книги из ГПНТБ / Петунин А.Н. Измерение параметров газового потока. (Приборы для измерения давления, температуры и скорости)

Рис. 3.34. График экспериментальных зависимостей 1п(Т0—Гт) = = j ( t ) для приемников температуры с продольно обтекаемой ка­ мерой торможения для различных чисел М

213

вания типовых конструкций приемников, подобных изображен­

ным на рис. 3.9 и 3.10.

Характеристики получены при следующих условиях:

Для всех вариантов камер торможения зависимости T=f(t) имеют практически экспоненциальный характер. Большие от­ клонения от экспоненциального закона имеют место при малых числах Re в разреженных потоках. Ввиду того, что плотность газа влияет на инерционные свойства приемника сильнее, чем скорость потока, зависимости инерционных характеристик при­ емников представляются в виде графиков зависимости t = f(Re), а не т=/(М ).

Из зависимостей T = /(lg Re) следует, что для неизменных па­ раметров камеры торможения /C=const постоянная времени уменьшается с ростом числа Re. При неизменном числе Re по­ стоянная времени зависит от геометрических параметров камеры торможения и уменьшается с ростом параметра К-

Для рассматриваемых типов термопар при К> 1 постоянная времени перестает уменьшаться (рис. 3.37 и 3.38).

Оптимальные значения геометрических параметров камеры торможения для скоростных и инерционных характеристик при­ емника не совпадают между собой. Для приемников с продоль­

3.16).

Экспериментальное определение инерционных характеристик приемников температуры газового потока ограничивается воз­ можностями тепловых градуировочных труб. Вследствие этого неоднократно делались попытки рассчитать постоянную време­ ни приемников в предположении, что для них справедлив экс­ поненциальный закон изменения показаний во времени при мгно-

214

венном изменении температуры, окружающей приемник. Рас­ сматривая совместно выражение (3.65) для т и выражение (3.17), определяющее тепловое взаимодействие приемника с потоком, для постоянной времени неэкранированного приемника с термо­ парой. имеющей цилиндрический спай, можно получить анали­ тическое выражение в виде

ний коэффициента теплопроводности Ят и коэффициента дина­ мической вязкости рт [16] в виде

г0 \273/

215

Входящие в выражение (3.78) величины должны иметь раз­ мерности:

с, — — — ; ут, d, м; р, Па; Т0, К.

кг-град

Поскольку термопара состоит из двух разнородных материа­ лов, ее постоянная времени вычисляется как средняя арифмети­ ческая величина из значений т, полученных для каждого термо­ электрода.

Рис. 3.39. Расчетные и экспериментальные зависи­ мости постоянной времени т неэкранированных термопар от температуры потока Т0 для числа М =0,5 и М =1

На рис. 3.39 приведены графики зависимости от температу­ ры потока Г0 постоянной времени т неэкранированной термопары из хромелевой и алюмелевой проволоки диаметром 0,7 мм. За­ висимости вычислены по формуле (3.78) и определены экспери­ ментально для чисел М = 0,5 и 1.

Расхождение расчетных и экспериментальных данных лежит в пределах ±15% . Это расхождение еще более возрастает при попытке применить выражения, подобные (3.78), для определе­ ния постоянной времени экранированных термопар. Из рассмот­ рения экспериментальных характеристик на рис. 3.37 и 3.38 и расчетной характеристики на рис. 3.39 следует, что для одиоэкранных приемников расчетные значения постоянной времени могут в 2—3 раза отличаться от действительных. Это обстоятель­ ство еще раз свидетельствует о том, что теоретические оценки инерционных характеристик приемников температуры газового потока требуют экспериментальной проверки.

3.5.ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ

ИМЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРИЕМНИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

При разработке приемников температуры для исследования газовых потоков учитываются специфические требования мето­ дики газодинамического эксперимента при околозвуковых и сверхзвуковых скоростях, а также экспериментальные данные и

216

существующий опыт конструирования приемников для больших скоростей газового потока.

Подавляющее большинство приемников температуры, нашед­ ших применение в практике исследования газовых потоков, пред­ ставляют собой приемники проточного типа, во внутренних ка­ налах которых, носящих название камер торможения, размеще­ ны теплочувствительные элементы.

В качестве чувствительных элементов в основном применяют­ ся термопары и терморезисторы (термометры сопротивления) различных конструкций. Начинают находить применение полу­ проводниковые терморезисторные чувствительные элементы (термисторы).

Существующий опыт в отношении измерения температуры газовых потоков можно свести к следующим положениям:

1. Измерение температуры в диапазоне от 0 до 100. . . 150°С рационально проводить медными термометрами сопротивления, включенными в мостовую схему с переключением диапазонов. Температуру свыше 150 .. .200° С, как правило, измеряют термо­ парами. Температуру до 250 . . . 500° С можно измерять также никелевыми и платиновыми термометрами сопротивления. При­ менение термометров сопротивления предполагает возможным осреднение температуры на длине чувствительного элемента тер­ мометра. Термометр сопротивления всегда включается в элект­ рическую схему, требующую наличия постороннего источника тока с постоянным стабилизированным напряжением.

2. Для измерения перепадов температуры применяются оди­ ночные или батарейные дифференциальные термопары или два термометра сопротивления, включенные в одну мостовую схему. Следует отметить, что при измерении перепадов и термопарами и термометрами сопротивления необходимо одновременно изме­ рять одну из температур для того, чтобы знать, каким участком нелинейной характеристики U=f(At) пользоваться при расшиф­ ровке показаний прибора, и избежать погрешности, возникаю­ щей из-за нелинейности характеристик.

Наибольшее распространение для изготовления термопар по­

Наибольшее распространение для изготовления термометров сопротивления получили следующие металлические материалы: медь (до 150° С); никель (до 300° С); платина (до 500° С).

Приемники с чувствительным элементом в виде термопары по сравнению с термометрами сопротивления имеют меньшие га­

217

бариты, осуществляют измерение практически в точке, удобны для монтажа на экспериментальных объектах и не требуют для измерения специального источника тока.

3. Измерение температуры газовых потоков большей скоро­ сти должно осуществляться специально для этого разработан­ ными приемниками. Это диктуется (высокими требованиями к точности измерения температуры торможения при газодинамиче­ ских исследованиях. Применение для этой цели термометров или термопар промышленного или бытового назначения, а также при­ емников, хорошо зарекомендовавших себя при малых скоростях потока, как правило, не допустимо. Следует оговориться, что на участках газопроводов, где газ течет с малыми скоростями (5— 10 м/с) или в элементах аэродинамических труб, где скорость искусственно полностью тормозится, и в настоящее время мож­ но встретить в качестве приборов, измеряющих температуру газа, ртутные термометры, преимущества которых заключаются в пря­ мом отсчете и малой погрешности измерения. Ртутные термо­ метры встраиваются таким образом, чтобы исключалась необхо­ димость введения поправки на выступающий столбик ртути. Наблюдение за ртутными термометрами ведется через смотро­ вые окна.

4. Следует предостеречь от применения при больших скоро­ стях потока в качестве приемников температуры торможения неэкранировавных термометров или термопар. Для снижения си­ стематической погрешности измерения температуры торможения за счет неполноты торможения чувствительный элемент следует размещать в камере с заторможенным потоком. К такому вы­ воду, по-видимому, независимо друг от друга пришли многие авторы [7, 17, 19], рекомендующие конструкции приемников, ос­ нованные на принципе торможения газа во внутреннем объеме приемника.

Предлагаемые в [4, 12] в качестве приемника температуры для потока большой скорости продольно обтекаемые термопары из голых термоэлектродов диаметром 0,5 мм, спаянных встык без выступов, неудобны в эксплуатации и уязвимы для внешних воздействий. Вследствие этого такие приемники температуры ма­ ло применяются, хотя они имеют постоянный коэффициент вос­ становления, равный 0,9 в широком диапазоне скоростей.

Полное торможение потока в камере торможения недопусти­ мо. В ней необходимо сохранить некоторую скорость для обес­ печения надежной конвективной теплопередачи от газа к чувст­ вительному элементу. Стенки камеры одновременно служат средством защиты чувствительного элемента от механических повреждений и средством уменьшения радиационных потерь тепла чувствительным элементом.

5. Конструкция приемника температуры для уменьшения по­ грешности измерения должна иметь минимальный отвод тепла по стенкам корпуса и по крепежной арматуре приемника. С этой

218

же целью чувствительный элемент должен хорошо омываться газом, иметь возможно большую поверхность теплообмена и ми­ нимальный отвод тепла от чувствительного элемента по отводя­ щим и соединительным проводам. Для уменьшения инерционных погрешностей приемника следует уменьшать массу его чувстви­ тельного элемента. В настоящее время термопара является наи­ более приемлемым и распространенным чувствительным эле­ ментом приемника температуры, позволяющим оптимально ре­ шить проблему радиационной защиты и снизить теплоотвод при минимальных размерах и весе приемника температуры.

6. Из анализа погрешности измерения температуры в потока большой скорости следует, что кроме обычных погрешностей, свойственных любому измерительному прибору, приборы, изме­ ряющие температуру потока большой скорости, имеют дополни­ тельные погрешности, обусловленные конструктивными особен­ ностями приемника.

Коэффициент восстановления является основной характеристи­ кой приемников температуры торможения, предназначенных для измерения в потоках больших скоростей, нагретых до 200. . .

. . . 250° С, при которых погрешность вследствие радиации и теп­ лопроводности мала. В этом случае погрешность приемника оп­ ределяется в основном скоростной погрешностью. При измерении высоких температур возрастают погрешности вследствие радиа­ ционного обмена и теплопроводности. В этих условиях коэффи­ циент восстановления не характеризует достоверность измере­ ния, так как преобладающее значение начинают приобретать погрешности за счет радиации и теплообмена. Вследствие того, что в выражение для коэффициента восстановления входит из­ меренная приемником температура Тт, при его определении практически невозможно выделить в чистом виде влияние не­ полноты торможения. Коэффициент £т выступает как обобщен­ ная характеристика приемника, зависящая от всех перечислен­ ных выше погрешностей. Такую же роль обобщенной характери­ стики выполняют коэффициенты приемников в виде

часто используемые для оценки качества приемников.

Расчет приемника температуры для газового потока больших скоростей сводится к выбору его геометрических и физических параметров, которые в желаемом диапазоне параметров потока обеспечивают измерение температуры с наперед заданной по­ грешностью измерения. При применении такого приемника о тем­ пературе потока судят по градуировке неэкранированного чув­ ствительного элемента, предварительно полученной в статиче­ ских условиях.

219

Ниже приводится методика расчета приемника температуры, иллюстрируемая численным примером.

Для расчета должны быть известны:

Коэффициент восстановления неэкранированного чув­ ствительного элемента £ч.э (по экспериментальным дан­

220

— скоростная погрешность ДГС, град

х — 1М2

ДГс = (1 -С ч.э) Г0

х — 1 1 + ~ М2

221

Данные расчета для температуры газа

То, К

—погрешность теплоотвода по проводам термо­ пары ДГк, град

4. Анализ погрешностей ДГС, ДГК, ДГЛ для неэкранированного чувствительного элемента позволяет выбрать конструкцию экранированного приемника, в которой за­ ложены возможности для снижения этих погрешностей, и наметить пути для их уменьшения. Распределение от­ дельных составляющих погрешности в экранированном приемнике зависит от его конструкции. Полную допусти­ мую погрешность разбивают на три частные погрешно­ сти (в град)

С учетом этих величин погрешностей уточняют конст­ рукцию приемника, используя ее возможности для сни­ жения погрешностей неэранированного приемника до допустимых значений. В рассматриваемом примере вы­ бирается одноэкранная конструкция приемника с попе­ речно обтекаемой камерой торможения

5. По допустимой погрешности (ДГс)доп определяется коэффициент восстановления приемника

1М2

222