9. Измерение температуры твердых тел и их поверхности.

Непрерывно возрастающая интенсивность протекающих про­цессов, напряженность деталей тепловых двигателей ужесто­чает требования к точности оценки их температурного уровня. Особое значение приобретает надежная оценка и контроль тем­пературы трубок парогенераторов, тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, лопаток газовых турбин, деталей цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания. Способы измерения температуры твердого тела и поверхности имеют свои особенности. Важно, чтобы при измерениях нарушения температурного поля были наименьшими.

Измерение температуры твердых тел, имеющих одинаковую температуру, осуществляется просто вводом внутрь термометра. Для этих целей наиболее пригодны термоэлектрические термо­метры благодаря малым габаритам чувствительного элемента, возможности дистанционного измерения, простоте и доступно­сти. Материалы термоэлектродов должны быть коррозионно-стойкими, не должны образовывать гальванической пары с ма­териалом измеряемого тела. Этим качеством удовлетворяют хромель-алюмелевые и хромель-копелевые термопары.

Измерениям температуры тела свойственна систематиче­ская погрешность, наибольшее значение которой соответствует случаю, когда тепловой контакт осуществлен только спаями термопары. Эта погрешность может быть оценена расчетным путем при решении одномерной задачи теплопроводности в ста­ционарных условиях.

Ввод датчиков искажает температурное поле измеряемого тела. Наименьшие нарушения будут при минимальных разме­рах датчика, надежном тепловом контакте и при вводе его по изотерме. Эти рекомендации легко осуществляются в слоистых материалах, например в изоляционном слое. В деталях тепло­вых двигателей, особенно подвижных, крепление датчиков, связь их с измерительными приборами сильно затруднена. Стремление сохранить прочность и плотность конструкции не всегда позволяет выполнить указанные рекомендации.

Наибольшие успехи в термометрировании деталей достиг­нуты в двигателях внутреннего сгорания. Сейчас отработаны способы измерения температуры стенок втулок ци­линдров, крышек, поршней, клапанов и др. В них с требуемой точностью определяются координаты рабочих спаев. На рис. 3.22, а представлено крепление термопары 1 с помощью пробок 3 длиною l и диаметром 5 ,мм в сквозном и глухом (рис. 3.22,6) отверстиях. Сквозные отверстия применяют для измерения температуры тела поршня и крышки цилиндра; глухие— для втулок цилиндров с выводом термоэлектродов в ох­лаждающую среду. В зависимости от рабочих условий и меха­нического взаимодействия со средой термоэлектроды имеют диаметры 0,1—0,5 мм. Сквозные отверстия выполняются диа­метром 3 мм, гнездо для пробок — 5 мм. На буртике гнезда укладываются рабочие концы термоэлектродов; они прижима­ются к телу 4 пробкой известной длины. Пробки устанавливают с прессовой или горячей посадкой; их изготовляют из одина­кового с измеряемым телом материала. Термоэлектроды по­мещены в двухканальную фарфоровую трубку 2. Установка термопары в глухом отверстии отличается только тем, что тер­моэлектроды и фарфоровая трубка находятся в пробке. Применяется также упрощенный вариант установки термопары 1 в глухом отверстии (рис. 3.22, в). Рабочий спай 5 прижимается к телу 4 фарфоровой трубкой 3, в которую уложены термо­электроды 1. Крепление фарфоровой трубки осуществляется термостойким клеем или зубным цементом 2.

В последнее время для измерения температуры труднодоступ­ных деталей (например, впускных и выпускных клапанов, порш­ней, форсунок ДВС) стали применять алмазные индикаторы. Индикаторы изготовляют из алмазного порошка, который облу­чают в атомном реакторе. После этого при нагревании некото­рые атомы «выпадают» из кристаллической решетки. Количе­ство «выпавших» атомов однозначно определяется температу­рой нагрева. Такие изменения достаточно устойчивы, т. е. алмаз как бы «запоминает» наибольшую достигнутую темпеpатуру. Считывание накопленной информации производится с по­мощью рентгенографирования. Предельная температура алмаз­ных индикаторов составляет 1100° С.

Алмазный индикатор имеет небольшие размеры: диаметр 1 мм, длину 3; 5 и 10 мм. Его устанавливают в сверлениях детали. Погрешность измерения температуры оценивается в 5%. Этот метод измерения температуры сравнительно прост, он дает разовую информацию о максимальных температурах тела без указания времени ее достижения.

Температуру поверхности тел измеряют контактными и не­контактными методами. В контактных методах необходимо ис­ключить нарушение условий обтекания и теплообмена с дви­жущейся средой.

Различают два способа крепления чувствительных элемен­тов: в специальных канавках и непосредственно на поверхно­сти. В первом случае термопара утапливается в тело на извест­ную глубину. Рабочие концы крепят зачеканиванием, сваркой и пайкой. Канавки закрывают и тщательно обрабатывают. Жела­тельно располагать канавки по изотерме, выбирать длину та­кой, чтобы отвод теплоты от спаев был незначителен, а возму­щения потока при выходе термоэлектродов в поток не распро­странились до рабочих концов.

Расчеты дают приближенные значения погрешности, поскольку она не учитывает искажение темпера­турного поля, геометрию канавки и термическое сопротивление, контакта. Уменьшение диаметров термоэлектродов, а следовательно, глубины канавки, надежный тепловой контакт снижают эту погрешность.

В последние годы разработаны микротермопары, а также технологический процесс их изготовления и установки (рис. 3.22, г). Они состоят из изолированных термоэлектродов 1 диаметром от 0,07 до 0,15 мм, заключенных в защитный капил­ляр из нержавеющей стали диаметром 0,5—1,0 мм, толщиной стенки 0,1—0,2 мм. Изоляция выполнена из алундового покры­тия, которое наносится на термоэлектроды. Алундовую изоля­цию применяют при измерении высоких температур (более 600°С). Рабочий конец микротермопары сплющивают на длине 1—1,5 мм и заваривают с торца вместе с термоэлектродными проволочками.

Глубину канавки для укладки микротермопар в теле 2 (см. рис. 3.22, г) выполняют на 0,15—0,2мм больше диаметра ка­пилляра. Рабочий спай термопары закрепляют в канавке заче-каниванием. Канавку с термопарой заполняют расплавленным металлом 3 с помощью специального плазменного металлизатора. После металлизации поверхность тщательно зачищают и полируют. При металлизации остальную поверхность тела за­чищают лаком.

Микротермопары обладают высокой механической прочно­стью. Это позволяет использовать их для измерения темпера­туры подвижных деталей и поверхности, обтекаемой интенсив­ными потоками. Применение микротермопар существенно повы­шает точность измерения температуры поверхности. Они широко применяются в научно-исследовательских работах, при термометрировании таких ответственных деталей, как охлаж­даемые лопатки высокотемпературных газовых турбин, ТВЭЛы реакторов и др. На рис. 3 23 показана установка микротермо­пар 2 на сопловой охлаждаемой лопатке 1 дефлекторного типа. В сечении лопатки закреплено шесть хромель-алюмелевых термопар с диаметром защитного капилляра 0,5 мм. Канавки 4 выполнены по образующим профиля и заполнены слоем 3 того же металла, из которого изготовлена лопатка 1.

Температура поверхности может измеряться также мало­габаритными платиновыми термометрами сопротивления. Мик­ротермометр сопротивления выполнен из тончайшей платиновой нити, покрытой алундовой изоляцией. Она помещается в ка­пилляр из нержавеющей стали диаметром до 0,5 мм.

Закрепление чувствительных элементов непосредственно на измеряемой поверхности производят в случаях, когда невоз­можно выполнить канавки (в трубах парогенераторов, в обо­лочке твэлов ядерных реакторов и др.). Рабочие концы закреп­ляют механическими способами (зачеканкой, прижимными кольцами), пайкой и сваркой. Главный недостаток механиче­ских способов крепления — ненадежный тепловой контакт рабо­чих концов с измеряемой поверхностью. На рис. 3 24 показано крепление термоэлектродов 3 на трубе / с помощью накладки 2, которая приварена к трубе. В отверстия этой накладки уста­новлены термоэлектроды и приварены к ней так, что образуют рабочий спай. Изолированные термоэлектроды 4 проложены по образующей трубы.

Крепление чувствительных элементов непосредственно на измеряемой поверхности обусловливает значительные система­тические погрешности. Нарушения температурного поля проис­ходят за счет изменения условий обтекания, теплообмена и отвода теплоты по термоэлектродам. Поправки вносятся на ос­нове специальных расчетов конкретных конструкций крепления либо их электромоделирования с учетом контактного сопротив­ления.

Неконтактные методы измерения температуры поверхности осуществляются пирометрами излучения. Точность измерения главным обра­зом зависит от оценки коэффициента черноты измеряемой по­верхности.

В газотурбостроении получают распространение радиацион­ные пирометры для измерения температуры подвижных деталей (лопаток, дисков), Специальные сверления в корпусе направ­ляют поток лучистой энергии, излучаемой поверхностью лопа­ток и дисков, на чувствительный элемент пирометра. Поток газа в этих отверстиях отсекается защитными кварцевыми стеклами. Градуировка пирометра в местных условиях обеспе­чивает удовлетворительную точность измерения температуры. В процессе измерения на защитных стеклах осаждаются сажи­стые и зольные частицы, ослабляющие поток лучистой энергии. Поэтому периодически стекла необходимо очищать.

В последние годы для измерения температуры поверхности стали применять термоиндикаторы — вещества, которые изме­няют свой внешний вид (цвет, фазовое состояние, яркость свечения) при достижении определенной температуры, называе­мой критической. Их используют для теплового контроля за труднодоступными поверхностями, в случае тонкостенных и подвижных деталей, при исследовании теплового состояния больших поверхностей. Сейчас разработаны наборы термочув­ствительных покрытий, охватывающих температурный диапазон от 40 до 1000° С. Например, серийно выпускаемый набор вклю­чает 34 термочувствительные краски для измерения темпера­туры от 45 до 830° С. В этом наборе при температуре менее 250° С интервал между соседними значениями критических тем­ператур колеблется от 5 до 25° С, при температуре до 590° С — от 20 до 50° С, при температуре до 825° С - от 100 до 135° С.

Нанесение термоиндикаторных покрытий может исказить температурное поле, особенно при интенсивном теплообмене с окружающей средой (путем конвекции или радиации). Умень­шение толщины покрытий и контролируемой поверхности сни­жает до допустимых значений систематическую погрешность. В случае нанесения покрытий на всей поверхности систематиче­ская погрешность определяется расчетным путем. Для этого необходимо знать теплопроводность и толщину покрытия, плотность теплового потока.

Термоиндикаторные покрытия наносятся тремя способами: 1) непосредственно на измеряемую поверхность в виде пятен или полос; 2) на пластинки, которые крепят к поверхности; 3) на всю поверхность. Двум последним способам свойственна систематическая погрешность, которая определяется расчетом. При нанесении пятен толщина слоя не превышает 80 мкм, диа­метр 5 мм. В этом случае можно не учитывать искажение температурного поля. На поверхность обычно наносят пять-семь различных термоиндикаторов, охватывающих ожидаемый температурный интервал. Перед нанесением покрытий поверх­ность тщательно очищается.

Для удобства последующей расшифровки термоиндикаторы наносятся в порядке возрастания критической температуры; последний индикатор с максимальной температурой наносится в виде прямоугольника. После измерений производят осмотр и отмечают номера первого термоиндикатора, не изменившего цвет, и последнего, изменившего окраску. При осмотре исполь­зуется пластинка — эталон с исходными цветами термоиндикаторов. Максимальная температура поверхности заключена между указательными значениями; погрешность равна половине тем­пературного интервала.

Основные недостатки этого метода заключаются в невоз­можности измерения переменной температуры, в необходимо­сти остановки двигателей для отсчета в зависимости критиче­ских температур от теплового режима исследуемой поверхно­сти.