УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА Российский патент 1997 года по МПК G01K13/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться например в металлургии для измерения температуры валков прокатных станов прокатываемой металлической ленты а также температуры поверхности расплавленного металла в печах.

Известно устройство [1] в котором тонкостенный трубчатый металлический теплообменник, внутри которого на плотном тепловом контакте закреплен датчик температуры, находится между тепловоспринимающей поверхностью корпуса, теплоизолирующего его сверху и с боков, и движущейся нагретой поверхностью снизу, в результате чего вокруг теплоприемника образуется кольцевая полость с соотношением площадей входного и выходного отверстий 3:1. Движущийся вместе с нагретой поверхностью пограничный слой нагретого до температуры поверхности воздуха встречает отверстия различных площадей и в соответствии с уравнением Бернулли и теоремой о неразрывности струи, в отверстиях создаются различные динамические давления воздуха. За счет разности давлений через кольцевую полость вокруг теплоприемника циркулирует нагретый воздух пограничного слоя, устраняя теплопередачу теплоприемника в окружающую среду и исключая связанную с этим погрешность измерения температуры. Однако недостатком данного устройства является невозможность его работы как над неподвижной, так и над рельефной нагретой поверхностью, при движении которой вследствие жесткого закрепления устройства меняется расстояние до тепловоспринимающей поверхности теплоприемника, а следовательно, условия, интенсивность теплопередачи и точность измерений температуры.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является устройство [2] в котором датчик температуры находится в тепловом контакте со стенкой незамкнутой, т.е. сообщающейся с атмосферой центральной полости, открытой одной стороной к нагретой поверхности и находящейся в центре тепловоспринимающей поверхности корпуса, выполненного из малотеплопроводного материала, причем по краю тепловоспринимающей поверхности вокруг центральной полости с датчиком температуры имеется открытый кольцевой канал увеличивающегося диаметра. При подаче в кольцевой канал под избыточным давлением рабочей среды (газа) корпус устройства механически отделяется от нагретой поверхности вследствие наличия потока газа в зазоре между корпусом и нагретой поверхностью (эффект газовой смазки). Исполнение открытого кольцевого канала направляющим поток газа вовне корпуса создает эффект эжекционного попутного отсоса воздуха из центральной полости.

Однако вследствие эжекционного отсоса в центральной полости образуется область разреженного газа, являющегося промежуточной средой в процессе теплопередачи, которая уменьшает вклад конвективной (турбулентной) и кондуктивной теплопроводностью, составляющих передачи тепла от нагретой поверхности к термодатчику, а кроме того, поступающий непрогретый воздух атмосферы охлаждает датчик температуры и нагретую поверхность. Вследствие наличия уменьшенной по сравнению с нормальными (стандартными) условиями интенсивности теплопередачи уменьшается точность и увеличивается инерционность процесса измерения температуры нагретой поверхности. Техническим результатом, создаваемым изобретением, является повышение точности и уменьшение инерционности процесса измерения температуры.

Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве для бесконтактного измерения температуры поверхности движущегося объекта в зоне подвода газовой среды в тепловоспринимающем основании корпуса выполнены щелевые отверстия, расположенные на двух его противоположных сторонах.

При подаче в отверстия рабочей среды газа (воздуха) под избыточным давлением тепловоспринимающая поверхность корпуса отрывается от нагретой поверхности и поддерживается на малой высоте от нее вследствие наличия потока газа в зазоре между ними (эффект газовой смазки). Малое расстояние между поверхности, сравнимое с толщиной теплового пограничного слоя нагретой поверхности, увеличивает интенсивность процесса теплопередачи от нагретой поверхности к тепловоспринимающей поверхности, что вызывает положительный эффект уменьшение перепада температур между ними и, как следствие, увеличение точности измерений, а также увеличивает скорость выравнивания температур, т. е. уменьшает инерционность процесса измерения температуры.

Выполнение тепловоспринимающего основания корпуса по форме нагретой поверхности обеспечивает одинаковое расстояние (зазор) между ними по всей площади области их взаимодействия, что при достаточных размерах площади по сравнению с малостью расстояния между поверхностями обуславливает уменьшение краевых потерь тепла из области взаимодействия, которое также увеличивает интенсивность теплопередачи. Выполнение отверстий для подвода рабочей среды, в отличие от кольцевого канала у прототипа, позволяет обеспечить проникновение нагретого воздуха теплового пограничного слоя через промежутки между отверстиями в область взаимодействия поверхностей, где он выполняет функцию промежуточной среды процесса теплопередачи.

Использование нагретого воздуха теплового пограничного слоя для переноса тепла между поверхностями, в отличие от протекающего холодного разреженного воздуха из атмосферы у прототипа [2] позволяет исключить охлаждение датчика температуры и нагретой поверхности, а также повысить интенсивность теплопередачи вследствие повышенных теплопередающих свойств воздуха теплового пограничного слоя, находящегося в отличие от прототипа при нормальном давлении и плотности.

На фиг.1 изображено поперечное сечение устройства; на фиг.2 - пространственная проекция устройства над движущейся нагретой поверхностью; на фиг.3, 4 частные формы выполнения.

Устройство для измерения температуры поверхности объекта содержит датчик температуры 1, установленный в центре тепловоспринимающего основания 2 корпуса 3. Внутри корпуса 3, выполненного из неметаллического малотеплопроводного материала, имеются внутренние каналы 4, соединяющие патрубки 5 для подвода газовой среды с краевыми щелевыми отверстиями 6, выполненными в основании 2 с двух его противоположных сторон, что обеспечивает пространственную устойчивость корпуса над поверхностью контроля. Каналы 4 объединены между собой для обеспечения равенства избыточного давления истекающей рабочей среды в отверстиях 6.

При работе устройства в патрубки 5 корпуса 3 подается под избыточным давлением рабочая среда газ, который, проходя по внутренним каналам 4, выходит через отверстия 6 в зону соприкосновения тепловоспринимающего основания 2 корпуса 3 и нагретой поверхности 7. Подаваемый газ, попадая в пространство между поверхностями, разделяет их, т.е. разрывает механический контакт, и корпус 3 отделяется от нагретой поверхности 4. В окрестности отверстий, в зазоре между тепловоспринимающей поверхностью корпуса и нагретой поверхностью возникают зоны избыточного давления газа, истекающего через зазор в окружающую среды (эффект газовой смазки). Зоны избыточного давления бесконтактного поддерживают корпус 3 устройства на постоянной высоте (зазора) над нагретой поверхностью 7, при движении нагретой поверхности пропускают без контакта шероховатости меньше высоты подъема и отслеживают большие и плавные изменения рельефа нагретой поверхности. Величина необходимого избыточного давления и размеры зон истекающего газа определяются шероховатостью нагретой поверхности, которая задает необходимую высоту подъема, и массой корпуса устройства. Использование эффекта газовой смазки для бесконтактной поддержки корпуса позволяет теоретически бесконечно долго, вследствие отсутствия механического износа тепловоспринимающей поверхности корпуса, отслеживать на минимально допустимой по шероховатости высоте профиль рельефа движущейся нагретой поверхности.

При работе устройства над нагретой поверхностью 7 корпус 3 уменьшает тепловой поток, теряемый нагретой поверхностью в окружающую среду. При приближении тепловоспринимающего основания 2 корпуса 3 к нагретой поверхности 7 ее температура повышается и приближается к температуре нагретой поверхности. В пределе при касании в тепловом контакте температуры поверхностей равны. Поэтому первым необходимым условием достижения высокой точности и малой инерционности процесса измерения температуры будет условие максимальной близости нагретой поверхности или минимальной высоты подъема тепловоспринимающей поверхности корпуса, а также условие необходимости достижения максимально возможной интенсивности теплопередачи между поверхностями. Вторым необходимым условием достижения максимальной близости температур нагретой поверхности и тепловоспринимающей поверхности корпуса является условие минимальности тепловых потерь, теплового потока от тепловоспринимающей поверхности через корпус в окружающую среду или условие минимального значения коэффициента теплопроводности корпуса. Используя принятое в теплотехнической литературе понятие теплового сопротивления, как величины, обратной коэффициенту теплопередачи или коэффициенту теплопроводности, указанные условия можно сформулировать иначе: тепловое сопротивление корпуса выше теплового сопротивления газового слоя между нагретой поверхностью и тепловоспринимающей поверхностью, температура которой измеряется поверхностным датчиком температуры 1, а малое тепловое сопротивление обеспечивается как близостью поверхностей, так и повышением (по сравнению с прототипом) теплопередающих свойств подвижного теплоносителя - промежуточной среды, т.е. газового слоя. При уменьшении теплового сопротивления газового слоя или увеличении коэффициента теплопередачи между поверхностями, даже при сохранении значения величины теплового потока, теряемого от нагретой поверхности 7 через корпус в окружающую среду, согласно законам теплотехники уменьшается разница температур между поверхностями и уменьшается инерционность процесса измерения температуры.

Процесс переноса тепла между двумя разделенными газообразной промежуточной средой поверхностями, имеющими различную температуру, осуществляется как переносом излучения, так и теплопередачей через посредство промежуточной среды. Интенсивность теплопереноса излучением зависит со степеней черноты взаимодействующих поверхностей и от величины тепловых потерь уходящего через краевой зазор в окружающую среду излучения. Интенсивность переноса тепла излучением повышается при уменьшении краевых потерь, что достигается уменьшением величины телесного угла, например, при сближении взаимодействующих поверхностей, или криволинейности их формы, независимо от степеней черноты поверхностей в пространстве между ними согласно закону Планка формируется неизотермическая щелевая модель абсолютного черного тела (АЧТ), поле излучения внутри которой, вследствие переизлучений и многократных отражений стремиться к равновесному, а стенки модели, т.е. взаимодействующие поверхности к изотермичности. Второй механизм переноса тепла теплопередача через посредство промежуточной среды газа состоит из процессов теплоотдачи "нагретая поверхность газ" и "газ тепловоспринимающая поверхность", а также процесса переноса тепла газом. Вследствие температурного скачка пограничного слоя в процессах теплоотдачи для повышения их интенсивностей необходимо сближение поверхностей на расстояние, меньшее суммарной высоты пограничных слоев взаимодействующих поверхностей, а для повышения интенсивности переноса тепла реальным газом достаточно повысить его давление. Таким образом, повышенная точность и пониженная инерционность процесса измерения температуры при использовании заявленного устройства достигается повышением интенсивности теплопередачи от нагретой поверхности к тепловоспринимающей поверхности с датчиком температуры, которое обеспечивается сближением поверхностей на расстояние, сравнимое с толщиной теплового пограничного слоя, проникновением нагретого воздуха теплового слоя через промежутки между отверстиями, что предотвращает охлаждение в области теплопередачи, уменьшением телесного угла краевых потерь тепла излучением за счет повторяемости форм поверхностей и малости зазора по сравнению с площадью их взаимодействия и, наконец, повышением, по сравнению с прототипом [2] давления промежуточной среды воздуха между поверхностями.

Корпус устройства уменьшает поток, теряемый в окружающую среду, поэтому повышение теплового сопротивления корпуса увеличивает температуру тепловоспринимающего основания, приближая его значение к температуре нагретой поверхности, следовательно, увеличивает точность измерения температуры. Использование малотеплопроводного, неметаллического материала (керамики) для изготовления корпуса устройства не позволяет однако полностью исключить тепловые потери в окружающую среду.

Выполнение корпуса пустотелым, в герметичной полости 8, которого создан вакуум, позволяет практически полностью исключить тепловые потери теплопроводностью, а наличие в полости 8 пакета металлических экранов 9 многократно уменьшает поток потерь тепла излучением (фиг.3).

Датчик температуры 1, находящийся в тепловом контакте с тепловоспринимающим основанием 2 корпуса 3 представляет собой термоэлектрический преобразователь или термосопротивление, чувствительный элемент (ЧЭ) которых находится в плотном механическом контакте с тепловоспринимающей поверхностью. Получая тепло как излучением от нагретой поверхности, так и от газового слоя в процессе теплопередачи, ЧЭ воспринимает их температуру и передает ее значение в форме электрического сигнала электроизмерительной части прибора для измерения температуры.

С целью уменьшения инерционности процесса измерения температуры целесообразно конструктивно выполнять ЧЭ имеющим минимальные размеры, массу, а следовательно, и теплоемкость. Например, в случае использования термоэлектрического преобразователя металлические термоэлектроды могут быть пленочными, напыленными на тепловоспринимающую поверхность. В случае работы устройства над сильно шероховатыми нагретыми поверхностями целесообразно, с целью защиты ЧЭ датчика температуры от разрушения при случайном соприкосновении с движущейся нагретой поверхностью выполнение тепловоспринимающей поверхности в виде металлического слоя 10 (фиг.4), пластины или стенки пустотелого корпуса, обратная сторона которой находится в тепловом контакте с теплочувствительным элементом (фиг.3).

Одной из возможных областей применения изобретения является, например, цветная металлургия, а именно, задача непрерывного контроля за температурой отжига прокатываемой латунной ленты.

В данных условиях применение предлагаемого технического решения позволяет соединить преимущество бесконтактных методов отсутствие механического износа, с преимуществами контактных методов высокая точность, воспроизводимость и независимость показаний от состояния поверхности и марки сплава. Кроме того, применение стандартных датчиков температуры термопар или термосопротивлений позволяет использовать совместно с заявленным устройством, без каких-либо дополнительных согласующих приборов, стандартные автоматические самопишущие потенциометры.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить качество латунной ленты путем более точного соблюдения температурного режима в технологии отжига ленты при минимальных затратах вследствие использования стандартного оборудования.

Использование эффекта газовой смазки для бесконтактной поддержки корпуса устройства над нагретой поверхностью позволяет эксплуатировать устройство над движущимися и неподвижными нагретыми поверхностями, имеющими как правильные геометрические формы (плоскость, цилиндр и т.д.), так и формы отклонениями (волнистость, шероховатость и т.д.). При движении устройства над загрязненными, запыленными или над нагретыми поверхностями, охлажденными эмульсией, поток газа из краевого зазора между корпусом и нагретой поверхностью частично сдувает загрязнения, пыль, эмульсию.

Сущность изобретения в корпусе устройства, выполненном из теплоизоляционного материала, размещен термодатчик, установленный в центре тепловоспринимающего основания корпуса. На двух противоположных сторонах основания имеются краевые щелевые отверстия для подвода рабочей среды - газа под избыточным давлением в зазор между корпусом устройства и нагретой поверхностью. Тепловоспринимающее основание корпуса выполнено по форме поверхности объекта. В процессе измерения устройство поддерживается над контролируемой поверхностью за счет эффекта газовой смазки. 4 ил.

Устройство для бесконтактного измерения температуры поверхности движущегося объекта, содержащее корпус из теплоизоляционного материала с полостью, сообщенной с его тепловоспринимающим основанием для подвода газовой среды по периметру последнего, и термодатчик, размещенный в корпусе и установленный в центре тепловоспринимающего основания, отличающееся тем, что в зоне подвода газовой среды в тепловоспринимающем основании выполнены щелевые отверстия, расположенные на двух его противоположных сторонах.