15…0,2 мм більше діаметра капіляра. Канавку з термопарою заповнюють розплавленим металом за допомогою плазмового металізатора, після чого поверхню ретельно зачищають і полірують.

Мікротермопари застосовують для вимірювання поверхні деталей газових турбін, тепловиділяючих елементів ядерних реакторів, а також для вимірювання температури рухомих деталей енергетичного устаткування.

У випадках, коли виконати канавки неможливо, робочі спаї термопар закріплюють безпосередньо на поверхні паянням, зварюванням або механічними способами. На рис. 3.32 показано закріплення термоелектродів 3 на поверхні труби 1 за допомогою накладки 2. Робочий спай термопари утворюється приварюванням термоелектродів до накладки. Ізольовані термоелектроди 4 розміщені вздовж твірної труби. Закріплення термопари безпосередньо на поверхні тіла зумовлює значні методичні похибки внаслідок порушення температурного поля через змінювання умов обтікання, теплообміну і відведення теплоти по термоелектродам.

Підвищенню точності вимірювання температури поверхні елементів теплоенергетичного устаткування сприяє застосування плівкових термопар. Вони найбільш поширені для вимірювання температури деталей складної геометричної форми, які функціонують в агресивному середовищі при значних механічних і вібраційних навантаженнях, наприклад, тонкостінних охолоджуваних лопаток газових турбін.

Плівкові термоелектроди, розміщені на поверхні деталі, повторюють її форму. Термоелектроди відокремлені від поверхні деталі шаром електричного ізолятора – підкладки. Товщина підкладки і термоелек-трода разом складає 0,05…0,1 мм. В зручному місці до плівкового термоелектрода приєднують дротяний.

Застосовуються також напівштучні високотемпературні термопари, які утворюються плівковим термоелектродом і матеріалом деталі із загальною точкою контакту – спаєм термопари. ТермоЕРС, що виникає в термопарі відводиться з плівки і матеріалу деталі за допомогою подовжувальних провідників, які приєднують до деталі в місці, де температура і її градієнт по поверхні найменші. Високотемпературні плівкові термопари застосовуються для вимірювання температури деталей теплових двигунів в діапазоні від 200 ^оС до 1200 ^оС. Плівкові термоелектроди виготовляють з нікелю і платини.

Матеріали електроізоляційних підкладок високотемпературних плівкових термопар повинні утворювати тонкі шари у вигляді вузьких доріжок різної конфігурації, мати високі електроізоляційні властиво-сті, достатню опірність тепловим ударам і теплозмінам, мати майже такий же температурний коефіцієнт лінійного розширення, як мате-ріали термоелектрода і деталі. Для підкладок використовують емалі на основі оксиду хрому для температур 1000…1100 ^оС, алюмосилікатні і клейові цементи, жаростійкі покриття з оксидів металів.

Завдяки невеликій товщині плівкових термопар практично не змінюється температурне поле деталі, що значно підвищує точність вимірювання. Недоліками їх є ускладнення приєднання дротяних про-відників до плівкових термоелектродів, а також різниця термоелек-тричних властивостей плівки і провідника, виготовлених з однакових матеріалів, що є джерелом додаткових похибок .

Для вимірювання температури поверхні рухомих деталей теплових двигунів застосовують термофарби – суспензії, які змінюють свій колір або осклюються (сплавлюються) при досягненні певних температур. Термофарби застосовують для теплового контролю поверхонь труднодоступних і тонкостінних деталей. Нанесена на поверхню деталі щіточкою або рейсфедером термофарба застигає на ній. При досягненні певної для кожної фарби температури змінюється її зовнішній вид. Якщо на випробувану деталь нанести фарби з різною температурою переходу, то границя між термофарбами, які змінили і не змінили свій стан після випробування, визначає максимальну температуру нагріву.

На поверхню деталі наносять звичайно п’ять – сім різних термофарб, які охоплюють очікуваний температурний інтервал. Фарби наносяться у вигляді плям діаметром 5 мм і товщиною шару менше 80 мкм, що не порушує цілісність деталі і її температурне поле. Після випробування деталь оглядають і визначають максимальну температуру.

Для вимірювання максимальних температур застосовують набори термофарб з різними температурами переходу: від 43 до 800 ^оС (Ризький лакофарбовий завод, Латвія), від 100 до 1400 ^оС («Темпілак», США), від 40 до 1350 ^оС («Термоколор», Німеччина). Термофарби «Темпілак» при досягненні температур переходу сплавлюються, знебарвлюються і глянцюються, а інші змінюють колір.

Недоліками термофарб є неможливість вимірювання змінної температури, а також залежність показань від швидкості нагріву і часу витримки при максимальній температурі. При значних вібраціях і в деяких агресивних середовищах термофарби можуть змінювати свої властивості, втрачати здатність до зчеплення і осипатися.

Вимірювання температури поверхні може здійснюватися за допомогою радіоактивного ізотопу криптону , який вводять у деталь іонним бомбардуванням або при нагріванні в атмосфері криптону при підвищеному тиску. Після випробування в робочих умовах деталі, насиченої криптоном, вона відпалюється при поступовому підвищенні температури. При цьому контролюється кількість криптону, що виділяється, і температура відпалу. Вихід радіоактивного криптону з деталі різко зростає, коли температура починає перевищувати температуру, яку деталь досягла при випробуванні. Таким чином, температура початку різкого виділення криптону є мірою температури випробування деталі.

Похибки вимірювання температури цим методом складають 25…30 ^оС в діапазоні вимірюваних температур 150…1500 ^оС. Перевагою цього методу є непорушність форми деталі, а також незмінність фізичних і хімічних властивостей матеріалу. Недоліками є технічна складність процесу насичення деталей криптоном, а також відпалу деталі після випробування з реєстрацією початку виділення .

При неконтактних методах вимірювання температури поверхні застосовують пірометри випромінювання. Для вимірювання температури лопаток і дисків газотурбінних двигунів найбільш придатні радіаційні пірометри. Пірометри вимірюють температуру в широкому високотемпературному діапазоні, забезпечують безперервні показання. При цьому зберігається цілісність деталі, практично не змінюється її температурне поле.

Потік променистої енергії, що випромінюється поверхнею деталі, направляється на чутливий елемент пірометра через отвір в корпусі, закритий кварцовим склом. Скло періодично очищують для видалення сажистих і зольних частинок, які осаджуються на поверхні скла і ослаблюють потік променистої енергії.

Точність вимірювання головним чином залежить від оцінки ступеня чорноти поверхні деталі, а також від впливу аерозолей між деталлю та пірометром на його показання.

Для вимірювання температури всередині твердих тіл найбільш придатні термоелектричні термометри завдяки невеликим розмірам чутливого елемента і можливості дистанційного вимірювання. Матеріали термоелектродів повинні бути корозійностійкими, не повинні утворювати гальванічної пари з матеріалом тіла. Цим вимогам задовольняють хромель-копелеві і хромель-алюмелеві термопари.

Систематичні (методичні) похибки, що виникають при вимірюванні температури всередині тіла, зумовлені, головним чином, відведенням теплоти по термоелектродам. Ця похибка визначається рівнянням

,

(3.51)

де f_с – контактна площа перерізу спаю; R_с – контактний термічний опір; і T_с – температури тіла і спаю; f – площа поперечного перерізу термоелектродів; λ_т – коефіцієнт теплопровідності матеріалу електродів; l_с – глибина занурення термопари; – температура термоелек- тродів в місці виходу з тіла.

З рівняння (3.51) видно, що для зменшення методичної похибки необхідно зменшувати контактний термічний опір і діаметр термоелектродів, збільшувати глибину занурення і розміри спаю.

Термопара, розміщена в тілі, порушує температурне поле, що також є джерелом методичних похибок. Найменші порушення розподілу температур будуть при мінімальних розмірах чутливого елемента, надійному тепловому контакті і введенні електродів по ізотермі.

При дослідженні робочих процесів і випробуваннях двигунів вну-трішнього згоряння вимірюються температури втулок циліндрів, поршнів, клапанів тощо, для чого застосовують різні способи закріплення термопар (рис. 3.33).

На рис. 3.33,а і б показано закріплення термопар 1 за допомогою пробок 3 в наскрізному (а) і глухому (б) отворах. Спосіб (а) застосовують для вимірювання температури поршня і кришки циліндра, а спосіб (б) – для циліндрових втулок з виводом термоелектродів у простір з охолодним середовищем. Для таких вимірювань застосовують термоелектроди діаметром 0,1…0,5 мм; розміри втулок і пробок показані на рисунку.

Застосовують також спрощений варіант розміщення термопари у глухому отворі (рис. 3.33,в). Робочий спай 5 притискується до тіла 4 фарфоровою трубкою 3 з термоелектродами 1. Фарфорова трубка закріплюється термостійким клеєм або цементом 2.

Для вимірювання температури рухомих деталей механізмів, доступ до яких під час роботи неможливий (диски і лопатки турбін і компресорів, поршні, клапани та інші деталі двигунів внутрішнього згоряння тощо) застосовуються датчики максимальної температури, в яких використовуються опромінені в ядерному реакторі алмаз або карбід кремнію. Метод вимірювання максимальної температури за допомогою ВМТК (вимірювач максимальної температури кристалічний) ґрунтується на відпалі дефектів, що виникають в алмазі або карбіді кремнію під дією нейтронного опромінювання. Параметри кристалічних решіток деяких речовин при опромінюванні змінюються. Так, опромінювання алмазу при температурі 100 ^оС флюенсом нейтронів нейтр/см², спричиняє розширення його кристалічної решітки на 3…4 %, а решітки карбіду кремнію на 2,5…3 %. Розширення решітки алмазу, наведене опромінюванням, відпалюється в діапазоні температур від 100 до 1200 ^оС, а карбіду кремнію при 1300 ^оС. Визначення розширення кристалічної решітки здійснюється рентгенографуванням після проведення випробування. Таким чином, якщо відомі розширення кристалічної решітки і час відпалу, визначається максимальна температура в місці розміщення ВМТК.

Стандартний ВМТК – це герметична капсула, заповнена порошком опроміненого алмазу або карбіду кремнію. Діаметр капсули 1 мм, довжина 3; 5 і 10 мм. Капсулу розміщують в глухому отворі досліджуваної деталі. В робочому діапазоні температур похибки вимірювання оцінюються в 5 %. Перевагою ВМТК є відносно широкий діапазон вимірюваних температур, невеликі розміри і порівняно висока точність вимірювань.