Способ определения температуры поверхности пластины
Владельцы патента RU 2785062:
Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФАУ "ЦАГИ") (RU)
Изобретение относится к теплофизике в области теплообмена излучением и касается способа определения температуры поверхности пластины в условиях стационарного одностороннего нагрева при определении степени черноты поверхности пластины. Сущность способа заключается в установке в исследуемом образце двух термопар вблизи поверхностей пластины. Пластину разрезают пополам, на поверхностях разреза делают прорези шириной 0,3 мм и глубиной 1 мм у одной из половинок вблизи верхней поверхности пластины, а у другой - вблизи нагреваемой, укладывают в прорези сваренные встык термопары, на участке не менее 10 мм от спая в обе стороны заполняют прорези пастой из смеси порошка материала образца и высокотемпературного клея, половинки пластины склеивают, нагревают пластину с одной стороны постоянным тепловым потоком до установления стационарного состояния, фиксируют показания термопар и вычисляют температуры обеих поверхностей по формулам:
где δ - толщина пластины, T1 - температура термопары у нагреваемой поверхности, Т2 - температура термопары у исследуемой поверхности, х1 - расстояние от нагреваемой поверхности до центра термопары, х2 - расстояние от исследуемой поверхности до центра термопар. Технический результат - численное моделирование процесса нагрева образца подтвердило высокую точность определения температуры поверхности пластины предложенным способом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Изобретение относится к теплофизике в области теплообмена излучением и касается способа определения температуры поверхности пластины в условиях стационарного одностороннего нагрева, например, при определении степени черноты поверхности пластины или коэффициента теплопроводности.
Применение для определения температуры поверхности исследуемой пластины бесконтактных методов, в частности спектральной пирометрии, требует наличие спектрального пирометра, модели абсолютно черного тела, предположения о "серости" поверхности (Магунов А.Н. Спектральная пирометрия. Москва: Физматлит, 2012. 248 с.).
Для целей измерения температур поверхностей широко используют поверхностные датчики температуры с резисторными чувствительными элементами, например, проволочными или пленочными термометрами сопротивления (Приборы для измерения температуры контактным способом. Под общ. ред. Р.В. Бычковского. - Львов, «Вища школа», 1978, §1.4. Поверхностные термопреобразователи сопротивления, RU 2 476 835 C1, 01.2006). Здесь поверхность образца в зоне измерения закрывается накладками, что приводит к изменению степени черноты и температуры поверхности, и поэтому эти способы не могут быть использованы при определении степени черноты поверхности исследуемого материала.
Наибольшее распространение при определении температуры поверхности получили способы соединения спая термопар с телом, температура поверхности которого измеряется: приварка, зачеканка и приклейка (Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. М. Машиностроение, 1974, §6.2. Измерение температуры).
Первые два способа имеют методические погрешности измерения температуры, связанные с оттоком или притоком (в условиях радиационного нагрева) тепла от спая по термоэлектродам. Кроме того, эти способы могут быть использованы только в том случае, если исследуемый образец является металлическим.
За прототип принят способ установки термопар приклейкой, который применим на поверхностях любых материалов, в том числе на углеродных, керамических и др. Недостатками способа с приклеиванием термопар является искажение радиационных свойств поверхности в зоне измерения и термическое сопротивление между спаем термопары и поверхностью, на которую она наклеена.
Задачей и техническим результатом настоящего изобретения является, повышение точности и достоверности определения температуры исследуемой поверхности.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в способе определения температуры поверхности пластины в условиях стационарного одностороннего нагрева, состоящем в установке термопар, пластину разрезают на две части, на поверхностях разреза делают прорези у одной из частей вблизи исследуемой поверхности пластины, а у другой - вблизи нагреваемой, укладывают в прорези сваренные встык термопары, на участке не менее 10 мм от спая в обе стороны, заполняют канавку пастой из смеси порошка материала образца и высокотемпературного клея, части пластины склеивают, нагревают пластину с одной стороны постоянным тепловым потоком до установления стационарного состояния, фиксируют показания термопар и вычисляют температуры обеих поверхностей по формулам:
где δ - толщина пластины,
T1 - температура термопары у нагреваемой поверхности,
Т2 - температура термопары у исследуемой поверхности,
х1 - расстояние от нагреваемой поверхности до центра термопары,
х2 - расстояние от исследуемой поверхности до центра термопары.
На фиг. 1 приведена схема осуществления способа
Исследуемая пластина толщиной не менее 4 мм и не более 10 мм состоит из двух частей-исследуемой 2 и нагреваемой 1 размерами в плане не менее 50x100 мм (Фиг. 1). На соприкасающихся поверхностях сделаны прорези шириной 0.3 мм и глубиной 1 мм у одной из частей вблизи исследуемой поверхности пластины, а у другой - вблизи нагреваемой поверхности, укладывают в прорези сваренные встык термопары 4 и 3. Для уменьшения механической погрешности показаний термопары, прорези с вложенными на участке не менее 10 мм от спая в обе стороны заполняют пастой из смеси порошка материала образца и высокотемпературного клея. Части пластины склеивают. Нагрев пластины для определения степени черноты, проводят со стороны противоположной исследуемой поверхности образца до установления стационарного состояния, после чего фиксируют показания термопар Т1 и Т2. В предположении, что в диапазоне температур T2÷Т1 коэффициент теплопроводности материала образца изменяется незначительно и распределение температуры по толщине близко к линейному, температуру поверхности вычисляют по показаниям этих термопар.
где δ - толщина пластины,
Т1 - температура термопары у нагреваемой поверхности,
Т2 - температура термопары у исследуемой поверхности,
х1 - расстояние от нагреваемой поверхности до центра термопары,
х2 - расстояние от исследуемой поверхности до центра термопары.
Кроме того, здесь дополнительно может быть определена и величина коэффициента теплопроводности материала при температуре 
После определения степени черноты вычисляют величину теплового потока 
где σ - постоянная Стефана-Больцмана
εn - интегральная полусферическая степень черноты
Tn2 - температура исследуемой поверхности
Тс - температура среды
и величину коэффициента теплопроводности
Задавая в экспериментах различные значения температуры Tn2, можно определить температурную зависимость степени черноты и коэффициента теплопроводности.
С целью оценки методической погрешности предложенного метода определения температуры поверхности Tn2 было проведено численное моделирование процесса нагрева образца из углерод-углеродного материала толщиной 5 мм с заделанными вольфрам-рениевыми термопарами диаметром 0.2 мм. Расчеты производились при различных плотностях теплового потока до установления в образце стационарного распределения температуры.
В таблице 1 приведены величины подводимых к поверхности образца тепловых потоков, полученные значения температуры Tn2 и величины методической погрешности.
В случае измерения температуры приклеенной термопарой (прототип) методическая погрешность обусловлена наличием электроизоляционной прокладки клеевого слоя и наружной накладки, а также несовпадением степени черноты поверхностей образца εo и накладки εн и при q=2000 кВт/м2 равна величинам, приведенным в таблице 2.
Приведенные результаты подтверждают высокую точность определения температуры поверхности предложенным способом.
1. Способ определения температуры поверхности пластины в условиях стационарного одностороннего нагрева, состоящий в установке термопар, отличающийся тем, что пластину разрезают на две части, на поверхностях разреза делают прорези, у одной из частей вблизи исследуемой поверхности пластины, а у другой - вблизи нагреваемой, укладывают в прорези сваренные встык термопары, на участке не менее 10 мм от спая в обе стороны заполняют прорези пастой, части пластины склеивают, нагревают пластину с одной стороны постоянным тепловым потоком до установления стационарного состояния, фиксируют показания термопар и вычисляют температуры обеих поверхностей по формулам:
где δ - толщина пластины,
T1 - температура термопары у нагреваемой поверхности,
Т2 - температура термопары у исследуемой поверхности,
х1 - расстояние от нагреваемой поверхности до центра термопары,
х2 - расстояние от исследуемой поверхности до центра термопары.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что паста, которой заполняют прорези с вложенными в них термопарами, состоит из смеси порошка материала образца и высокотемпературного клея.
