Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория и практика теплофизического эксперимента. Учебное пособие
.pdf
4.3. Бесконтактные средства измерения температуры
Во-первых, методы не требуют непосредственного контакта с объектом, поэтому не искажают его температурное поле.
Во-вторых, верхний предел измерения пирометрами не ограничен. В-третьих, методы очень чувствительны.
Однако эти методы измерения дают значения условной
псевдотемпературы (яркостной, цветовой, радиационной), а не
истинной (термодинамической) температуры объекта. В общем случае соотношение между псевдотемпературами следующее:
(Т – Т
) < (Т – ТS) < (Т – Тр). (4.7)
ц
В таблице 3 указаны погрешности различных методов измерения температуры по излучению. В таблице 3 взяты крайние значения области наиболее часто встречающихся на прак-
тике величин
,
и
ТТ
,
.
ТТ21,
Таблица 3
Погрешности различных методов измерения температуры
реальных тел по их излучению
Значения условной температуры, К Погрешность
Т, К
Условная
температура
1000 Т
1500 Т
2000 Т
Т
Т
Т
ТР
Т
ТР
= 0,2
ε
λ,Т
λ1,Т/ελ2,Т
= 0,2
ε
Т
932
974
669
1352
1442
= 1,3
ε
S
ц
Р
S
ц
1003
S
ц
1746
1898
1337
ε
λ,Т
ε
λ1,Т/ελ2,Т
ε
Т
= 0,95
= 1,01
= 0,95
998
999
987
1495
1497
1481
1991
1995
1974
измерения, К
∆Т
–
–
–
–
–
–
–
–
–
331
148
158
497
254
102
663
68
26
∆Т
1
–
–
–
–
–
13
–
–
19
–
–
26
2
2
1
5
3
9
5
31
Глава 4. Методы определения температуры
Пирометры излучения могут применяться без ограничений
при измерении температуры тел со сплошным спектром излучения. При измерении температуры газов необходимо, чтобы
полоса пропускания оптической системы пирометра совпадала
с одной из полос излучения газа.
Одной из основных погрешностей измерения температуры
по излучению является погрешность определения коэффици-
ента излучения
или
Т,
.
Т
Для яркостных пирометров
Обычно
,,
ТТ
Т
Т C
10...20
%, что дает для
2,
,
Т
T
. (4.8)
Т
2...3ТТ
%.
Для цветовых пирометров
Так как
TT
T
, то погрешность
11
C
21
2
12
ТТ
(/ )
1, 2,
TT
/
1, 2,
TT
очень мала.
ТТ
. (4.9)
Для радиационных пирометров
Ошибка
ТТ
15...20
Т
Т
Т
. (4.10)
4
Т
%, следовательно,
()5...8%.ТТ
Кроме того, существенное влияние на результаты измерения температуры может оказать промежуточная среда — пары
воды и углекислый газ CО2, особенно в случае радиационного
пирометра полного или частичного излучения.
Показания всех пирометров зависят от посторонних источников излучения. Исключить вносимую погрешность расчетным путем практически невозможно, это достигается только
правильной организацией эксперимента.
32
4.3. Бесконтактные средства измерения температуры
Наконец, погрешность может быть вызвана и температурной зависимостью коэффициента пропускания оптической
системы пирометра. Эта погрешность невелика — ~ 0,3 % при
Т ~ 3000 К.
4.4. Измерение температур в энергетических реакторах
Измерение температур в энергетических реакторах и активной зоне имеет свои специфические особенности. Во-первых, это вопросы радиационной безопасности, во-вторых,
обеспечение длительной работы средств измерения температуры со стабильными градуировочными характеристиками.
Наиболее важная и самая теплонапряженная часть реактора — тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ). Так как в них расположено делящееся вещество, то они считаются самыми
опасными частями реактора. Допустимый уровень температуры топлива и оболочки определяется применяемыми материалами. Толщина оболочек — от 0,1 мм для стальных оболочек
до 1 мм для циркониевых сплавов. Температура в зависимости
от вида реактора и его конструктивных особенностей составляет от 350 до 1200 °С. Занижение температуры оболочек относительно расчетной приводит к падению мощности реактора. Повышение температуры может вызвать разрушение оболочек и стать причиной аварийной ситуации. Поэтому контроль за температурой оболочек твэлов — одна из важнейших
задач в энергетических реакторах. Наиболее приемлемыми для
этой цели являются кабельные термоэлектрические термометры, обладающие повышенной стойкостью к тепловым ударам,
вибрациям, механическим нагрузкам.
Многозонные кабельные термометры применяются и для
определения температуры графитовой кладки — графитового
замедлителя. Температура является одним из важнейших па-
33
Глава 4. Методы определения температуры
раметров, характеризующих его свойства. Особенности измерения температуры обусловлены в этом случае относительно
высоким ее значением
800 °С, науглероживанием материа-
лов конструкции термометра, ионизирующим облучением и
практической невозможностью доступа к местам измерений.
Существенен и выбор наиболее характерных точек замеров в
графитовой кладке.
Большое число температурных измерений в реакторах приходится на контроль температур теплоносителя в различных
точках первого и второго контуров.
Термометры сопротивления для внутриреакторных измерений практически не применяются в связи с существенным
изменением электрического сопротивления под воздействием
ионизирующих излучений — в результате ядерных превращений электрическое сопротивление возрастает, что приводит к
завышению показаний термометров сопротивления.
4.5. Измерение криогенных температур
Криогенными называются температуры ниже 90 К. Измерение таких температур имеет свои специфические особенности и трудности, которые возрастают по мере приближения к
абсолютному нулю. Наибольшее распространение для измерения низких температур получили термометры сопротивления и термоэлектрические. Первые применяют для измерения температур от 0,01—0,02 К и выше. Сопротивление
термометра при низких температурах становится настолько
малым, что затрудняет его измерение. При этом уменьшается
и температурный коэффициент сопротивления (ТКС) термометра. Возрастает и влияние дефектов кристаллической решетки материала термометра на его сопротивление.
Уменьшение теплоемкости материалов при низких температурах может привести к существенному отличию собственной температуры чувствительного элемента термометра от
34
4.5. Измерение криогенных температур
температуры измеряемой среды за счет самонагрева и подвода
теплоты по проводам и защитной арматуре.
Из металлических термометров широко применяются платиновые термометры сопротивления (от 10 К и выше). За рубежом используют никелевые термометры сопротивления
(77…300 К) и манганиновые (4,2…300 К).
Для измерения температур ниже 13 К в России в основном
применяются германиевые термометры сопротивления. Они
предназначены для диапазона 0,1…300 К. Сопротивления Ge
увеличивается с понижением температуры и при гелиевых
температурах исчисляется сотнями и тысячами Ом. Коэффициент преобразования при этих температурах составляет 102—
103 Ом/К. Серийные германиевые термометры сопротивления
имеют предел допускаемых погрешностей 0,05…0,1 К. Эталонные термометры имеют стабильность градуировочной характеристики до 10
– 3
К.
При наличии магнитных полей для измерений при низких
температурах целесообразно применять угольные термометры
сопротивления, так как другие термометры меняют свои показания в этих условиях. Угольные термометры изготавливаются
из каменного угля путем специальной термообработки. Главное их достоинство — обратная пропорциональность ТКС
температуре. Градуировочная характеристика угольного (графитового) термометра отличается нестабильностью.
Из термоэлектрических термометров для измерения в диапазоне 20…300 К используется медь-константановый термометр. Однако его коэффициент преобразования существенно
уменьшается с понижением температуры: с 40 В/К при 300 К
до 5 В/К при 20 К. Термоэлектрические термометры уступают
термометрам сопротивления в точности и в стабильности градуировочной характеристики.
Применяются также газовые и конденсационные термометры. Гелиевый термометр может перекрыть всю область
температур от 90 до 1 К, при этом не нужна предварительная
градуировка. Для точных измерений необходимо учитывать
отличие реального газа от идеального.
35
Глава 4. Методы определения температуры
Термометры магнитной восприимчивости используются
при температурах ниже 1 К, исключительно в лабораторных
условиях из-за необходимости проведения магнитных измерений. Сравнительно большие размеры также ограничивают область их применения.
Большое внимание необходимо уделять методическим погрешностям измерения криогенных температур, которые обусловлены особенностями теплообмена чувствительного элемента термометра не только с измеряемой средой, но и с окружающей средой и элементами конструкции установки.
4.6. Измерение температуры расплавов
Сложность измерения температуры расплавов определяется в основном активной коррозией защитного чехла термометра. Методические погрешности при определении температуры
расплавов можно не принимать во внимание, так как теплоотдача от расплава к чехлу термометра, как правило, очень хорошая. Исключение составляют синтетические материалы большой вязкости (пластмассы, синтетика, синтетический каучук),
у которых коэффициент теплоотдачи мал.
При измерении температуры расплавов солей защитные
чехлы через несколько десятков часов выходят из строя из-за
агрессивного действия расплава. Поэтому обычно делают легко сменяемый чехол из дешевой стали, который одновременно
является один из электродов термоэлектрического термометра.
Для определения температуры расплавов стекла могут
применяться защитные чехлы из углеродных блоков или благородных металлов.
Измерение температуры расплавов цветных и легких
металлов вызывает большие трудности из-за сильной коррозии металлических защитных чехлов. Кварцевые чехлы не
пригодны, так как, соединяясь, например, с окисью алюминия,
кварц пре
вращается в низкоплавкое стекло. Жидкие медные
36
4.6. Измерение температуры расплавов
сплавы отбирают у кварца кислород, разрушая его структуру.
Для некоторых расплавов цветных металлов применяются
чехлы из хромистого чугуна. Широкое распространение для
эпизодического измерения температур жидкой стали и расплавов цветных металлов получили термоэлектрические термометры кратковременного погружения со сменными блоками.
Существуют термоэлектрические термометры для непрерывного измерения температуры расплавленной стали. Эти термометры обла
да
ют значительной инерционностью, так как по-
мещаются в специальную трехслойную защитную оболочку.
В связи с малой надежностью контактных термометров в
расплавах для определения температуры жидкой стали и других расплавов часто используются пирометры, их вид зависит
от условий измерения. Одновременное измерение действительной температуры расплава пирометром позволяет делать
заключения о качест
ве ста
ли или расплава, об их химическом
составе.
Температура расплавленного стекла может измеряться пирометрами полного или частичного излучения при достаточно
большой толщине слоя расплава (во избежание влияния подложки). Учитывая, что в области λ = 4…9 мкм все сорта стекол
имеют ε ~ 0,96, работающие в этой области пирометры частичного излучения мог
ут быть отграду
ированы в значениях
действительной температуры. Часто пирометры визируются
на дно керамической калильной трубки — модель черного
тела, погруженной в расплав.
Пирометры излучения могут быть использованы для измерения температур пластмасс и полимерных материалов. Спектральные характеристики большинства полимеров имеют
характерные полосы поглощения, в которых ε ~ 1, например у
полистирола 3,4, 6,8 и 14,2 мкм. Поэт
ры с соответству
ющей эффективной длиной волны могут из-
ому яркостные пиромет-
мерять сразу действительную температуру.
Глава 5. Погрешности измерения температуры в реальных условиях
Глава 5
ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
5.1. Причины возникновения погрешностей
Определение температуры различных сред подразумевает
наличие стационарного или нестационарного теплообмена
между термоприемником и измеряемой средой, так как условием правильного измерения температуры является равенство
их температур.
Передача тепла может осуществляться тремя способами —
теплопроводностью, конвенцией или излучением. Такое деление в известной степени условно, так как в общем наблюдается сложный теплообмен между телами. Анал
измерения и условия теплообмена, можно оценить погрешность измерения температуры, т.
е. отличие измеренной тем-
пературы от истинного ее значения. Собственная температура
термоприемника не будет равна температуре измеряемой
среды. Эта погрешность зависит от конструкции термометра
или пирометра и особенностей его установки на объекте измерения, от условий теплообмена термометра с окружающей
средой. Для пирометров излучения необходимо учитывать
также влияние промежуточной среды. Влияние тех или иных
факторов мо
жет определяться конкретным методом измерения. В установившемся режиме — при тепловом равновесии —
термометр будет иметь статическую погрешность измерения.
В нестационарном режиме может наблюдаться динамическая
погрешность измерения, определяемая конструкцией, теплофизическими параметрами термометра и условиями теплообмена с измеряемой средой.
изируя условия
38
5.2. Погрешности, обусловленные теплообменом теплопроводностью и излучением
5.2. Погрешности, обусловленные теплообменом
теплопроводностью и излучением
Для реальных термометров практически невозможно определить все составляющие теплообмена с учетом их конструктивных особенностей. Если считать, что передача тепла осуществляется только за счет теплопроводности, то можно оценить
погрешность изменения для термометра, представляющего
собой однородный стержень, заделанный одним концом в
измеряемый объект (в случае термопары — зачеканка или
приваривание одним концом к измеряемому объе
кту). Для такого полуограниченного стержня уравнение теплопроводности имеет вид
2
[()]
dT Tx
Cl
2
dx
P
TTx
[ ( )].
S
Cl
(5.1)
Решение этого уравнения описывается выражением
()
TT
— температура стенки трубопровода в месте заделки
где Т
С
термометра (x
TT
TC
= L); L — длина термометра (расстояние от
C СТ
[/ ]
ch L P S
, (5.2)
1/2
конца термометра до места его заделки); α — коэффициент
конвективной теплоотдачи; λ — коэффициент теплопроводности; Р и S — периметр и площадь боковой поверхности тер-
мометра соответственно.
При измерении высоких температур газового потока
можно считать, что определяющее влияние имеет излучение.
Уравнение теплообмена имеет вид
где
CF FTT
0
00
пр TkTCT
8
10 5,67C
4
T
T
100 100
Вт/м
T
C
2
· К; F
4
<< FCT.
T
(),
(5.3)
39
Глава 5. Погрешности измерения температуры в реальных условиях
F
Решение (5.3) дает выражение для погрешности:
C
0
TT
TC
пр
k
4
T
T
100 100
4
CT
.
(5.4)
T
Выражение (5.3) записано для случая протекания газа по трубопроводу (рис. 3).
Часто имеет место случай именно сложного теплообмена. Условие теплового
Рис. 3
баланса для термометра запишется в виде
.
QQQ
(5.5)
CR
Для упрощения схемы термометра эти составляющие мож-
но записать так:
PP
STTthL F
CCT пр T
SS
0
4
T
T
100 100
4
T
CT
TT TTthL
TC CCT
SS P
LP S
C
0
пр
TT
TC T
T
T
100 100
; (5.6)
4
4
T
CT
.
(5.7)
Очевидно, что чем меньше теплоты будет передаваться через термометр, тем меньше будет погрешность измерения,
обусловленная теплообменом. Поэтому всегда нужно принимать соответствующие меры с целью уменьшения этой погрешности. Одной из этих мер является увеличение длины
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]