SU1765716A1 - Способ определени температурного пол - Google Patents

Abstract

Использование: измерение температурных полей в средах и на поверхности твердых тел. Сущность изобретени : используетс  термоэлектрический датчик температуры в виде сетки с четырехугольными  чейками из разнородных проводников. Значени  температуры определ ютс  по измеренным значени м термоЭДС термопар, рабочими спа ми которых  вл ютс  точки пересечени  строк и столбцов сетки. Дл  сокращени  времени проведени  измерений в стационарных услови х измер ют термоЭДС термопар , рабочие спаи которых расположены на центральной строке и центральном столбце сетки, и термоЭДС термопар, рабочие спаи которых расположены вдоль диагонали сетки. Определ ют значени  разности термоЭДС термопар с соседними рабочими спа ми и, в случае их равенства, по измеренным значени м термоЭДС наход т значени  температуры во всех остальных точках температурного пол . 1 ил. (Л С

Description

Изобретение относитс  к технике измерений температуры термоэлектрическими датчиками и может быть использовано при определении температурных полей в различных средах и на поверхности тел.

Известные методы измерени  температурных полей термоэлектрическими датчиками в виде спаренных разнородных проволочек (авт. св. СССР № 165324, кл. G 01 К 13/02; в кн. Линевег Ф. Измерение температуры в технике. М.: Металлурги , 1980, с.320-346) отличаютс  сложностью реализации: во-первых, необходимо изолировать электрические проводники от объекта; во-вторых , необходима стабилизаци  температуры концов термоэлектродов, выводимых с разных сторон термоизолирующей плоскости.

Известен способ измерени  температурного пол  с использованием термоэлектрического датчика в виде сетки с четырехугольными  чейками из m и п разнородных проводников, образующих соответственно столбцы и строки, по которому измер ют ЭДС между соединенными вместе выходными концами столбцов и строк, мен   N раз их сопротивление, причем N m x п, и по полученным значени м ЭДС наход т температурное поле (авт. св. СССР № 1000783, кл. G 01 К 7/02, 1979).

Недостатком способа  вл етс  низка  точность измерени  температурного пол  из-за того, что в систему уравнений ЭДС, измеренных на клеммах сопротивлений, не включены составл ющие проводимости, обХ|

О СЛ xj

ON

щие дл  образованных электрических контуров при коммутации шинами концов электродов , соедин ющих спаи термопар, имеющих различные температуры. Поэтому сопротивлени , коммутируемые шинами на концах электродов, будут измен ть токорас- пределение между входной цепью измерител  и спа ми датчика-сетки с разной температурой, занижа  дл  одних и завыша  дл  других точек пол  температуру, из- мер емому по термоЭДС.

Наиболее близким по технической сущности  вл етс  способ измерени  температурного пол  с использованием термоэлектрического датчика в виде сетки с четырехугольными  чейками из m и п разно- родных термоэлектродов, образующих соответственно столбцы и строки, путем измерени  термоЭДС между выходными концами проводников (патент Франции № 2315689, кл. G 01 К 7/02, 1977).

Недостаток способа - больша  длительность определени  температурного пол  из- за поочередной коммутации всех тип спаев датчика.

Цель изобретени  - сокращение време- ни проведени  измерений температурного пол  - достигаетс  тем, что измер ют термоЭДС термопар, рабочие спаи которых размещены в точках пересечени  строк и столбцов сетки, образованной их термо- электродами, причем последовательно измер ют термоЭДС всех термопар, рабочие спаи которых расположены на строке и столбце сетки, проход щие через ее центр, и термоЭДС всех термопар, рабочие спаи которых расположены вдоль ломаной линии в направлении диагонали сетки, и при равенстве разности термоЭДС на участках строки или столбца, лежащих соответственно между соседними столбцами или строка- ми, и разности термоЭДС между теми же столбцами и строками на ломаной линии по измеренным величинам термоЭДС определ ют температурное поле контролируемого объекта.

На чертеже представлен один из возможных вариантов устройства дл  реализации предлагаемого способа измерени  температурного пол .

Устройство содержит термоэлектриче- ский датчик 1 в виде сетки с четырехугольными  чейками, переключатели 2 и 3, управл емые коммутатором 4, блок 5 управлени , управл емый ключ 6, блок 7 програм- много управлени , переключатель 8, усилитель 9, запоминающее устройство 10, решающий блок 11 и индикаторное устройство 12.

Способ осуществл етс  следующим образом . Размещают датчик-сетку с четырехугольными  чейками из m и п разнородных проводников, образующих соответственно столбцы и строки, в контролируемый объект. Выдерживают его в температуре объекта в течение времени

t (5-7)rT ,

(D

где гт RT «Ст-теплова  посто нна  одного проводника, образующего столбец или строку датчика-сетки,

измер ют термоЭДС между разнородными проводниками строки и столбца, образующими спаи датчика.

В изотропном, однородном контролируемом объекте температура  вл етс  функцией координат X, Y, Z и времени t:

Т Т(Х, Y, Z,t).

(2)

Если в различных област х контролируемого объекта температура неодинакова, то происходит перераспределение тепла по эмпирическому закону Фурье, по которому количество тепла dQ,, протекающее через площадку dS за врем  dt, пр мо пропорционально площади S, длительности времени t и производной от температуры по нормали к площадке

dd -A dS-dt,

(3)

где А - коэффициент теплопроводности контролируемого объекта, Вт/м-К. Дифференциальное уравнение распространени  тепла по объекту контрол  (2) имеет вид

C/)- A-AT+Q(X,Y,Z,t), (4)

где С - удельна  теплоемкость объекта контрол , Дж/кг«К;

р - плотность объекта, кг / м3

AT- приращение температуры, К;

Q(X, Y, Z, t) - внутренний источник тепла в контролируемом объекте, Вт, и лева  часть равенства характеризует долю тепла, необходимую дл  повышени  температуры контролируемого объекта, а права  часть - долю тепла, уход щего в окружающую среду вследствие теплопередачи.

В зависимости от условий распространени  тепла, исход  из уравнени  (4), в контролируемом объекте устанавливаетс  тот или иной вид теплового пол .

В отсутствие источников тепла (при Q 0) распространение тепла осуществл етс  без

тепловыделени  и уравнение (4) принимает вид

dT dt

а-АТ,

(5)

В этом случае при равных ребрах  чейки датчика-сетки разности ЭДС между соседними спа ми вдоль строк или столбцов, па- раллельных нормали к поверхности объекта, будут одинаковы

где а Л/С у - коэффициент температуропроводности , М2/С.

Уравнение (5) отражает процесс нестационарной теплопроводности и, чтобы определить температурное поле в контролируемом объекте, необходимо задатьс  одним начальным и двум  граничными услови ми дл  каждой координаты.

В случае, когда система контролируемый объект - окружающа  среда находитс  в термодинамическом равновесии, то есть

стационарного теплового пол , уравнение

(5) не содержит врем  как переменную величину и достаточны только граничные услови .

При граничных услови х первого рода задаетс  температура на поверхности S контролируемого объекта в любой момент времени

T/S p(X, Y),

(6)

котора  обычно посто нна. Отсюда следует, что температурное поле, регистрируемое датчиком-сеткой, помещены на поверх- 30 ность контролируемого объекта, во всех спа х дает равное значение термоЭДС как дл  столбцов, так и дл  строк:

Согласно закону Ньютона, количество тепла, отдаваемого элементом поверхности dS с температурой Ti на врем  dt в окружающую среду с температурой Т0, пропорционально разности те мпёрат ур TI - Т0 и величинам dS и dt:

dQ a (Ti - То) dS dt,

(12)

im

In lm-1 ln-1 ... Hj

где а- коэффициент теплоотдачи, Вт/м К.

Поэтому вытекающий тепловой поток q (7) 35 будет равен

При граничных услови х второго рода температура на поверхности неизвестна, но указываетс  тепловой поток q, вытекающий через поверхность, как функци  координат точек поверхности

(X,Y,Z),(8)

где гГ- единичный вектор нормали к поверхности контролируемого объекта. При наложении датчика-сетки на поверхность S термоЭДС его спаев определ ет профиль теплового потока, втекающего (вытекающего ) в контролируемый объект. Если же плоскость датчика-сетки параллельна вектору нормали к поверхности контролируемого объекта, тогда температурное поле, регистрируемое им, соответствует градиенту температуры, определ емому теплопроводностью объекта и температурным напором

qn -A

Ж

dn

dT

1щ - l(n-i)i A Inj const 1

nj - (n-i)i A Ini const J(10)

Здесь Ini при условии однородности потока теплоты и Alni A Inj при его неоднородности , то есть при наличии температурного профил  у теплового потока.

При граничных услови х третьего рода обобщающие услови  первых двух

-у T/S F(X, Y, Z),

(11)

где у- коэффициент внешней теплопроводности , Вт/м К, характеризует процесс переноса тепла от объекта к окружающе среде.

Согласно закону Ньютона, количество тепла, отдаваемого элементом поверхности dS с температурой Ti на врем  dt в окружающую среду с температурой Т0, пропорционально разности те мпёрат ур TI - Т0 и величинам dS и dt:

dQ a (Ti - То) dS dt,

(12)

q а - (Ti - To).

(13)

Такой же тепловой поток должен подводитьс  изнутри объекта теплопроводностью. Приравнива  правые части уравнений (13) и (9), получим

dT а ,-,. - . Л (Tl To) 0

(14)

Обозначив о/А через у и учитыва , что Ti T/S, получим после подстановки в (14)

-уТ/8 УТо,

(15)

45 50 55

Как и в предыдущем случае, при размещении датчика-сетки параллельно вектору нормали Ft разность термоЭДС между соседними спа ми будет одинаковой вдоль строк или столбцов, параллельных вектору гь и соответствовать равенствам (10).

В случае установившегос  потока тепла , то есть при стационарном теплообмене, температура в каждой точке контролируемого объекта не измен етс  со временем (dT/dt 0), тогда устанавливаетс  стацио- нарна  разность температур, характеризуема  уравнением Пуассона

AT -Q/A.

(16)

Если поток тепла действует вдоль строки (или столбца) датчика-сетки, значени  измеренных значений термоЭДС вдоль строки (столбца) будут также соответствовать равенству (10).

В случае установившегос  потока тепла без тепловыделени  (Q 0 и dT/dt 0) распределение температуры в контролируемом объекте соответствует уравнению Лапласа

ДТ 01(17)

и измеренные значени  термоЭДС между разнородными проводниками, образующими спаи, соответствуют равенству (7).

Таким образом, в стационарных услови х и в отсутствие источника тепла внутри однородного контролируемого объекта при равных рассто ни х (ребрах) между спа ми датчика-сетки вдоль строки или столбца из- меренные значени  термоЭДС соседних спаев должны отличатьс  на посто нную величину , пропорциональную градиентам температуры, характеризующим температурное поле, вдоль координатных направле- ний Т(Х, Y). Такое распределение температуры вдоль осей объекта контрол  позвол ет сократить число измерений термоЭДС спаев между разнородными проводниками m строк и п столбцов и обобщить результаты измерений на всю поверхность контролируемого объекта.

Поэтому измер ют термоЭДС спаев между разнородными проводниками столбцов и строк вдоль любой диагонали датчика- сетки последовательным переходом от

0

5

0

5

0 5 0

5

предыдущего к последующему спаю по ребру строки, а затем по ребру столбца и регистрируют разность термоЭДС между соседними спа ми вдоль строки и столбца Измер ют термоЭДС спаев между разнородными электродами столбцов и строк, проход щих через центр датчика-сетки, и регистрируют разность термоЭДС между соседними спа ми столбцов и строк. При равенстве разности термоЭДС спаев на участках строки и столбца, лежащих между соседними строками и столбцами в первом и втором (вдоль диагонали) измеренных направлени х, по измеренным термоЭДС определ ют температурное поле контролируемого объекта.

Если зарегистрированные разности термоЭДС вдоль строки и столбца, проход щих через центр датчика-сетки и вдоль ломаной линии по диагонали, не совпадают в пределах точности измерений, тогда производ т измерени  термоЭДС спаев, не участ- вовавших в измерени х и выбранных любым способом.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ определени  температурного пол , заключающийс  в измерении термоЭДС термопар, рабочие спаи которых размещены в точках пересечени  строк и столбцов сетки, образованной их термоэлектродами , отличающийс  тем, что, с целью сокращени  времени проведени  измерений, последовательно измер ют термоЭДС всех термопар, рабочие спаи которых расположены на строке и столбце сетки, проход щих через ее центр и термоЭДС всех термопар, рабочие спаи которых расположены вдоль ломаной линии в направлении диагонали сетки, и при равенстве разности термоЭДС на участках строки или столбца, лежащих соответственно между соседними столбцами или строками, и разности термоЭДС между теми же столбцами и строками на ломаной линии, по измеренным величинам определ юттемпературное поле контролируемого объекта.