Способ определения нестационарной температуры газа или жидкости

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСТАЦИО НАРНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА ИЛИ ЖИДКОСТИ путем использования двух термоприемников с различной теплоинерисионность с последующей обработкой их сигналов к схеме с инерхщонным эвеном, отличающийся тем, что, с целью увеличения скорости замера тем (Риг.1 пературы, выходной сигнал одного из : термоприемников пропускают через инерционное звено с постоянной времени не.менее 5-10 характерных времен .изменеЬия температуры газа или жидкости, одновременно измеряют приращения выходного сигнала каждого из термоприемников за заданный интервал времени относительно выходного сигнала инерционного звена, а нестационарную температуру Т определяют по формулам ( 4Т )

.„SU„, 1129499, А

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(5j) G 01 К 7/02 .

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К AB ГОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ пературы, выходной сигнал одного из: термоприемников пропускают через инерционное звено с постоянной времени не.менее 5-10 характерных времен, изменения температуры газа или жидкости, одновременно измеряют приращения выходного сигнала каждого из термоприемников за заданный интервал времени относительно выходного сигнала инерционного звена, а нестационарную температуру Т определяют по формулам (1- a т / л т ) - (1 — лт / лт) т =т,+ ьт ср дт

2 где ЬТ„и ср

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

hO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3548755/24-10 (22) 07.02,83 (46) 15.12.84. Бюп. У 46 (72) В.П.. Вавилов и В.Б. Ширяев (71) Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при Томском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им.С.М.Кирова (53) 536. 532 (088. 8) (56) 1 ° Авторское свидетельство СССР

У 300781, кл. G 01 К 7/02, 1969.

2. Авторское свидетельство СССР

У 399741, кл. С 01 К 7/02, 1:9?1 (прототип) . (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА ИЛИ ЖИДКОСТИ путем использования двух термоприемников с различной геплоинерционностью с последующей обработкой их сигналов к схеме с инерционным звеном, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения скорости замера темприращения сигналов термоприемников, постоянная величина, равная отношению теп- %а в лоинерционностей первого и второго термоприемников; выходной сигнал инер- уивер ционного звена. : ф

1 . 11294

Изобретение относится к способам измерения температуры контактными и бесконтактными методами, преимущественно температуры потоков газа или жидкости, Известны способы определения нестационарной температуры газа или жидкости с помощью двух термоприемников (1).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ, заключающийся в том, что в газовый поток вводят два термоприемника с различной тепловой инерцией и затем измеряют отношение параметров, 15 характеризующих тепловую. инерцию, измеряют приращение температур за заданный интервал времени,. измеряют разность температур термоприемников, соответствующих середине этого интервала, и по измеренным парамет20 рам с учетом показаний одного из термоприемников определяют искомую температуру 2g.

Недостатком описанного способа яв25 .ляется невысокое быстродействие, обусловленное заданным значением временного интервала.

Цель изобретения — повышение быстродействия замера температуры.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения нестационарной температуры газа или жидкости с помощью термоприемннков с различной теплоинерционностью с последующей обработкой их сигналов

:в схеме с инерционным звеном, выходной сигнал одного из термоприем- ников пропускают через инерционное звено с постоянной времени не менее

5-10 характерных времен изменения температуры газа или жидкости, одновременно измеряют приращения выходного сигнала. каждого. иэ термоприемников за.заданный интервал времени относительно выходного сигнала инер-ционного звена, а не тационарную температуру Т определяют по формулам

99 2 вого и второго термо,приемников;

Т вЂ” выходной сигнал инер- ср ционного звена.

Предлагаемый способ предназначен для измерения температуры потока газа или жидкости, который характеризуется некоторой средней температурой Т и скачками температуры амплитудой лТ. Такая ситуация характерна, в частности, для газотурбинного двигателя (ГТД), в котором внезапные скачки температуры газа могут вызвать разрушение ГТД. Использующиеся термопары либо быстро сгорают (термопары без кожуха), либо не успевают реагировать на скачок температуры (термопары в кожухе). Характерным временем изменения температуры называется длительность фронта Ф скачка температу-,: ры (в ГТД оно составляет доли секунд).

В общем случае это время определяется контролируемым физическим процессом.

При отсутствии скачков температуры в предлагаемом способе измеряется

Т, при наличии скачка лТ некоторой длительности ф каждый из термоприемников реагирует в силу различной инерционности по-своему на амплитуду скачка . йТ, однако обработка сигналов двух термоприемников по указан ному способу позволяет в начальные

I моменты времениф определять истинФе ную температуру газа или жидкости. быстрее, чем это позволяет каждый из термоприемников в отдельности. !

Предлагается использовать тонкие иммерсионные тела пластинчатого типа, для которых температурный отклик на ступенчатое изменение температуры газа или жидкости описывается известным выражением,фТ„- /4Т=1-сов В ехр(-В:;Г „) (1) для поверхности пластины, обращенной в газ или жидкость с изменяющейся температурой, и 1Т; 41 = 1 — ехр(-В,Г„) (2) T= T + dT ср где (1- Ьт / ат) = (1 — Т / лт) " °

I б? 1 и Й Т> приращения сигналов термопрнемников; ,tn - постоянная величина, равная отношению теп лоинерционностей пердля центра пластины в случае, если обе ее поверхности омываются средой, или для теплоизолирующей поверхности пластины,где дТ - текущее приращение;. температуры i-й пластины; dT — истинное значение температурного перепада:

3 =/L/ ; F = а /ХР -- критерии

Био и Фурье;,4, а, Л вЂ” коэффициенты теплоотдачи, температуропроводности

3, 1129499 4 и теплопроводности; L — толщина плас- газа или жидкости определяют путем тины,: ь - время . сложения в каждыи момент времени йТ

При контроле температуры раскален- и тср. ных газовых потоков коэффициент теп- Наиболее простая процедура опреде лоотдачи о 7 500 Вт/м К толщины имер- ления дТ из (5) имеет место при.

5 сионных тел L (1 мм. Тогда для ме-, m 2. При этом выражение (5) перехоталлических пластин в любой точке из- дит в следующее более простое уравменение температуры описывается вы- нение ражением дТ = .4Т2/(2 3Т2- дТ1), (6) 10

dT,/дТ =. 1-ехр(-В;F )=

1-ехр(- Ы à C /4 1.) (3) которое может быть достаточно просто реализовано в устройствах. я каждой из двух пластин запи(3) — : 15 устройства, реализующего предложенный способ; на фиг. 2 — арифметический дТ„/дТ = 1 — ехр(-А„Т ); блок, йТ2/дТ = I ехр(-А 2 )

В потоке 1 жидкости или газа нахо-.

2 дятся иммерсионные тела 2 и 3, против где А„= и А — pL — параметры теп- 20 которых располагаются оптические пи-

1 2 ловой инерции пластин.. рометры 4 и 5. Сигнал с одного из

Величины . дТ1 и Т2 отсчитываются пирометров поступает на устройство с относительно средней, т.е. предшест- инерционным звеном 6, которое так же ° вовавшей скачку дТ, температуры как и выходы оптических параметров, Отсюда 25 связано с вычитающими устройствами 7

1п(1- д Т.- /дТ) и 8, а последние, в свою очередь, А> 1n(1- ЬТ2 /4Т) с арифметическим блоком 9. Блок 10, выполненный на компараторах, после(1-а,т„/дт) =(1- дт / Д т) (5)

Ю довательно соединен с коммутатором

Предложенный способ реализуется ращения температур термодатчиков, .следующим образом. истинное приращение температуры газа или жидкости d T и отношение тепло- Поток 1 газа или жидкости омывает инерционностей m, Измеряя одновре- с одной стороны иммерсионные тела 2 менно dT и 1Т при известном m, 35 и 3, представляющие собой две тонкие можно определить дТ. Искомую тем- металлические пластины с толщинами, пературу газа или жидкости опреде- различающимися в 2 раза. Противополяют суммируя Тср и дТр ложные к потоку стороны иммерсионных тел визируются оптическими пирометТ = Тср+ dT . 40 рами 4 и 5 которые выдают сигнцы

Т„. и Т . Сигнал Т1 пропорционален

Таким. образом, сущность предлагае- температуре тела с меньшей тепловой мого способа измерения температуры инерционностью, сигнал Т вЂ” с боль2 . состоит в том, что сигнал одного шей тепловой инерционностью. Сигнал из термоприемников (как правило, 45 Т2 поступает на устройство с инерциболее инерционного) пропускают через онным звеном 6, определяющим среднюю инерционное звено с постоянной вре- температуру Т Затем сигналы Т Т ср э 2. ,мени не менее 5-10 характерных вре-.— и Т поступают на вычитающие устройср мен флуктуаций температуры газа или ства 7 и 8, котбрые определяют приокидкости, тем самым измеряя среднюю 50 ращения д Т и дТ . Сигналы дТ

1 г. 1 температуру газа или жидкости, в дТ2 и Т поступают на арифтический любой момент времени измеряют прира- блок 9, выполненный на основе схем щения температур каждого из термопри- аналогового умножения-деления, котоемников относительно упомянутой сред- рый определяет истинное значение темней температуры, т.е. измеряют hT1 55 пературы T. Для исключения неопредеи 4Т2, затем по формуле (5) опреде- ленности при значениях дТ и дТ

1 2 ° ляют истинную амплитуду температур- близких к нулю, в блоке 10, выполного скачка дТ; искомую температуру,ненном на компараторах, разность

1129499

3 я между: сигналами Т„и Т сравнивает( ся с, заданным пороговым значением Т и, если (T„— т ) > Т,, то коммутатор 11 пропускает на схему 12 инди,кации вычисленное блоком 9 значение

Т>, а в случае, если (Т„- T>) . То„ на схему индикации поступает сигнал

Т„, как сигнал с менее теплоинерционного термоприемника для уменьшения погрешностей измерения температуры.

Инерционное звено 6 сглаживает флуктации температуры газа. Если на вход звена поступает электрический сигнал, пропорциональный скачку .АТ 35, с фронтом ьф, то на выходе звена в течение длительного времени сохраняется сигнал, соответствующий предыдущему значению. Это осуществляется для того, чтобы при любой температуре20 газа в устройстве имелся сигнал, соответствующйй средней температуре газа Т,так как флуктуации д Т отсчитываются от Т Для того, чтобы инерционное звено сглаживало пуль- 25 ,сации температуры газа, его постоянная времениФэдолжна быть, как извест,но, в 5-10 pas больше характерного времени пульсаций, т.е. a >.. Ъ (5-10)С 1

Возможна реализация звена 6 в виде gp

/ сглаживающей RC-цепочки с передаточной характеристикой 1/(1+ р, MRC), в общем случае инерционное. звено наиболее целесообразно выполнить в: виде интегРатоРа на опеРационном 35 усилителе с передаточной характерис" тикой 1/(1+pt). На вход инерционного звена 6 можно подавать. сигналы как

Т„, так и Т, но поскольку условно принято, что сигнал Т соответствует „о. более инерционному термоприемнику, то сглаживание. пульсаций аТ на выходе звена 6 происходит более эф,фективно,,если на вход звена 6 подают сигнал Т . Сигнал Т рдлй чувстви- ° 4> тельного элемента 3 является сигналом

Т- и для чувствительного элемента 2, так как элементы 2 и 3 расположены в непосредственной близости друг от,. друга и при скоростях газа в ГТД 20SO

i200 M/с можно считать условия в мес-, те элементов 2:и 3 идентичными. В разработанной конструкции пирометра эле1 менты 2 и 3 выполнены в виде одного диска иэ стари диаметром 1 см, при:чем одна половина диска имеет толщину 0,2 цм (элемент 2), а вторая, половина имеет толщину 0,4 мм.(элемент 3).

Использование двух термопар с массами, различающимися в два раза, в качестве термоприемников приводит к аналогичному результату, так как в качестве выходного сигнала используется значение температуры.

Если проанализировать применение ,зтравила (5) для ситуации, когда на фоне некоторой средней температуры

Т в начальный момент времени происходит быстрый скачок температуры, амплитуда которого должна быть определена за малые временные интервалы, то эффективность решающего правила .(5) может быть проиллюстрирована табл. 1 для трех форм температурных флуктуаций: прямоугольной, линейно нарастающей и экспоненциальной, где значения входной температуры Т

8х через 0,1 с после начала флуктуаций. и значения температур йТ„и 4Т> определены с помощью. двух иммерсионных тел с параметрами тепловой инерции А„= 1,72 1/с и A2 = 0,86 1/с (молибденовые пластины толщиной 0,2 и 0,4 мм соответственно) а также соответствующие погрешности измерения (Вх - вых / ьл

Данные таблицы показывают, что применение правила (5) через О, 1 с существенно повышает точность измерения температурных скачков независимо от"их формы.

Необходимо отметить, что погрешность измерения одиночным иммерсионl ным телом уменьшается со временем, поэтому наибольшую ценность предла-, гаемый способ имеет при необходимости быстрого реагирования на быстроменяющуюся температуру, например, в газотурбинных двигателях.

В предлагаемом способе определение температуры газа возможно в некоторой точке фронта dT сразу, как только сигналы Т и Т> начинают раз-, личаться устройством.

Использование данного способа позволяет существенно повысить быстродействие и точность измерения нестационарной температуры газа или жидкости по сравнению с существующими способами. Применение данного способа для измерения температуры газа в газотурбинном двигателе позволяет . двигателю работать при температурах, близких к критическим, что увеличивает коэффициент полезного действия двйгателя без существенных изменений, а также увеличивает. ресурс двигателя.

1129499

Сиг

О е 0814

О, 158

91,9

91,3

84,2

0i 0114

О, 0418

0,082

95,6"

95,8

Искомый перепад температуры, Т, К

0,214

0,758

17,4

24,2

Составитель Л. Балянина

Редактор И. Рыбченко Техред Л. Копюбняк Корректор М. Леонтюк Погрешность для первого иммерси, онного тела, %

Погрешность для второго иммерсионного тела„ Ж

;Погрешность для искомого перепада, Т, Ж

Заказ 9440/33 Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

0,259

0,0223