Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ТЕРМООПТИЧЕСКИЙ ЗОНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОМОГЕННЫХ И ГЕТЕРОГЕННЫХ ПОТОКОВ

Никитин П.В., Низовитин А.А., Степаненко С.А.
В статье рассматривается термооптический зонд для измерения статической температуры. Принцип устройства термозонда заключается в том, что горячий спай термозонда выполнен в виде полой сферической или цилиндрической микромодели черного тела, на входе в который установлен волоконнооптический световод, переносящий излучение микромодели к фотоприемнику. Зонд установлен внутри проточного насадка, что обеспечивает продольное обтекание термооптического элемента до- или сверхзвуковым подогретым потоком. Суммарная погрешность измерения, включая погрешности за счет теплообмена и скоростную погрешность для термопарного зонда из хромельалюмеля, составляет ±1,5-2%, а при использовании комбинированного термооптического ±1,2-1,5%.

Известно, что измерение температуры газовых потоков высокой скорости осуществляют с помощью термозондов - приемников температуры с термопарой, на основе которой определяют температуру газа [2,4]. Однако такие средства не обеспечивают необходимой точности измерений вследствие потерь энергии на теплоотвод по электродам термопары и за счет излучения. Поэтому целью измерения температуры газа и определение значений погрешности был разработан термооптический зонд, отличающийся от волоконноптического термометра [3,6] тем, что он совмещен с термопарой и по существу является комбинированным термозондом с термоэлектрическим и термооптическим приемниками.

Горячий спай термопары выполнен в виде полой сферической или цилиндрической микромодели черного тела, диаметром до 50мкм, внутри которой установлен оптически прозрачный торец высокотемпературного волоконноптического световода, диаметром до 5мкм. Противоположный торец световода подключен к фотоприемнику излучения.

По измеренным значениям величин э.д.с. термопары термоприемника излучения, при известном его f, определяют действительную температуру термоприемника, а так же разницу между яркостной и действительной температурами.

Преимущество термооптического зонда посравнению со штатными термопарными приемниками [2,4] заключается в возможностиях определения погрешностей измерения температуры, связанных с теплоотводом по электродам термопары и введения поправки на температуру. Экспериментально получают два значения температуры термоприемника - при теплоотводе и без теплоотвода по электродам. Разность между значениями измеренных температур дает возможность оценить величину поправки на температуру.

Принцип работы термооптического базируется на использовании законов конвективного теплообмена и излучения. Например, сферическая поверхность микрозонда при внешнем обтекании потоком, нагревается по закону конвективного теплообмена Ньютона.

f                                                       (1)

В свою очередь, интеграл от интенсивности излучения плотности термочувствительного элемента термооптического зонда в диапазоне длин волн λ1 до λ2 представляет плотность интегрального полусферического излучения или суммарную мощность излучения:

f                                   (2)

При измерении цветовой температуры термооптического зонда погрешность измерений меньше, чем в случае измерения яркостной и радиационной температуры примерно в 1,5-2 раза, соответственно.

Отношение монохроматических степеней черноты при разных длинах волн в меньшей степени зависит от состояния поверхности внутри реального физического тела, то есть внутри горячего спая термопары, выполненного в форме полой цилиндрической или сферической микромодели черного тела.

Согласно закону Вина связь между яркостной и действительной температурами тела или термочувствительного элемента термоприемника имеет вид

f.                                                      (3)

Согласно закону Вина, цветовая температура термоприемника f связанна с его истинной температурой f, соотношением [1]:

f.                                        (4)

p

Рис. 1. Схема измерения статической температуры потока термооптическим зондом

Термооптический зонд, показанный на рисунке, включает следующие элементы: 1 -термочувствительный элемент, 2 - проточный насадок, 3 - высокотемпературный поток, 4 - шторка, 5 - электронагреватель газа, 6 - волоконнооптический световод, 7 -монохронометр, 8 - ФЭУ - фотоэлектронный ускоритель, 9 - АЦП - аналого-цифровой преобразователь, 10 - ЭВМ, 11 - принтер, 12 - светолучевой осциллограф, 13 - измерительный и регистрирующий прибор.

Такая конструкция термозонда с проточным насадоком- экраном и продольным обтеканием термочувствительного элемента позволяет измерять до- и сверхзвуковые газовые потоки как с низким, так и с высоким уровнем статической температуры двумя методами и оценить погрешности измерений.

Известно, что температура торможения определяется с помощью термозондов экспериментально-расчетным методом по следующей формуле

f.                                                      (5)

где f- скорость газового потока в термоприемнике, r- коэффициент восстановления температуры термоприемника - определяются экспериментально-расчетным путем, Cr теплоемкость газа, значение которой берется по таблицам при температуре газа T≈TТП.

Используя в измерениях термооптический зонд и яркостный меод оптической пирометрии ТЧЭ зонда, температуру торможения можно оценить по следующей формуле:

f                                          (6)

или

f

С помощью термооптического зонда и меода оптической пирометрии, по цветовой температуре термочувствительного элемента термоприемника можно оценить температуру торможения потока использую выражение

f                                      (7)

при известных значениях f, f  и f, которые должны быть определены заранее экспериментально-расчетным путем.

По данным экспериментов и путем расчетов сравнительная оценка погрешностей измерений температуры газового потока термопарным и термооптическим зондами показала, что при температуре 1400К, суммарная погрешность измерения, включая погрешности за счет теплообмена и скоростную погрешность для термопарного зонда из хромельалюмеля, составляет +1,5-2%, а при использовании комбинированного термооптического +1,2-1,5%.

Результаты измерений статической температуры потока с использованием термооптического зонда представлены на рисунке 2.

Графики 1, 2, 3, 4 на рисунке 2 представляют мощность затраченную на нагрев газового потока.

p

Рис. 2. Результат измерений температуры торможения потока с использованием термооптического зонда

Принятые обозначения: λ1 и λ2 - длины волн излучения, Jλ - интенсивность излучения, ЕТП - суммарная мощность излучения, С1 и С2 - первая и вторая постоянные Планка, ελ1  и ελ2 - монохроматические степени черноты внутренней поверхности горячего спая термочувствительного элемента, ТТП - температура термоприемника, ТЦ(ТП) - цветовая температура термоприемника, ν - скорость газового потока, γ - коэффициент восстановления, Т0- температура торможения,  Сr- теплоемкость газа при постоянном давлении и температуре ТТП.   

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  • 1. Городов А.Н. //Основы пирометрии. М., Металлургия, 1971.
  • 2. Гортышев Ю.Ф., Дресвянников Ф.Н., Идиатулин Н.С. и др. под ред. Щукина В.К.//Теория и техника теплофизического эксперимента. Энергоатомиздат, 1985.
  • 3. Давыдов Н.Н., Никитин П.В. //Волоконноптические термоприемники. Сб. тезисов докладов на Гагаринских чтениях. М., 1986.
  • 4. Петунин А.Н. //Методы и техника измерения параметров газового потока. М., Машиностроение, 1972.
  • 5. Салов Г.В., Тихомиров Ю.Ф., Яковлев Л.Г. //Погрешности контрольно-измерительных усорйств. Киев, "Техника", 1975.
  • 6. Dils A.R. High-temperature optical fiber thermometer. J Appel. Phys, 1983, 54№3, р. 1198-1201.

Библиографическая ссылка

Никитин П.В., Низовитин А.А., Степаненко С.А. ТЕРМООПТИЧЕСКИЙ ЗОНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОМОГЕННЫХ И ГЕТЕРОГЕННЫХ ПОТОКОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2007. – № 6-1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=751 (дата обращения: 26.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074