Способ измерения температуры электропроводной поверхности Советский патент 1988 года по МПК G01K7/40 

фие, 1

11

Изобретение относится к термомет рии и может быть использовано для непрерывного дистанционного измерения температур нагретых поверхностей, находящихся в газовой среде, вакууме или жидких диэлектрических средах.

Цель изобретения - упрощение способа и расширение области его применения за счет расширения диапазона измеряемых температур и устранения зависимости результатов измерения от прозрачности промежуточной среды, из лучательной способности и рода материала нагретой поверхности.

На фиг.1 приведена упрощенная схема устройства для осуществления предлагаемого способа при однократном измерении температуры; на фиг.2-

то же,,для измерения непрерывного из- 20 мерения температуры; на фиг.З - эпю-

ры напряжений U , U

и Ujj соответст- схемы устройст

венно в точках а,б,в ва по фиг.2„

Устройство (фиг.1) содержит измерительный электрод 1, размещенный вблизи контролируемой поверхности 2, источник 3 высокого напряжения, регулятор 4 напряжения, токоограничиваю- щий резистор 5 и регистрирующий прибор 6 (киловольтметр).

Устройство на фиг.2 содержит,как и устройство, приведенное на фиг.1, измерительный электрод 1, устанавливаемый вблизи поверхности 2 (условно изображены в виде разрядника 7), источник 3 высокбго напряжения, резисторы 8 и 9, конденсатор 10, измеритель П максимального напряжения, включаюршй в себя диод 12, конденсатор 13, резистор 14 и регистрирующий прибор 6.

Способ осуществляется следующим образом

Измерительный электрод 1 приближают к контролируемой электропроводной поверхности 2 на небольщое расстояние 1 (фиг.1), Затем к электроду 1 и поверхности 2 прикладывается электрическое напряжение от источника 3 через резистор 5. С помощью регулятора 4 напряжение между электродом 1 и поверхностью 2 повышается до возникновения электрического пробоя среды, находящейся в промежутке измери- тельный электрод 1 - электропроводна поверхность 2. Величина напряжения в момент пробоя Ипр фиксируется измерительным прибором 6, После пробоя на

пряжение снижается или отключается для прекращения.возникающего после пробоя между элементами 1 и 2 разряда и для подготовки схемы к следующему пробою. Температура поверхности 2 определяется из градуировочной кривой и,, f(T) либо из ее аналитического выражения вида

и.

-i

HI

(1)

Ю

и no выражено в В| 1 - в MMJ Т - а А и В - постоянные, зависящие

где в К,

от рода и давления среды (газа) между электродом 1 и поверхностью 2 .(для воздуха при атмосферном давлении А 7,65 10 К/мм ,, а В 4,Д2х

f-n

L мм J

0

5

0

5

0

5

0

В процессе измерения температура электрода 1 и температура среды в промежутке между электродом и поверхностью заведомо не дол}кны превышать температуру контролируемой поверхности.

Для увеличения точности измерения измерительный электрод 1 должен быть термостабилизирован.

Принципиально важным фактом для реализации предлагаемого способа является однородность электрического поля в промежутке электрод 1 - поверхность 2. Условие однородности поля выполняется, если форма поверхности электрода, обращенная к поверхности, повторяет форму последней и все точки ее находятся на одинаковом расстоянии 1 от поверхности (фиг.О, а продольный а и поперечный b размеры поверхности электрода, обращенной к измеряемой (или меньший из них, например, а 6Ь), превьтают удвоенное расстояние 1, т.е. Ь i а Ь 21, и радиус закругления кромки вспомогательного электрода г, являющейся переходом от поверхности, обращенной к измеряемой поверхности, к собственной боковой поверхности, составляет не менее величины 1 (г 1), т.е. размеры измерительного электрода связаны с удаленностью его от поверхности следующим соотношением: Ъ а 2Е«2г.

Величину пробивного напряжения и р промежутка определяют температурой поверхности нагретого тела в связи с тем, что пробой начинается всегда у нагретого электрода. Это в свою

очередь обусловлено тем, что у нагретого тела плотность газа минимальна и, следовательно, вблизи поверхности тела наибольший коэффициент ионизации. Поэтому именно у нагретой поверхности зарождается пробой, кото- рьй в однородном электрическом поле без повышения приложенного к разрядному промежутку напряжения неизбежно завершается полным пробоем промежутка j несмотря на то, что остальная часть промежутка может иметь более высокую электрическую прочность, Величина сильно зависит от давления газа Р. Однако это не является существенным ограничением для применения предлагаемого метода по следующим причинам..Большинство промышленных процессов, связанных с нагревом тел, протекает при постоянном давлении, в частности при атмосферном. В этом случае температура определяется по градуировочной кривой или по аналитическому выражению типа (1), Если давление в процессе измерения температуры изменяется в небольших пределах (0,5 6 Р/РО 2,0) и по известному закону,, то это изменение легко учесть при измерении температуры по формуле

UH.M Up Р, /Р

где Up - пробивное напряжение при данном давлении Р;

измерительное пробивное напряжение,

т.е. то напряжение, по которому, используя градуировочную кривую, полученную при давлении Р , определяется температура.

Если закономерность изменения давления в производственном процессе неизвестна, но постоянна в каждом отдельном процессе, то перед измерения ми следует снять градуироврчные кривые. Если изменение давления носит случайный характер, то в этом случае действительно надо измерять давление газа (что представляется более простой задачей, чем измерение темперапр

туры). Зная давление Р и величину при этом давлении аналитически можно определить и температуру нагретой поверхности.

Схема устройства, приведенная на фиг.2, позволяет существенно упростить процесс измерения температуры поверхности и повысить точность.

еи я) т-10

15

25

35

40

45

50

р

55

З с тройств о . работает следующим образом.

Включают источник высокого напряжения (ИВН)S имеющий уровень рабочего напряжения Upqe который превышает или равен максимальному пробивному напряжению в заданном рабочем диапазоне температур (фиг.За)« Если поднимать постоянное положительное напряжение Up постепенно, конденсатор 10 емкостью С, заряжается до пробивного напряжения Un- промежутка электрод - поверхность. При пробое (момент времени t) напряжение в точке k резко падает практически до нуля (фиг.Зв), а на конденсаторе 10 eньшaeтcя при протекании тока короткого замьп :ания до величины падения напряжения на резисторе 9, если постоянная времени заряда Я,С, конденсатора 10 емкостью С, существенно больше постоянной времени его разряда ,, где R, и R, - сопротивление резисторов 8 и 9 соответственно. Когда напрякенне в точке Ь снижается до напряжения погасания 1 лог разряда, ток разряда обрьюается (момент времени t|) и ко щенсатор 10 начинает опять заряжаться, В момент 30 t, напряжение на нем U снова достигает величины Unp S происходит пробой

20

промежутка и процесс повторяется. С

ростом

жения и

ростом напряжения U величина напряпр не изменяется, з еньшаются только периоды времени заряд - разряд конденсатора 10; t - t, tj tj-t, a при достижении l const они становятся равными: tg,-t5. t-;-tg. . . (фиг.Зв) „

Так как при пробоях наблюдается естественный разброс пробивных напряжений, то для увеличения точности измерения следует усреднять результаты как минимум трех-пяти измерений напряжения пробоя. Схема устройства, приведенного на фиг.2, при соответствующем выборе параметров элементов схемы позволяет автоматически выполнить такое усреднение. Для этого необходимо, чтобы постоянная времени разряда конденсатора 13 емкостью С, входящего в состав измерителя 1 максимального напряжения, существенно превып1ала постоянную заряда конденсатора 10, т.е. при

10 R,C, ,(2)

где R,, - сопротивление резистора 14.

Применение источника высокого напряжения переменного тока требует

согласования постоянных времени заряда и разряда (2) с периодом переменного напряжения

R,,C,,t 10 R,C, Т 100 R2C, , (3) Как показали исследования, при работе в воздухе в пределах естественного статистического разброса пробивных напряжений точность измерения температуры поверхности не зависит от задымленности промежутка электрод 1 - поверхность 2, от материала и степени окисления поверхности 2 и электрода I и скорости движения потока газа до 50 м/с.

Формула изобретения

, Способ измерения температуры электропроводной поверхности, заключающийся в том, что вблизи контролируемой поверхности на фиксированном расстоянии от нее размещают измерительный электрод и в промежутке между измерительным электродом и поверхностью, прикладьшая к ним электрическое напряжение, создают электрическое поле, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и расширения области его применения, между измерительным электродом и контролируемой поверхностью создают однородное электрическое

поле, напряженность которого увеличивают до возникновения электрического пробоя среды в промежутке между электродом и поверхностью, и измеряют напряжение пробоя, по величине

которого определяют температуру поверхности, при этом температуру измерительного электрода и среды поддерживают меньшей или равной ожидаемой температуре контролируемой поверхности.

2. Способ поп.1,отличаю- щ и и с я тем, что, с целью повыше- шения точности измерения, осуществляют термостабилизацию измерительного электрода.

Изобретение м.б. использовано для непрерьтного дистанционного измерения температур нагретых поверхностей, находящихся в газовой среде, вакууме или диэлектрических средах. Цель изобретения - упрощение способа и распшрение области его применения. В устр-ве, реализующем способ, измерительный электрод ,(ИЭ) 1 приближают к контролируемой поверхности (КП) 2 на расстояние 1. Затем к ИЗ 1 и КП 2 прикладьшагот электрическое напряжение от источника 3 через резистор 5. С помощью регулятора 4 напряжение между ИЭ 1 и КП 2 повьшают до возникновения пробоя среды. После пробоя напряжение снижается. Температуру КП 2 определяют из градуировоч- ной кривой. Величина пробивного напряжения зависит от давления газа. Зная давление газа и величину пробивного напряжения при этом давлении аналитически можно определить температуру нагретой поверхности. I з.п. , 3 ил. с fS (Л

f Л

Фаг. 2

4 S ts t7

Фиг.З