Способ определения нестационарной температуры газа или жидкости Советский патент 1984 года по МПК G01K7/02 

Изобретение относится к способам измерения температуры контактными и бесконтактными методами, преимущест венно температуры потоков газа или жидкости, Известны способы определения нестационарной температуры газа или жидкости с помощью двух термоприемников d . Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является спо соб, заключающийся в том, что в газо вый поток вводят два термоприамника с различной тепловой инерцией и затем измеряют отношение параметров, характеризующих тепловую инерцию, измеряют приращение температзт за заданный интервал времени, измеряют разность температур термоприемников, соответствующих середине этого интервала, и по измеренным параметрам с учетом показаний одного из тер моприемников определяют искомую температуру С23. Недостатком описанного способа яв ляется невысокое быстродействие, обусловленное заданным значением временного интервала. Цель изобретения - повышение быст родействия замера температуры. Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения нестационарной температуры газа или жидкости с помощью термоприемников с различной теплоинерционностью с последующей обработкой их cHrHajjtoB в схеме с инерционным звеном, 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 вьЬсодного сигнала инерционного звена, а нестационарную тем ператзфу Т определяют по формулам (1 - ДТ2/ ат); (1- ) Т Трр-ь 4Т , где ЙТ-, и iSTj- приращения сигналов термоприемников; ,т - постоянная величина, ;равная отношению теп лоинерхр онностей первого и второго термолриемников; - выходной сигнал инерционного звена. Предлагаемый способ предназначен для измерения температуры потока газа или жидкости, который характеризуется некоторой средней температурой Трр и скачками температуры амплитудой 4Т. 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 скачка температуры (в ГТД оно составляет доли секунд). В общем случае это время определяется контролируемь1М физическим процессом. При отсутствии скачков температуры в предлагаемом способе измеряется Tgp, при наличии скачка ЛТ некоторой длительности каждый из термоприемников реагирует в силу различной инерхщонности по-своему на амплитуду скачка .ЛТ, однако обработка сигналов двух термоприемников по указаному способу позволяет в начальные моменты времени ф определять истинную температуру газа или жидкостибыстрее, чем это позволяет каждьй из термоприемншсов в отдельности. I . Предлагаётся использовать тонкие иммерсионные тела пластинчатого типа, для которых температурный отклик на ступенчатое изменение температуры газа или жидкости описьтается известным выражением ,4T./4T t-cosjB7 exp(-B,-F) (1) . для поверхности пластины, обращенной в газ или жидкость с изменяющейся температурой, и / ,Т./4Г 1 - exp(-B.,F,,) для центра пластины в случае, если обе ее поверхности омываются средой, или для теплоизолирующей поверхности пластины,где лТ|-текущее приращение :. температуры i-й пластины; йТ - истин,ное значение температурного перепада: Bi| ; Fp- at /L - критерии Вио и Фурье; , а, Л - коэффициенты теплоотдачи, температуропроводности 3, 1 и теплопроводности; L --толщина пла тины; if-, время. При контроле температуры раскале ных газовых потоков коэффициент теп лоотдачи ct . 500 толщины име сионньк тел L 1 мм. Тогда для ме таллических п-пастин в любой точке и менение температзфы описывается выражением4Т./ДТ 1-exp() l-exp(- 0 а if/ L) (3) Для каждой из двухпластин запишем (3) в виде 1 -ехрС-А;, ); ЛТ., /4Т 1 -ехрС-А ), . cio(.оСя где А,, и - параметры те ловой пластин. Величины ;ДТ и ДТ отсчитываются относительно средней, т.е. предшест вовавшей скачку дТ, температуры Отсюда 1п(1- ДТ,УлТ) AI 1п(1- ) . 2 и (1 -4Т.1 /ДТ) (1- ATj/ Д Т) (5) Последнее выражение связывает при ращения температур термодатчиков, истинное приращение температуры газ или жидкости 4 Т и отношение теплоинерционностей т. Измеряя одновременно ДТ и ЛТ при известном т, можно определить -ДТ. Искомую температуру газа или жидкости определяют, суммируя TCP и 4Т, Т ЛТ. Таким образом, сущность предлага . мого способа измерения температзфы . состоит в том, что сигнал одного из термоприемников (как правило, более инерционного) пропускают чере .инерционное звено с постоянной времени не менее 5-10 характерных вре мен флуктуации температуры газа или жидкости, тем самым измеряя среднюю температуру газа или жидкости, в любой момент времени измеряют прира щения температур каждого из термопр емников относительно упомянутой Сре ней температуры, т.е. измеряют ДТ иАТ2 затем по формуле (5) определяют истинную амплитуду температурного скачка ДТ; искомую температуру 9 4 . . газа или жидкости определяют путем сложения в каждый момент времени йТ и Тер. Наиболее простая процедура определения л Т из (5) имеет место при, . При этом выражение (5) переходит в следующее более простое уравнениеЛТ (2 ЛТ), которое может быть достаточно просто реализовано в устройствах. На фиг. 1 показана блок-схема устройства, реализующего предложенный способ; на фиг. 2 - арифметический блок. , В потоке 1 жидкости или газа находятся иммерсионные тела 2 и 3, против которых располагаются оптические пирометры 4 и 5. Сигнал с одного из пирометров поступает на устройство с инерхщонным звеном 6, которое так же, как и выходы оптических параметров, связано с вычитающими устройствами 7 и 8, а последние, в свою очередь, с арифметическим блоком 9. Блок 10, выполненный на компараторах, последовательно соединен с коммутатором 11 и схемой 12 индикации. Предложенный способ реализуется следующим образом.. Поток 1 газа или жидкости омывает с одной стороны иммерсионные тела 2 : и 3, представляющие собой две тонкие металлические пластины с толщинами, различающимися в 2 раза. Противоположные к потоку стороны иммерсионных тел визируются оптическими пирометрами 4 и 5, которые вьщают сигналы Т. и Т . Сигнал Т пропорционален температуре тела с меньшей тепловрй инер1 ионностью, сигнал Т, - с большей тепловой инерционностью. Сигнал Т2 поступает на устройство с инерционным звеном 6, определяющим среднюю температуру Тер. Затем сигналы Т , Т и поступают на вычитающие устройства 7 и 8, которые определяют при- : ращения ЛТ и ДТ2. Сигналы ДТ , ЛТ и Tj-p поступают на арифтический блок 9, выполненный на основе схем аналогового умножения-деления, который определяет истинное значение температуры Т. Для исключения неопределенности при значениях ЛТ-,и ЛТ , близких к нулю, в блоке 10, выпол ненном на компараторах, разность между сигналами Т и Tj, сравнивается с.заданным пороговым значением Т и, если (Т - Ту) Тр , то коммутатор 11 пропускает на схему 12 инди сации вьгаисленное блоком 9 значение Т , а в случае, если(Т - . 6 TO, на схему индикации поступает сигнал Т, как сигнал с менее теплоинерцион ного термоприемника для уменьшения погрешностей измерения температуры. t Инерционное звено 6 сглаживает флуктации температуры газа. Если на вход звена постуттает эл ектрический /сигнал, пропор.щональньй скачку /ДТ /с фронтомСфр., то на выходе звена в течение длительного времени сохраняется сигнал, соответствующий предьщу .щему значению. Это осуществляется для того, чтобы при любой температур газа в устройстве имелся сигнал, .соответствуюпщЙ средней температуре газа ,так как флуктуации .. отсчитываются от Tj-rf Для того, чтобы инерционное звенЬ сглаживало пуль/сации температуры газа, его постоянная времениФздолжна быть, как извест |Но, в 5-10 раз больше характерного времени пульсаций, т.е. (5-10)(Гф Возможна реализация звена 6 в виде сглаживающей RC-цепочки с передаточной характеристикой 1/(1+оСШС), в общем случае инерционное.звено наиболее целесообразно вьшолнить в виде интегратора на операционном усилителе с передаточной характеристикой l/Cl+py). На вход инерционного звена 6 можно додавать .сигналы как Tt, , так и Tg, nfo поскольку условно принято, что сигнал Т„ соответствует более инерционному термоприемнику то сглаживание пульсаций дТ на выходе звена 6 происходит более эф,фективно, если на вход звена 6 подают сигнал Т2. Сигнал Тсрдлй чувствительного элемента 3 является сигнало для чувствительного элемента2, так как элементы 2 и 3 расположены в непосредственной блиЗости друг от,, друга и при скоростях газа в ГТД 20j200 м/с можно считать условия в месте элементов 2 и 3 идентичными. В ра работанной конструкции пирометра эле менть 2 и 3 вьшолнены в виде одного диска из стали диаметром 1 см, при:чем одна половина диска имеет толщину 0,2 Ь1М (элемент 2), а вторая йоловина имеет толщину 0,4 мм (эдемент 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 (травила (5) для ситуахщи, когда на фоне некоторой средней температуры Tj,p 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 флуктуации: прямоугольной, линейно нарастающей и экспоненциальной, где значения входной температуры Тчерез 0,1 с после начала флуктуации и значения температур дТ-, и /JTj определены С помощью.двух иммерсионных тел с параметрами тепловой инерции А 1,72 1/с и А2 0,86 1/с (молибденовые пластины толщиной 0,2 и 0,4 мм соответственно) а также соответствующее погрешности измерения (T8x-Taj,j.)/Tg. Данные таблицы показывают, что применение правила (5) через 0,1 с .существенно повышает точность измерения температурных скачков независимо отих формы. Необходимо отметить, что погрешность измерения одиночным иммерсионным телом уменьшается со временем, поэтому наибольшую ценность предлагаемьй способ имеет при необходимости быстрого реагирования на быстроменяющуюся температуру, например, в газотурбинных двигателях. В предлагаемом способе определение температуры газа возможно в некоторой точке фронта Л1 сразу, как только сигналы Т и Т начинают paзличаться 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 двигателя без существенных изменений, а также увеличивает.ресурс двигателя.

Тех, К

Т , К

Погрешность Для первого иммерси онного тела, %

Т,, К

Погрешность для второго иммерсионного тела, %

Искомый перепад температуры. Т,

;Погрешность для искомого пере:пада. Т, %

47-, ,

0,259 0,0223

91,3 0,0114

95,6 0,214

17,4

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 )

Фиг.2