УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ГАЗОВОГО ПОТОКА Российский патент 2004 года по МПК G01K13/02 

Изобретение относится к области измерения температурных полей газовых потоков.

В практике изучения структуры течения горячих газовых потоков в энергетических машинах и установках, металлургических и химических агрегатах и аппаратах (горелки, турбины, котлы, печные устройства и т.п.), а также при исследованиях их моделей имеет место задача измерения распределения температуры газа в области течения, то есть измерение поля температур. При этом необходимо измерять температуру газа в большом числе точек, поскольку, как правило, структуры таких потоков сложны и требуется обеспечить высокое пространственное разрешение. Кроме того, необходимо проводить измерения в течение короткого временного интервала (одномоментно), поскольку структура потока может меняться с течением времени, а в ряде случаев проведение длительных измерений невозможно по условиям безопасности или связано с большими энергозатратами.

Известны устройства для измерения температурных полей газовых потоков в виде контактных зондов на основе термоприемников, в которых преобразователями температуры, то есть термочувствительными элементами, являются термопары или термометры сопротивления (см. стр. 206-212 и рис.54 на стр. 211 в кн. Бошняк Л.Л. Измерения при теплотехнических исследованиях. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1974. - 448 с.). Такое устройство (измерительный зонд) устанавливается в точку измерения в газовом потоке и проводится замер температуры методами, соответствующими типу чувствительного элемента. Затем зонд перемещается в следующую точку и цикл измерения повторяется. Данные устройства имеют следующие недостатки. Устройства являются контактными, поэтому размещаемые в потоке зонды возмущают его, нарушают характер течения и тем самым искажают результаты измерения температурного поля. При проведении замеров поля температуры во множестве точек газового потока такие исследования становятся затяжными во времени и трудоемкими. Кроме того, необходимо иметь дополнительное и достаточно сложное оборудование, обеспечивающее перемещение и точное позиционирование зондов в пространстве (координатники). К недостаткам устройства следует отнести и присущие термоприемникам особенности: инерционность преобразователей температуры, что затягивает время измерения, и затрудненность точного ориентирования приемных отверстий зондов навстречу потоку, в условиях когда направление потока неизвестно. Перечисленные недостатки ограничивают возможность применения данных устройств для измерения температурных полей газовых потоков.

Наиболее близкими по назначению для измерения температурных полей газовых потоков к предлагаемому устройству являются многопоясные зонды (гребенки), объединяющие в единую конструкцию несколько термоприемников, в которых преобразователями температуры, то есть термочувствительными элементами, являются термопары или термометры сопротивления (см. стр. 118-127 и рис.79 на стр. 120, рис.80 на стр. 121, рис.81 на стр. 122 в кн. Пешехонов Н.Ф. Приборы для измерения давления, температуры и направления потока в компрессорах. М.: Оборонгиз, 1962. - 184 с.). Такие зонды после их позиционирования позволяют проводить измерения температуры одновременно в нескольких точках газового потока, что несколько сокращает время измерений. В остальном таким устройствам присущи те же недостатки, что и недостатки устройств, рассмотренных выше. Дополнительно можно отметить как недостаток их конструктивную сложность, а также сложность и трудоемкость в изготовлении. Отмеченные недостатки ограничивают возможность применения данных устройств для измерения температурных полей газовых потоков.

Техническая задача, решаемая применением предлагаемого устройства, - одномоментное измерение температурного поля газового потока в максимально большей области потока. Технический результат, достигаемый применением предлагаемого устройства для измерения температурного поля газового потока, заключается в уменьшении затрат времени, повышении точности измерения, сокращении числа операций и их упрощении, повышении комфортности и безопасности работы человека при проведении таких измерений. Это достигается тем, что устройство, содержащее преобразователь температуры, снабжено тепловизионной камерой, а преобразователь температуры выполнен в виде сетки из нитей, материал нитей сетки имеет коэффициент теплопроводности, составляющий 0.95...1.05 коэффициента теплопроводности газа, толщина нитей сетки составляет 10...50 мкм, а расстояние между нитями сетки составляет 100...200 толщин нитей, кроме того, сетка выполнена с термоиндикаторным покрытием.

Выполнение преобразователя температуры в виде сетки из нитей, размещенной в газовом потоке и практически не искажающей структуру потока, приводит к прогреву (охлаждению) нитей сетки и формированию на сетке температурного поля, идентичного температурному полю газового потока. Тепловое излучение от нитей, интенсивность которого соответствует температуре потока, с помощью тепловизионной камеры преобразуется в визуальный образ в виде цветового поля, отображаемого на мониторе тепловизионной камеры. Этот визуальный образ расшифровывается в числовые значения температуры в точках газового потока путем сопоставления цветов со шкалой "цвет-температура" на мониторе. Тем самым производится одномоментное измерение температурного поля газового потока в большом числе точек области течения, размеры которой определяются размерами сетки. Отсутствие искажения гидродинамической структуры газового потока и его температурного поля, а также отсутствие необходимости перемещать преобразователь по области течения потока обеспечивает повышение точности измерения температуры. Сокращение числа операций, их упрощение и повышение комфортности и безопасности труда при проведении измерения температурного поля газового потока, обеспечивается тем, что экспериментатор выполняет лишь размещение преобразователя в виде сетки в области течения до начала эксперимента, а измерение производит путем дистанционного наблюдения и расшифровки картины температурного поля сетки на экране монитора тепловизионной камеры. При этом во время измерений он не находится и не выполняет никаких операций в рабочей зоне. Выполнение нитей сетки-преобразователя из материала, имеющего коэффициент теплопроводности, составляющий 0.95...1.05 коэффициента теплопроводности газа, обеспечивает повышение точности измерения температурного поля газового потока за счет отсутствия перетекания теплоты по нитям сетки и уменьшения разницы температур поверхности нитей сетки и газа на границе между ними. Это приводит к идентичности температурных полей газа и сетки, что и повышает точность измерения при дальнейшем наблюдении температурного поля сетки с помощью тепловизионной камеры. Выбор конкретного значения коэффициента теплопроводности материала нитей сетки-преобразователя (то есть выбор материала) производится в соответствии со свойствами (теплопроводностью) исследуемого газового потока. Это индивидуализирует преобразователь температуры, чем дополнительно повышается точность измерения. Выполнение нитей сетки-преобразователя толщиной 10...50 мкм обеспечивает повышение точности измерения температурного поля газового потока за счет малого искажения ими гидродинамической структуры и температурного поля потока и за счет мгновенного следования температуры нитей за температурой потока при такой малой толщине нитей. В то же время нити такой толщины достаточно прочны. Выбор конкретного значения толщины нитей производится исходя из условия обеспечения прочности нитей сетки-преобразователя в соответствии со скоростью газового потока и уровнем температуры. Выполнение сетки-преобразователя с расстоянием между нитями в 100...200 толщин нитей, обеспечивает повышение точности измерения температурного поля газового потока за счет малого искажения сеткой структуры и температурного поля потока вследствие достаточно больших промежутков между нитями, позволяющих потоку свободно протекать сквозь сетку при наличии поперечных относительно сетки течений. В то же время такие промежутки достаточно малы, чтобы создать большое число точек замеров в области течения потока и повысить пространственное разрешение при измерении температурного поля газового потока, что также повышает точность измерений. Выбор конкретного значения расстояния между нитями сетки-преобразователя производится в соответствии с размерами области течения исследуемого потока и требуемым пространственным разрешением. Выполнение сетки с термоиндикаторным покрытием обеспечивает повышение точности измерения температурного поля газового потока за счет сопоставления двух результатов измерения температуры, полученных одновременно, но двумя разными методами - с использованием преобразователя температуры в виде сетки и по характеру изменения цвета термоиндикаторного покрытия. Кроме того, нанесение термоиндикаторного покрытия на сетку повысит термическое сопротивление границы между материалом нитей сетки и газом, что уменьшит перетекание теплоты по нитям. Это приводит к идентичности температурных полей газа и сетки, что и повышает точность измерения при дальнейшем наблюдении температурного поля сетки с помощью тепловизионной камеры. Выбор конкретного типа термоиндикаторного покрытия производится исходя из уровня температуры газа и требуемого шага температуры перехода цвета.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство для измерения температурного поля газового потока. Показаны компоненты устройства: преобразователь температуры (1) в виде сетки из нитей с термоиндикаторным покрытием, оснащенный тепловизионной камерой (2), имеющей в своем составе монитор (3). Преобразователь температуры помещен в газовый поток (4) в форме струи, вытекающей из сопла (5). На мониторе тепловизионной камеры показаны визуальный образ (6) температурного поля газового потока и шкала "цвет-температура" (7). На фиг.2 приведен пример цветовой тепловизионной картины температурного поля горячей закрученной газовой струи, полученной с помощью предлагаемого устройства. На этой картине видны следующие структуры потока: (8) струйки газа, вытекающего из межлопаточных каналов сопла-завихрителя, (9) зона обратных токов, (10) зона конвективного смешения, (11) специфическое вихревое кольцо в зоне обратных токов.

Предлагаемое устройство для измерения температурного поля газового потока содержит (см. фиг.1) преобразователь температуры в виде сетки из нитей (1), оснащенный тепловизионной камерой (2). Нити сетки выполнены из материала с коэффициентом теплопроводности, составляющим 0.95...1.05 коэффициента теплопроводности газа, толщина нитей сетки составляет 10...50 мкм, расстояние между нитями сетки составляет 100...200 толщин нитей, кроме того, сетка выполнена с термоиндикаторным покрытием.

Устройство работает следующим способом. Преобразователь температуры (1) в виде сетки из нитей, оснащенный тепловизионной камерой (2), имеющей в своем составе монитор (3), помещается в газовый поток (4). При прогреве (охлаждении) нитей сетки на сетке формируется температурное поле, идентичное температурному полю газового потока. Тепловое излучение от нитей, интенсивность которого соответствует температуре газового потока, с помощью тепловизионной камеры (2) преобразуется в визуальный образ (6) в виде цветового поля, отображаемого на мониторе (3) тепловизионной камеры. Этот визуальный образ расшифровывается в числовые значения температуры в точках газового потока путем сопоставления цветов со шкалой "цвет-температура" (7) на мониторе. Тем самым производится одномоментное измерение температурного поля газового потока в большом числе точек области течения. Точность измерения температуры обеспечивается выполнением нитей из материала, коэффициент теплопроводности которого составляет 0.95...1.05 коэффициента теплопроводности газа, и выполнением нитей толщиной 10...50 мкм. Оба эти условия гарантируют идентичность температурного поля сетки-преобразователя и температурного поля газа, что и повышает точность измерения при дальнейшем наблюдении температурного поля сетки с помощью тепловизионной камеры. Кроме того, выполнение сетки с расстоянием между нитями в 100...200 толщин нитей обеспечивает слабое возмущение потока сеткой-преобразователем и идентичность температурных полей газа и сетки-преобразователя. Нанесение на сетку термоиндикаторного покрытия, цвета которого меняются в зависимости от температуры сетки, повышает точность измерения за счет сопоставления результатов, полученных двумя разными способами, а также за счет улучшения термических качеств границы между материалом нити и газом.

Возможность осуществления предлагаемого изобретения и достижения технического результата основывается на том, что в нем реализован ряд мер для уменьшения затрат времени, повышения точности измерения, сокращения числа операций и их упрощения, повышения комфортности и безопасности работы человека при проведении измерения температурного поля газового потока.

Затраты времени на проведение измерения сокращаются за счет выполнения преобразователя температуры в виде сетки из нитей, размеры которой могут быть такими, чтобы захватывать всю интересующую область течения потока. При этом после прогрева сетки на ней одновременно во всех ее точках формируется температурное поле, идентичное температурному полю газового потока. Температурное поле сетки с помощью тепловизионной камеры преобразуется в визуальный образ на мониторе в виде цветового поля, которое расшифровывается в числовые значения температуры. Таким образом производится одномоментное измерение температурного поля газового потока в большом числе точек области течения.

Повышение точности измерения обеспечивается выполнением нитей сетки из материала, коэффициент теплопроводности которого составляет 0.95...1.05 коэффициента теплопроводности газа, выполнением нитей толщиной 10...50 мкм и выполнением расстояние между нитями сетки в 100...200 толщин нитей. Эти условия гарантируют идентичность температурного поля сетки-преобразователя и температурного поля газа. Близость коэффициентов теплопроводности обеспечивает уменьшение температурного перепада между поверхностью сетки и газом на границе между ними и ослабляет перетекание теплоты по нитям сетки, чем предотвращается нарушение идентичности температурного поля сетки и температурного поля газового потока. Нити указанного весьма малого диаметра быстро прогреваются, поэтому динамика изменения температурного поля сетки может отображать динамику температурного поля газа. Кроме того, нити таких поперечных сечений слабо нарушают характер течения газового потока. На этом основывается работа известных устройств для измерения скоростей газовых потоков - проволочных термоанемометров. В то же время сетки из нитей таких диаметров достаточно прочны, чтобы предлагаемое устройство можно было реализовать. Выполнение сетки с указанными достаточно большими расстояниями между нитями гарантирует от внесения возмущений в газовый поток и искажения его гидродинамической структуры и температурного поля. В то же время такие промежутки достаточно малы, чтобы создать большое число точек замеров в области течения потока и повысить пространственное разрешение при измерении. Шаг точек измерения составит 1...10 мм и может быть выбран в соответствии с размерами области течения. Повышение точности измерения обеспечивается также за счет нанесения на сетку термоиндикаторного покрытия, цвета которого меняются в зависимости от температуры сетки. Это позволяет одновременно с основным измерением температурного поля газового потока с применением преобразователя в виде сетки из нитей, дающим количественную картину, провести измерение другим методом, основанным на другом физическом принципе, дающем качественную картину, причем оба метода материализованы в одном устройстве. И хотя точность измерения температуры с помощью термоиндикаторных покрытий невысока, точность совокупного измерения повышается за счет сопоставления результатов, полученных двумя разными способами. Кроме того, нанесение на сетку термоиндикаторного покрытия, имеющего низкую теплопроводность, вносит положительные эффекты, аналогичные описанным выше при раскрытии выбора коэффициента теплопроводности материала нитей сетки.

Сокращение числа операций и их упрощение, повышение комфортности и безопасности работы человека при проведении измерений достигается за счет того, что экспериментатор выполняет лишь однократное за время эксперимента (до его начала) размещение преобразователя в виде сетки в области течения, а измерение производит путем дистанционного наблюдения и расшифровки картины температурного поля сетки на экране монитора тепловизионной камеры, а также путем визуального наблюдения температурного поля по цветовой картине термоиндикаторного покрытия, нанесенного на сетку. При этом во время измерений перемещений преобразователя в потоке не требуется, поскольку преобразователь может захватывать всю необходимую область течения потока. Таким образом, человек-экспериментатор во время эксперимента не находится и не выполняет никаких операций в рабочей зоне, тем самым он не подвергается воздействию опасных факторов, зачастую имеющих место при проведении газодинамических экспериментов как в лабораторных, так и в промышленных условиях, - интенсивного шума, теплового излучения, опасных компонентов газового потока.

Предлагаемое устройство было применено для исследования структуры температурных полей горячих закрученных газовых струй с температурой до 110°С. Размер интересующей области поля течения составил 350 мм по горизонтали и 450 мм по вертикали. Преобразователь был выполнен в виде сетки размером 400×500 мм из фторопластовых нитей диаметром 0.05 мм с шагом нитей 3 мм. Использовалось два варианта исполнения преобразователя - с термоиндикаторным покрытием и без него. Преобразователь был дополнен тепловизионной камерой IRTIS-200, оснащенной монитором для визуального наблюдения картины температурного поля и снабженной программным обеспечением для расшифровки визуального образа в числовые значения температуры. Для контроля методики одновременно проводилось измерение температуры газа в ряде точек области течения струи малогабаритным зондом традиционной конструкции на основе преобразователя из хромель-алюмелевой термопары с диаметром чувствительного элемента 0.2 мм.

Тепловизионная картина температурного поля струи показана на фиг 2. Она хорошо согласуется с известными данными. Например, в статье Шерстюк А.Н., Тарасова Л.А. Аэродинамика слабо закрученной турбулентной струи. - Теплоэнергетика, 1986, №2, с.61-64, на стр. 62 на рис.1 представлена структура струи выходящей из сопла с завихрителем. В этой структуре видны следующие зоны: струйки газа, вытекающие из межлопаточного канала сопла-завихрителя (поз.6) (здесь и далее позиции даны по указанной статье), зона обратных токов (поз.5), зона конвективного смешения - область между (поз.2) и (поз.3). Эти же структуры видны и на фиг.2 данного описания. В то же время виден новый элемент структуры потока в виде специфического вихревого кольца (11) в зоне обратных токов, которое в более ранних исследованиях традиционными способами не выявлялось. Сопоставление результатов расшифровки визуальной картины температурного поля и результатов прямого измерения температуры зондом показало их совпадение с погрешностью не более 2%. Наблюдение цветовой картины термоиндикаторного покрытия, нанесенного на сетку, показало качественное согласие всех трех методов измерения температурного поля. Затраты времени на поведение такого эксперимента составили примерно 30 мин, тогда как получение подробной картины температурного поля такого размера традиционным методом с помощью термозонда на координатнике заняло бы не менее 6 часов.

Изложенное доказывает возможность осуществления предлагаемого изобретения, решения поставленной технической задачи и достижения технического результата в виде уменьшения затрат времени, повышения точности измерения, сокращения числа операций и их упрощения, повышения комфортности и безопасности работы человека при проведении измерения температурного поля газового потока.

Изобретение относится к области измерения температурных полей газовых потоков. Устройство содержит преобразователь температуры и снабжено тепловизионной камерой. Преобразователь температуры выполнен в виде сетки из нитей, причем материал нитей сетки имеет коэффициент теплопроводности, составляющий 0.95...1.05 коэффициента теплопроводности газа, толщина нитей сетки составляет 10...50 мкм, а расстояние между нитями сетки составляет 100...200 толщин нитей, кроме того, сетка выполнена с термоиндикаторным покрытием. Такое выполнение устройства для измерения температурного поля газового потока обеспечит одномоментное измерение температурного поля газового потока в максимально большей области потока. Технический результат: уменьшение затрат времени, повышение точности изменения, сокращение числа операций и их упрощение, повышение комфортности и безопасности работы человека при проведении таких измерений. 2 ил.

Устройство для измерения температурного поля газового потока, содержащее преобразователь температуры, отличающееся тем, что оно снабжено тепловизионной камерой, а преобразователь температуры выполнен в виде сетки из нитей с термоиндикаторным покрытием, причем материал нитей сетки имеет коэффициент теплопроводности, составляющий 0,95...1,05 коэффициента теплопроводности газа, толщина нитей сетки составляет 10...50 мкм, а расстояние между нитями сетки составляет 100...200 толщин нитей.