Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

тродов. Подводящие провода при этом лежат на поверхности пла­ стины (рис. 55, б), находясь в тепловом контакте с ней на длине L = = 10-М5 см, но не менее 50d, (d — диаметр проволочки). В этом случае также имеется утечка тепла по термоэлектродам, но поскольку тепло поступает в них по всей длине соприкосновения с поверхностью, отвод от спая уменьшается. Для обеспечения электрической изоля­ ции между проволочками и пластиной прокладывается тонкий слой слюды или применяются изолирующие обмазки.

Иногда целесообразно помещать термопару в специально сделан­ ной канавке, прикрытой пластинкой или заделанной замазкой 2 (рис. 55, в). В некоторых случаях к поверхности металлической пла­ стины приваривается не спай термопары, а ее термоэлектроды на

Рис. 55. Варианты выполнения поверхностных термоизмерителей (термо­ пар): а — устройство термопары для измерения температуры стенки в слу­ чае течения сжимаемого газа; б — укладка термоэлектродов по металличе­ ской поверхности; в ■— укладка в канавке

некотором расстоянии друг от друга. Такой способ измерения тем­ пературы поверхности применим только в том случае, если в обеих точках приварки температуры равны; в противном случае возникает паразитная т. э. д. с., развиваемая материалами проволочек с мате­ риалом пластины.

При измерении температур движущихся элементов (поршней, клапанов, турбин, насосов и т. п.) кроме отмеченных трудностей большое значение имеет устройство токосъема. Применяются как контактные токосъемники — ртутные, щеточные, так и бесконтакт­ ные системы, например индукционные [42].

Если измеряется температура, меняющаяся во времени, темпера­ тура контактного термоприемника устанавливается с некоторым инерционным запаздыванием. Аналитический расчет динамики про­ цессов изменения температуры в общем виде, хотя и возможен, но весьма сложен из-за того, что термоприемник приходится представ­ лять в виде многоемкостного звена, состоящего из бесконечного числа параллельно соединенных элементов. В практических случаях термо­ приемник рассматривается как апериодический элемент первого рода с передаточной функцией

П (р) = — —1 г .

тр-|- 1

Постоянная времени т зависит от параметров термоприемника и среды, точнее «теплового сопротивления» передаче тепла

п __ АТ t'T -- dQ 9’

dt

213

где АТ — разность температур; dQ/dt — тепловой поток. Величина постоянной времени т при скачкообразном изменении температуры

на него радиационный поток и соответственно излучает при данной температуре максимальную энергию). Для целей пирометрии исход­ ной зависимостью, на основе которой разрабатываются методы из­ мерений, служит формула Планка, устанавливающая закон спек­

с2 = hc/k = 1,4380 10“ 2 м град;

h — постоянная Планка; k — постоянная Больцмана; с — скорость света в вакууме. Изотермы, построенные по (VI 1.6), изображены на рис. 57. Для практических расчетов это семейство кривых удобно представлять в виде критериальной связи

214

характеризующий тот факт, что длина волны максимума г%а для данной температуры обратно пропорциональна температуре абсо­ лютно черного тела. Полное излучение по всей шкале длин волн находится интегрированием

СО

Ro = ^rlodX,

о

что приводит к известному закону Стефана—Больцмана

где

а = ТЖ& = 5’6687' 10"8 Вт/(м2-град4).

Приведенные соотношения показывают, что температура абсо­ лютно черного тела в идеальном случае (без учета свойств сред, через которые происходит излучение) может быть найдена по резуль-

т у р ы

тэтам измерений: интенсивности суммарного по спектру потока из­ лучения R о (радиационные методы); интенсивности квазихроматического излучения г^0 в узком спектральном интервале АХ (яркостные методы); распределения плотности излучения по различным дли­ нам волн X (цветовые методы).

215

Применение радиационных пирометров для измерений темпера­ туры реальных тел целесообразно в тех случаях, когда полный поток излучения объекта R мало отличается от R 0 при той же температуре. Для реального тела

где ет — суммарный коэффициент излучения, определяемый свой­ ствами реального тела и его температурой (ет < 1), а Т„ — истинная температура тела. Поскольку Ти отыскивается по градуировочной кривой абсолютно черного тела (VI 1.9), то, приравнивая правые части

(VI 1.9) и (VII. 10), получаем

где Тр — так называемая радиационная температура данного реаль­ ного тела (температура абсолютно черного тела при R 0 = R). В слу­ чаях измерения температуры в закрытых объемах через небольшое отверстие (топки, камеры сгорания и т. п.) ет приближается к еди­ нице.

Рис. [59. Принципиальные схемы радиационных пирометров: а — те­ лескопического, б — рефлекторного

Радиационные пирометры выполняются по схемам, приведенным на рис. 59. В приборе имеется объектив, собирающий излучение объ­ екта на чувствительный элемент, преобразующий тепловой поток в электрический сигнал, и система регистрации сигнала. В качестве чувствительного элемента используются термопары, термостолбики, термобатареи и термосопротивления. В некоторых схемах вводится эталонный излучатель. Приборы подробного типа имеют ограничен­ ную точносгь из-за нестабильности ет, влияния среды, ослабляющей излучения, и погрешностей, вызванных прогревом корпуса пиро­ метра.

Зависимость интенсивности излучения определенной длины волны от температуры, лежащая в основе методов монохроматической пи-

216

рометрии, полностью описывается формулами (VII.6) или (VII.7). Обобщенную статическую характеристику удобнее представлять в виде зависимости между критериями подобия

Графики зависимостей (VII. 11) в полулогарифми­ ческих координатах, при­ веден^ на рис. 60. Удобство такого представления обоб­ щенной характеристики состоит в том, что в этих координатах, широко ис­ пользуемое на практике приближенное выражение формулы Планка

гя0— щА.-5 ехр ( — -^ г )

(VII. 12)

(формула Вина) представ­ ляется прямолинейной за­ висимостью. По измерен­ ным значениям Ки Гх0иско­ мая температура может быть определена двояко:

Рис. 60. Обобщенная статическая характери­ стика монохроматического пирометра

В связи с тем, что в видимой области спектра сила монохромати­ ческого излучения характеризует спектральную яркость черного тела, монохроматическая пирометрия получила название яркостной. Реальные объекты обладают меньшей лучеиспускательной способ­ ностью, чем черное тело в данном участке спектра. Относительное снижение излучательной способности характеризуется коэффициен­ том т, равным для данной длины волны

8х , Т = --- при Г — const. fko

Величина еЛ, тзаключена между нулем и единицей, точное ее опре­ деление представляет значительные трудности. В табл. 23 приве-

217

Т а б л и ц а 23

ные имеются в [21, 117]. При использовании яркостных пиро­ метров, градуированных по черному телу, для измерения темпера­ туры реального объекта, связь между истинной температурой Ти и измеренной Тя будет определяться соотношением

где Тя — яркостная температура (температура черного тела при гХо = гх на данной длине волны). Поскольку до значений я 2 6-г7 справедлив приближенный закон Вина (VII.12), то истинная темпе­ ратура в коротковолновой части спектра равна

Тк = Тя [ \ - \ ~ Т я ^ ~ \ п г х, ту 1.

Ввиду трудности измерения абсолютной величины гх в яркост­ ных пирометрах используется принцип сравнения в монохромати­ ческом свете яркости исследуемого тела с яркостью источника, предварительно проградуированного по излучению абсолютно чер­ ного тела. В простейших пирометрах этого типа яркость исследуе­ мого тела визуально сравнивается с яркостью нити фотометричес­ кой лампы накаливания: изменяя ток в лампе, обеспечивают совпа­ дение яркостей нити и изображения тела. Шкала амперметра цепи питания лампы градуируется непосредственно в градусах Тя.

В автоматических пирометрах в качестве элемента недокомпенсации обычно используются фотоэлементы, а в качестве эталонного светящегося тела — фотометрические или температурные лампы.

218