Способ определения нестационарной температуры газа или жидкости

69) 01) СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 99 1 К ПОДЕ Я ЕТЕВУ В ГОРСКО В ЕТЕЛЬ одного из: через инерерат ермо времени ремен из не.ме нения однов жидкостиащения в термоприемвременинала инернарную темор мулам о н ционн перат) (1 Т е АРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР АМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ИСАНИЕ ИЗ(72) В.П Вавилов и В.Б. Ширяев (71) Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при Томском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им.С.М.Кирова(56) 1. Авторское свидетельство СССР У 300781, кл. С 01 К 7/02, 1969.2. Авторское свидетельство СССР У 399741, кл. С 01 К 7/02, 191 (прототив).(54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА ИЛИ ЖИДКОСТИ путем использования двух термоприемников с различной геплоинерционностью с последующей обработкой их сигналов к схеме с инерционным звеном, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения скорости замера темры, выходной сигнал риемников пропускают е звено с постоянной ее 5-10 характерных температуры газа или еменно измеряют прир о сигнала каждого из за заданный интервал тельно выходного сиг го звена, а нестацио ру Т определяют по ф йТ - приращения сигналов2термоприемников;в - постоянная величина,равная отношению теплоинерционностей первого и второго термоприемников;ср- выходной сигнал инеционного звена.1 . 11294Изобретение относится к способамизмерения температуры контактными ибесконтактными методами, преимущественно температуры потоков газа илижидкости,Известны способы определения нестационарной температуры газа илижидкости с помощью двух термоприемников 13.Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности является способ, заключающийся в том, что в газовый поток вводят два термоприемникас различной тепловой инерцией и затем измеряют отношение параметров,15характеризующих тепловую. инерцию,измеряют приращение температур зазаданный интервал времени,. измеряютразность температур термоприемников,соответствующих середине этогоинтервала, и по измеренным параметрам с учетом показаний одного из термоприемников определяют искомую температуру Г 23Недостатком описанного способа яв 25.ляется невысокое быстродействие,обусловленное заданным значениемвременного интервала.Цель изобретения - повышение быстродействия замера температуры.30 Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения нестационарной температуры газа или жидкости с помощью термоприемннков с различной теплоинерционностью с последующей обработкой их сигналов :в схеме с инерционным звеном, выходной сигнал одного из термоприем- ников пропускают через инерционное звено с постоянной времени не менее 5-10 характерных времен изменения температуры газа или жидкости, одновременно измеряют приращения выходного сигнала каждого иэ термоприемников за.заданный интервал времени относительно выходного сигнала инерционного звена, а не тационарную температуру Т определяют по формулам 99 2вого и второго термо,приемников;Т - выходной сигнал инер-срционного звена.Предлагаемый способ предназначен для измерения температуры потока газа или жидкости, который характеризуется некоторой средней температурой Т и скачками температуры амплитудой лТ. 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 Ф скачка температу-,: ры (в ГТД оно составляет доли секунд). В общем случае это время определяется контролируемым физическим процессом. При отсутствии скачков температуры в предлагаемом способе измеряется Т, при наличии скачка аТ некоторой длительности ф каждый из термоприемников реагирует в силу различной инерционностипо-своему на амплитуду скачка . йТ, однако обработка сигналов двух термоприемников по указанному способу позволяет в начальные 1моменты времениф определять истинФрную температуру газа или жидкости быстрее, чем это позволяет каждый из термоприемников в отдельности.Предлагается использовать тонкие иммерсионные тела пластинчатого типа, для которых температурный отклик на ступенчатое изменение температуры газа или жидкости описывается известным выражением,фТ. /4 Т=1-совВ ехр(-В:; Г ) (1)для поверхности пластины, обращеннойв газ или жидкость с изменяющейсятемпературой, и3 Т; /ф = 1 - ехр(-.В,Г ) (2),.е - постоянная величина,равная отношению теплоинерционностей пердля центра пластины в случае, если обе ее поверхности омываются средой, или для теплоизолирующей поверхности пластины, где дТ - текущее приращение,. температуры -й пластины; дТ - истинное значение температурного перепада:В;1 = 4 Ь/4; Р = аЙ фкритерии Вио и Фурье;,4, а, Ь - коэффициенты теплоотдачи, температуропроводности3 , 1129499 4и теплопроводности; Ь - толщина плас- газа или жидкости определяют путем тины; Г - время. сложения в каждый момент времени дТПри контроле температуры раскален- и Тс,ных газовых потоков коэффициент теп- НаиболеЕ простая процедура опреде лоотдачи о500 Вт/мК толщины имер- ления дТ из (5) имеет место при5сионных тел Ь ( 1 мм. Тогда для ме- , ш=2. При этом выражение (5) перехоталлических пластин в любой точке из- дит в следующее более простое уравменение температуры описывается вы- нениеражением дт = дт /(2 дт - дт), (6) 10 дТ,/дТ =. 1-ехр(-В;Р )= 1-ехр(- Ы а Ф/4 Ь)(3)которое может быть достаточно простореализовано в устройствах.я каждой из двух пластин запишем (3) и е : 15 устРойства, Реализующего предложенныйспособ; на фиг. 2 - арифметическийдТ/дТ = 1 - ехр(-АТ ) 3блок,дТг/дТ = 1- ехР(-А 2)В потоке 1 жидкости или газа нахо-.Фдятся иммерсионные тела 2 и 3, противгде А=и А -- параметры теп которых располагаются оптические пи, 1ловой инерции пластин рометры 4 и 5. Сигнал с одного изВеличины .дТ 1 и дТ отсчитываютсяпирометров поступает на устройство сотносительно средней, т.е. предшест- инерционным звеном 6, которое так жевовавшей скачку дТ, температуры как и выходы оптических параметров,Отсюда 25 связано с вычитающими устройствами 7А 1 п(1- дТ /дТ) и 8, а последние, в свою очередь,А 2 1 п(1 - ДТг /ДТ) с арифметическим блоком 9. Блок 10,выполненный на компараторах, после-.(1-д;Т/дт) =(1- ат / д Т) (5) довательно соединен с коммутаторомПредложенный способ реализуетсяращения температур термодатчиков,.следующим образом.истинное приращение температуры газаили жидкости д Т и отношение тепло- Поток 1 газа или жидкости омйваетинерционностей ш. Измеряяодновре-с одной стороны иммерсионные тела 2менно дТ и 1 Тг при известном ш, 35 и 3, представляющие собой две тонкиеможно определить дТ. Искомую тем- металлические пластины с толщинами,пературу газа или жидкости опреде- различающимися в 2 раза. Противополяют, суммируя Т и дТ, ложные к потоку стороны иммерсионныхтел визируются оптическими пирометТ = Т + дТ. 40 рами 4 и 5, которые выдают сигналыТ. и Т . Сигнал Т 1 пропорционаленТаким. образом, сущность предлагае- температуре тела с меньшей тепловоймого способа измерения температуры инерционностью, сигнал Т - с больг. состоит в том, что сигнал одногошей тепловой инерционностью. Сигнализ термоприемников (как правило, 45 Т 2 поступает на устройство с инерциболее инерционного) пропускают через онным звеном 6, определяющим среднююинерционное звено с постоянной вре- температуру Т Затем сигналы Т Тср ф гмени не менее 5-10 характерных вре-. - и Т поступают на вычитающие устройсрмен флуктуаций температуры газа или ства 7 и 8, которые определяют приокидкости, тем самым измеряя среднюю 50 ращения дТ и дТ . Сигналы дТг 1 фтемпературу газа или жидкости, в дТг и Т поступают на арифтическийлюбой момент времени измеряют прира- блок 9 выполненный на основе схемщения температур каждого из термопри- аналогового умножения-деления, котоемников относительно упомянутой сред- рый определяет истинное значение темней температуры, т.е. измеряют дТ 1 55 пературы Т, Для исключения неопредеи 4 Т, затем по формуле (5) опреде- ленности при значениях дТ и дТгляют истинную амплитуду температур- близких к нулю, в блоке 10, выполного скачка дТ; искомую температуру ,ненном на компараторах, разность1129499 3я между: сигналами Ти Т сравнивается с, заданным пороговым значением Т /о и, если (Т - т )Т то коммутатор 11 пропускает на схему 12 инди,кации вычисленное блоком 9 значение 5 Т 1, а в случае, если (Т - Т). с То, на схему индикации поступает сигнал Т, как сигнал с менее теплоинерционного термоприемника для уменьшения погрешностей измерения температуры.Инерционное звено 6 сглаживает флуктации температуры газа, Если на вход звена поступает электрический сигнал, пропорциональный скачку .ЙТ 15 , с фронтом ьф, то на выходе звена в течение длительного времени сохраняется сигнал, соответствующий предыдущему значению, Это осуществляется для того, чтобы при любой температуре 20 газа в устройстве имелся сигнал, соответствующйй средней температуре газа Т ,так как флуктуации д Т отсчитываются от ТДля того, чтобы инерционное звено сглаживало пуль ,сации температуры газа, его постоянная времениФ должна быть, как извест,но, в 5-10 раз больше характерного времени пульсаций, т.е. .Ъ (5-10)С 1 Возможна реализация звена 6 в виде ЗО сглаживающей НС-цепочки с передаточной характеристикой 1/(1+.сИКС), в общем случае инерционное. звено наиболее целесообразно выполнить ввиде интегратора на операционном35 усилителе с передаточной характерис" тикой 11+р 4На вход инерционного звена 6 можно подавать, сигналы как Т, так и Т, йо поскольку условно принято, что сигнал Т соответствует о. более инерционному термоприемнику, то сглаживание пульсаций ЬТ на выходе звена 6 происходит более эф,фективноесли на вход звена 6 подают сигнал Т 2 . Сигнал Тдлй чувстви-,45 тельного элемента 3 является сигналом Т. и для чувствительного элемента 2, так как элементы 2 и 3 расположены в непосредственной близости друг от,. друга и при скоростях газа в ГТД 200 200 м/с можно считать условия в мес-,те элементов 2 и 3 идентичными. В разработанной конструкции пирометра эле менты 2 и 3 выполнены в виде одного диска иэ стари диаметром 1 см при 55 чем одна половина диска имеет толщину 0,2 мм (элемент 2), а вторая . половина имеет толщину 0,4 мм.(элемент 3). Использование двух термопар с массами, различающимися в два раза, вкачестве термоприемников приводит каналогичному результату, так какв качестве выходного сигнала используется значениетемпературы.Если проанализировать применение,лтравила (5) для ситуации, когда нафоне некоторой средней температурыТ в начальный момент времени происходит быстрый скачок температуры,амплитуда которого должна быть определена за малые временные интервалы,то эффективность решающего правила.(5) может быть проиллюстрированатабл. 1 для трех форм температурныхфлуктуаций: прямоугольной, линейнонарастающей и экспоненциальной,где значения входной температуры Тз8 хчерез 0,1 с после начала флуктуаций,и значения температур йТи йТопределены с помощью. двух иммерсионных тел с параметрами тепловой инерции А = 1,72 1/с и А 2 = 0,86 1/с(молибденовые пластины толщиной 0,2и 0,4 мм соответственно) а такжесоответствующие погрешности измерения(Т,-1) Т,.Данные таблицы показывают, чтоприменение правила (5) через О, 1 ссущественно повышает точность измерения температурных скачков незави симо от"их формы,Необходимо отметить, что погрешность измерения одиночным иммерсионным телом уменьшается со временем,поэтому наибольшую ценность предла-,гаемый способ имеет при необходимости бь 1 строго реагирования на быстроменяющуюся температуру, например, вгазотурбинных двигателях.В предлагаемом способе определение температуры газа возможно в некоторой точке фронта АТ сразу, кактолько сигналы Т и Т начинают раз-,личаться устройством.Использование данного способа позволяет существенно повысить быстродействие и точность измерения нестационарной температуры газа или жидкости по сравнению с существующимиспособами. Применение данного способадля измерения температуры газа вгазотурбинном двигателе позволяет .двигателю работать при температурах,близких к критическим,что увеличивает коэффициент полезного действиядвигателя без существенных изменений,а также увеличивает. ресурс двигателя.,082 Погрешность длявторого иммерсионного тела 7 5 у 5,8 91,Искомый перепадтемпературы, Т 14 8;Погрешность д искомого пере пада, Т, 2 4 0 цг.2 Составитель Л. Балянинаедактор И. Рыбченко Техред Л.Копюбняк Корректор М. Леонтю аказ 944033ВНИИПИ писное комии от п 11303 шская"Пате Проектная, 4 Ужго огрешноервого инного т ь Дл ммерс а, % Тираж 822 Государственно лам изобретени осква, Ж, Р ета СССРытийнаб д. 4/