Устройство для измерения температуры газа

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК щ 4 С 01 К 13 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Киевский институт автоматикиим.ХХЧ съезда КПСС и Уральский политехнический институт им.С.М.Кирова(56) Ярьппев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарных температур. - Л., 1967, с,217,Авторское свидетельство СССРУ 767566, кл. С 01 К 13/02, 04.08.77(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА(57) Изобретение может быть использовано в пламенных нагревательных печах и позволяет повысить точность измерений за счет оптимизации условий теплообмена горячего спая. Засасываемые из рабочего пространства печи газы омывают рабочий участок термоэлектродов 2, расположенный подуглом 45 от оси экранирующего чехлао1. Горячий спай 3 термопары размещен на расстоянии внутреннего радиуса чехла 1 от еговходного торца. Проходящие по каналам 4 термоэлектроды 2 подключены ко вторичному при" бору, измеряющему возникающую термо- ЭДС. 1 ил.1332164 Тогда выражение (4) запишем- 7 ус(Т,-Т )-Е п 0 ЬТ . (5)Считая Эвф П окончательно получаем закон изменения температуры газа при его движении внутри чехла4 ЕчЬТц ЬТ -Т (6)45 го г Чрс ВВидно, что на входе, при Ь =О,Т = Т погрешность измерения равт го 1на нулю,Изобретение относится к техникеизмерения температуры, а именно к измерению температуры газов в рабочемпространстве пламенных нагревательных печей.Целью изобретения является повьппение точности измерений за счет оптимизации условий теплообмена горячегоспая.На чертеже приведено устройстводля измерения температуры газа, продольный разрез,Устройство содержит экранирующийчехол 1, платиновые термоэлектроды 2,горячий спай 3, который находится наоси чехла 1. Термоэлектроды 2 уложены в диаметрально противоположные каналы 4, а их рабочий участок растянут в линию и образует с осью экраонирующего чехла 1 угол в 45Безынерционная отсосная термопараработает следующим образом.Газы из рабочего пространства пла"менной нагревательной печи отсасываются через экранирующий чехол 1 иомывают рабочий участок термоэлектродов 2 и горячий спай 3. Термоэлектроды, проходя по каналам 4 экранирующего чехла 1, затем подсоединяются к вторичному прибору (потенциометру), которым измеряется возникшаятермо-ЭДС.Точность результатов измерениятемпературы отсосными термопарами, втом числе и заявляемой, зависит отскорости газов в точке осуществленияизмерения, расположения горячегоспая относительно рабочего торца эк"ранирующего чехла длины рабочегоучастка термоэлектродов и их диаметра. Эти конструктивные параметры .предлагаемого устройства находилисьиз условий минимальной погрешностиизмерения,На расположение горячего спаятермопары относительно ее входноготорца экранирующего чехла влияют двафактора: во-первых, при прохождениигорячих газов через экранирующий чехол происходит теплоотдача от газовк стенке чехла, в результате чеготемпература газов понижается вдольгазоотводящего тракта. Во-вторыхприближение спая термоэлектродов квходному торцу экранирующего чехлаприводит к увеличению радиационноготеплообмена между спаем и рабочимпространством печи. Рассмотрим эти составляющие .теплообмена. Потери тепла газом по длине чехла описываются уравнениемч)Ч)с (ТгрТ ) с (Т Т )Ь 0 (1)где 0 - внутренний диаметр чехла, м;Ч - скорость течения газов вчехле, м/с;19 .1 с - удельная теплоемкость газов;Т. - температура газа в сечениигорабочего торца чехла;Тг ,Т - температура газа и внутренФней поверхности чехла на рас стоянии Ь от рабочего торцачехла:Ь - расстояние от рабочего торцадо рассматриваемого сечения, м.20Потери тепла чехлом обусловленытеплообменом с окружающим пространством температурой ТЕ+Ь(Т"- Т" ) ПЭвнЬ, (2)где Е - степень черноты поверхностиЧ25чехла;П- внешний диаметр чехла.Таким образом о 1(Т, -Т)ХЛО= Еф(Т.ц -Т )кВвЬ, (3)С учетом (1) имеемчс(т го-тг) = Ечб(т"-т")7 Рвь, (4)В условиях работы предлагаемого устройства справедливо неравенство Т г Т ) Т. Для оценки максимально возможной погрешности от влияния рассматриваемого фактора положим ТО. 50 Теплообмен между горячим спаем ирабочим пространством печи описывается уравнениемАст(То -Тл)+Асч (Тс Т )=Рс с(Т;То)( 55 где АА- коэффициенты радиационного обмена спай-торец и спай-чехол, которые равныАст= РсЕс ст 1АСЧ РС ЕсСч 1(8) где 45 Тпл(хф -50 Лрс 55 Г , Г- разрешающие угловыекоэффициенты спай-тоРец, спай-чехол;Тс - температура спая;сс - коэффициент теплоотдачи конвекцией к поверхности спая; Р - площадь поверхностиспая;степень черноты поверхности спая;Ь - постоянная СтефанаБольцмана.Угловой геометрический коэффициент с поверхности спая на поверхность торца чехла определяется теРазность температур, стоящая в правой части выражения (8), представляет собой абсолютную погрешность измерения. Минимальную погрешность имеем при максимальном значении выражения, стоящего в квадратных скобках в левой части уравнения тепло-,обмена (8)1 Ь 4 н "с,11- (-) + +Э 4 Э ЧрсЕс Э(9)Формула (9) позволяет для конкретной термопары определять оптимальное значение Ь/Э. Оптимальное значение Ь/Э на практике лежит в пределах 0715 Оэ 2Однако, установление турбулентного характера течения потока происходит на расстоянии 0,50-150 от входа в канал. При этом на участке 0-0,50 происходит ускорение потока до скорости течения в чехле. Таким образом, на расстоянии 0,50 от среза чехла течение потока ламинарное, а скорость на оси максимальна. Это условие является более существенным, так как коэффициент конвективного теплообмена с горячим спаем пропорционален корню квадратному из скорости газового потока, обтекающего спай. Наиболее рационально принять отношение Ь/Э равным 0,5, Результаты испытаний также показали, что при значении Ь=О,50 обеспечивается максимальная точность измерений. лесным углом, ограниченным корпусомс вершиной в точке расположения спаяи основанием, совпадающим с торцомн,. п( .п(п. и., шийся телесный угол приходится на поверхность экранирующего чехла, вследствие чего из условия замкнутости процесса излучения геометрический угловой коэффициент спай-чехол равен 8=1-8 , Малая площадь поверхности спая позволяет не учитывать переотражение в системе и принять разрешающие угловые коэффициенты равными геометрическими. Тогда уравнение тепло- обмена для спая с учетом выражения (6) и условия Тг " 0 запишется Поскольку коэффициент теплоотдачиконвекцией к керамическим стенкамчехла ниже, чем к спаю, то и темпера тура его ниже, а термоэлектроды вместе соприкосновения с чехлом приобретаютего температуру. В этой связипроявляется еще одна .погрешность измерения за счет теплопроводности про волоки из которой выполнены термоэлектроды, Рабочий участок термоэлектродов можно представить в вйде стержнядиаметром Й, длиной 1, без тепловойизоляции боковой поверхности. Диффе ренциальное уравнение теплопроводности дпя стержня1а (Т(х)1 л аТпл (х,р 1ат рс ах 40 +Рэ4 а п(10)рсс 1 ф текущее время;текущая координата, отсчитываемая от спая (диапазонот 0 до /2, так как задачасимметричная);температура платиновой проволоки в момент времени Г,в сечении, расположенном нарасстоянии х;плотность подводимого кстержню теплового потока;теплопроводность платины;удельная теплоемкость платины;площадь поверхности стержня,Я р= Ос(Тр-Т (х с) Я 6 (Т, -Т п(х 7) )13321 б 4 где р 3 В1 Г 1ф + (т 1)п ч ч бл, в , степень черноты пластины; Г - площадьвнутренней поверхности чехла. Составитель Е.РязанцевРедактор Г,Волкова Техред М,Ходанич ,Корректор Н.Король Заказ 3823/37 Тираж 77 б ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5 Производственно-полиграфическое предприятие,г.Ужгород,ул.Проектная,4 Поекольку РчР, то С " , Составляющую радиационного теплообмена в выражении (11) можно представить в видеая(Т.ч Тля (хэ 7) )(12) где Ыл- коэффициент теплообмена излучения между поверхностью экранирующего чехла и платиновой проволоки. Поскольку Т (с Т, радиационная составляющая потока соответствует отводу тепла от платиновой проволоки и величина может быть оцененапоэмаксимуму: с 1 л=46 ЕЕ . Введение такой оценки позволяет динеариэовать радиационную составляющую потока Ч -сс+ ся)1.Т . ,3)(13)сс + я Решение дифференциального уравнения (10) известно, для стационарных условий оно имеет вид с(с+ "я сЬ ( --- 2 х) Т Ь)щТ -(Т -Т ) ------ (14) Лгй ил . с 6 Ч ес+Ыл сЬ( --- -1 аОТ + сяТчгде Т--- температурао"+спая, соответствующая нулевой теплопроводности стержня.Эта температура определяется расположением спая относительно среза чехла, отличием температуры газа от температуры чехла, величиной коэффициента теплоотдачи конвекпией к спаю, определяемого диаметром платиновой нити и скоростью прососа газа. Полагая х=О из выражения (14) получаем уравнение для температуры спая 5 Т =Т (Т,-Т ) ----- (15)1с о о Ч я+УсЬ(--ЙВторое слагаемое в выражении (15) 10представляет собой ошибку за счеттеплопроводности платиновой п оволоюл+ с ски. Причем выражение в в -"- вепличина постоянная и больше единицы,поэтому для минимизации погрешностиизмерения необходимо увеличить соотношение 1/Я. Следовательно, дляуменьшения погрешности измерения необходимо по воэможности увеличитьдлину рабочего участка термоэлектродов и уменьшить их диаметр. Максимально возможная длина рабочегоучастка термоэлектродов с учетом условия выведенного ранее (Ь/Р=0,5)равна О/зп 45 , т,.е. рабочий участоктермоэлектродов с осью экранирующегочехла должен образовывать угол в 45 . Формула изобретения Устройство для измерения темпера"туры газа, содержащее экранирующийчехол с размещенной внутри термопарой, рабочий участок термоэлектродовкоторой растянут в линию, отводящиеконцы уложены в диаметрально противоположных каналах, проходящих встенках экранирующего чехла, а горя"чий спай расположен на оси этого чехла, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью повышения точности измерений за счет оптимизации условийтеплообмена горячего спая, горячийспай термопары размещен на расстоянии внутреннего радиуса экранирующего чехла от его входного торца, а 45рабочий участок термоэлектродов расоположен под углом 45 от оси этогочехла.