CC BY
122
УДК 681.7.013
АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА ПИРОМЕТРИЧЕСКИМИ ЗОНДАМИ
В.А.Карачинов, И.Г.Джеренов, Д.В.Карачинов, В.А.Манухин
THE METHODOLOGICAL ERROR ANALYSIS OF PYROMETRIC PROBE MEASUREMENT
OF THE GAS TEMPERATURE
V.A.Karachinov, I.G.Dzherenov, D.V.Karachinov, V.A.Manukhin
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Polnovo @ yandex. ru
Предложена классификация погрешностей для системы пирометрический зонд — телевизионный пирометр с учетом влияния внешних факторов. Расчетным методом показано, что в диапазоне значений скорости v = 5-50 м/с и температуры газового потока Тж = 800-1600°С методическая погрешность измерения температуры нагретого газового потока за счет теплообмена излучением и теплопроводности в значительной степени зависит от особенностей конструкции пирометрического зонда.
Ключевые слова: телевизионный пирометр, температура, измерение, пирометрический зонд, погрешность, классификация, расчет
In this paper we proposed the error classification for the system "pyrometric probe — television pyrometer" with regard to the influence of external factors. The computational method showed that in the range of velocity values v = 5-50 m/s and of the gas flow temperature Tg = 800-1600°С the methodological error of temperature measurement of the hot gas flow heated due to radiation heat transfer and thermal conductivity largely depends on the pyrometric probe design specifics.
Keywords: television pyrometer, temperature, measurement, pyrometric probe, error, classification, calculation
Введение
Известно, что особенности структуры пламени углеводородных газов в смеси с кислородом порождают в нем сильно неоднородное температурное поле, которое вызывает определенные трудности при проектировании различного оборудования, устройств, аппаратов, а также значительно осложняет технологию диагностики процессов горения [1-4]. В настоящее время для измерения температур раскаленных газовых потоков (пламени) находят применение как зондовые, так и оптические методы [5-7]. Практический интерес представляют также комбинированные методы, которые в рамках телевизионной пирометрии реализуются по принципу тонкой
проволочки и регулярных оптических меток с помощью введения в исследуемый газовый поток специальных тепловых микроизлучателей — пирометрических зондов (ПЗ) [7-9]. Проведенные экспериментальные исследования показали, что точность измерения температуры газового потока с помощью предложенного метода зависит не только от предела основной и дополнительной погрешностей телевизионного пирометра, а в равной мере и от условий измерения.
Поэтому целью данной работы является разработка методики, позволяющей в рамках классификационной схемы погрешностей повысить точность измерения температуры газового потока с помощью пирометрических зондов.
Методика исследований
Принцип телевизионного метода измерения температур газового потока с помощью пирометрических зондов показан на рис.1. Система газовой форсунки включала форсунку с регулируемой воздушной подпиткой через специальное отверстие (без наддува) и газовый баллон с пропаном емкостью пять литров. Расход газа (скорость) в магистрали контролировался с помощью ротаметра (типа РМ-А-0.0631) с известной градуировочной характеристикой.
Рис.1. Структурная схема измерительного стенда: 1 — источник газа (пропан); 2 — форсунка; 3 — факел; 4 — пирометрический зонд; 5 — позиционер; 6 — ПЭВМ с ППП «Па-рус-К»; 7 — телевизионный пирометр; 8 — контроллер позиционера
Для ввода пирометрического зонда в заданную область (точку) исследуемого газового потока использовался промышленно изготовленный двухкоорди-натный позиционер (точность установки 0,5 мм.). Перемещение кареток позиционера могло осуществляться как в ручном, так и в автоматическом режимах. В качестве эталонного теплоприемника использовалась термопара ТХА (хромель-алюмель) с предельно допустимой температурой 1300°С. Термо-ЭДС измерялась с помощью цифрового вольтметра (МУ-63). Для получения изображения пирометрического зонда и измерения его температуры применялся телевизионный монохроматический пирометр ярко-стного типа (эффективная длина волны Хэ = 0,6...0,72 мкм), система электронного управления ФПЗС которого позволяла визуализировать пирометрические зонды с различной яркостной температурой в условиях неработающей АРУ. Процесс калибровки пирометра и измерения температуры поверхности зонда осуществлялся с помощью программы «Парус-К» [10]. В режиме измерений температуры маркер на статическом изображении пирометрического зонда устанавливался в центре излучающей площадки.
Результаты исследований и их обсуждение
Измерение температуры нагретого газового потока с помощью телевизионно-пирометрической системы (ТПС), регистрирующей яркостную тем-
пературу пирометрического зонда, является косвенным методом. При этом кроме температуры зонда на параметры потока теплового излучения оказывает влияние целый набор факторов, порождающий погрешности. Для системы пирометрический зонд — телевизионный пирометр может быть предложена следующая классификация погрешностей (рис.2). Из нее видно, что ТПС обладает инструментальной погрешностью 5И, определяемой погрешностью измерения параметров потока теплового излучения. Она может быть определена согласно [10]:
5п = №О )8ф, (1)
где С2 = 1,4388-104 мкм-град; Т — температура зонда; 5ф — погрешность измерения потока излучения.
При узком спектральном интервале ТПС, обеспечивающем достаточную степень монохроматичности в пределах приближения Вина, непосредственно вытекает зависимость между истинной и ярко-стной температурами в ее наиболее распространенном виде:
Т-1 =Т-1 -(Кэ/02 )1п 8(Хэ,Т ). (2)
Разница между обратными значениями температур и дает величину «методической» погрешности ТПС:
ДТЯ-1 = ДТЯ-1 -Т- =-(Хэ /02 )1п 8(Хэ,Т). (3)
Соответственно, методические погрешности ТПС могут быть трех типов: 5Е, 5г, 5ф. На их величины оказывают влияние следующие факторы: излучательная способность пирометрического зонда (е), которая зависит от его оптических свойств, температуры, фазового состояния, вида механической обработки, степени шероховатости поверхности и др.; поглощение излучения промежуточной средой г; отраженное зондом излучение сторонних источников Ф [10-12]. Погрешность 5Е возникает вследствие того, что в процессе измерений излучательная способность пирометрического зонда отличается от излучательной способности эталонного источника яркостной температуры, по которому проводится градуировка ТПС. Погрешность 5г связана с тем, что при измерении яркостной температуры возможно ослабление видимой яркости зонда вследствие процессов оптического поглощения и рассеяния лучей в прослойке воздуха.
Погрешность 5ф возникает при измерении яркостной температуры зонда, освещенного сторонними источниками. В пределах ТПС перечисленные методические погрешности можно считать аддитивными. Используя обобщенный коэффициент 4, учитывающий влияние ех, гх, Фх на точность измерения температуры зонда, общую методическую погрешность можно выразить в следующем виде:
5е= ^ /(^-02/ ХэТ). (4)
Рис.2. Классификация погрешностей, возникающих при измерении температуры газовых потоков с помощью пирометрических зондов в составе телевизионно-пирометрической системы (ТПС)
Принципиально важной является составляющая методической погрешности 5то, обусловленная особенностями процесса теплообмена пирометрического зонда. Это связано с тем, что рассматриваемый метод относится к контактным методам измерения температуры, и первичный преобразователь (пиро-
метрический зонд) находится в непосредственном контакте со средой, температура которой измеряется. В этих условиях он является для среды посторонним телом и в той или иной степени нарушает первоначальное температурное поле среды в месте его установки.
7-ю
и n
/
700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600Тж,°С
а)
б)
Рис.3. Графики зависимости температуры SiC — пирометрического зонда (D1 = 1,4 мм, 11 = 450 мкм) от температуры газа. Пример. Расчет. а) поперечный обдув; б) продольный обдув; скорость газового потока: 1-10 — 5;10;15...50 м/с
Известно, что средства измерения температуры, на каком бы принципе действия они ни были основаны, показывают только собственную температуру термоприемника или, точнее, температуру рабочей части (чувствительного элемента) [10]. Следовательно, необходимо учитывать, что собственная температура пирометрического зонда по ряду причин может отличаться от действительной температуры среды. Такими причинами являются теплообмен излучением между пирометрическим зондом и окружающими его телами, отвод или подвод тепла по зонду вследствие теплопроводности, торможение потока газа и др. Поэтому систематические погрешности измерения температуры газового потока в рамках рассматриваемой методики и обусловленные указанными причинами относятся к методическим погрешностям измерения. С целью упрощения анализа задача определения методических погрешностей измерения температуры нагретого газового потока за счет теплообмена пирометрического зонда излучением и теплопроводности в данной работе рассматривалась по отдельности. Расчет методической погрешности был выполнен для одиночных пирометрических зондов, отличающихся геометрическими размерами основных элементов конструкции (диаметр излучающей площадки D = 1,0; 1,4; 2,0 мм, длина ножки L = 4,0 мм; толщина зонда l = 300; 450; 600 мкм; длина и диаметр держателя зонда соответственно равны h = 150 мм, d = 6,0 мм), при следующих условиях:
диапазон значений температуры газового потока ТЖ = 800^1600°С; скорости газового потока v = 5^50 м/с; температуры окружающей среды ТС = 5^50°С. В качестве примера на рис.3 приведены результаты расчета методической погрешности, обусловленной лучистым теплообменом [13] в рамках разработанной тепловой модели, согласно которой газ рассматривался как прозрачная, не поглощающая лучистой энергии среда. Кроме того, не учитывался кондуктивный теплоотвод от зонда через держатель. Тогда при установившемся тепловом режиме количество тепла, получаемое от раскаленного газа поверхностью зонда посредством конвективного теплообмена, равно количеству тепла, отдаваемого поверхностью зонда путем процесса теплообмена излучением с окружающей средой. Предварительно, для отмеченных выше условий, в рамках метода подобия [13] были рассчитаны численные значения коэффициента теплоотдачи конвекцией зонд-газ при продольном и поперечном обдуве, диапазон изменений которых составил ак = (250^1578) Вт/м2К. Анализ зависимостей (см. рис.3) показал, что, например, наименьшее значение методической погрешности ~3,6% следует ожидать при поперечном обдуве (V = 50 м/с, ТЖ = 800°С ).
Закон сохранения энергии для пирометрического зонда, находящегося в нагретом газовом потоке, с учетом возможных механизмов теплообмена можно представить в следующем виде:
Ок = вл + Оконд +Оак + Огр, (5)
где ОК — тепловая энергия, подводимая к зонду за счет вынужденной конвекции; ОЛ и ОКОНд — энергия, отводимая от зонда за счет теплового излучения и кон-дукции (теплопроводности) соответственно; вАК — энергия на возможную аккумуляцию тепла в материале зонда; ОТР — энергия, связанная с возникновением дополнительного источника тепла за счет процессов трения при больших скоростях потока (V > 50 м/с) [13]. Тепловые расчеты, выполненные с использованием известных теорем Кондратьева [13], позволили оценить численное значение темпа охлаждения пирометрического зонда, изготовленного из карбида кремния ^Ю), которое составило т ~ 0,55 с-1 (коэффициент тепловой инерции т ~ 1,8 с). Это означает, что инерционные свойства, например, не позволяют SiC-зонду реагировать на колебания температуры при горении газа, которые имеют место по оценкам ряда исследователей с частотой ~15 Гц [4], а следовательно, отпадает необходимость учета в модели составляющую Оак,
Вывод
Анализ, проведенный в рамках классификационной схемы погрешностей ПЗ — ТПС, показал, что методическая погрешность измерения температуры газа в значительной степени зависит от особенностей конструкции пирометрического зонда. Так, чем меньше диаметр применяемого пирометрического зонда и более гладкая его поверхность, тем меньше ожидаемое значение погрешности.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ 13-07-98800 рсевера.
1. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. М.: Мир, 1968. 592 с.
2. Кумагаи С. Горение. М.: Химия, 1979. 255 с.
3. Лавров Н.В. Физико-химические основы процесса горения топлива. М.: Наука, 1980. 256 с.
4. Варнатц Ю. Горение. Физические и химические аспекты, эксперименты, образование загрязняющего вещества. М.: Наука, 2003. 304 с.
5. Каган Ю.М., Перель В.И. Зондовые методы исследования плазмы // УФН 1963. Т.81. С.409-452.
6. Карачинов Д.В., Карачинов В.А. Пирометрические зонды на основе тугоплавких соединений. В.Новгород: НовГУ, 2008. 123 с.
7. Гиль В.В. Оптические методы исследования процессов горения. М.: Наука, 1984. 169 с.
8. William M. Pitts. Thin filament pyrometry in flickering laminar diffusion flames // XXIV Symp. (Int.) on Combustion. The Combustion Institute. 1996. P.1171-1179.
9. Патент РФ на изобретение №2466362 МПК G01J 5/28. Способ измерения пространственного распределения температуры / В.А.Карачинов, Д.В.Карачинов // Б.И. 2012. №31.
10. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М.: Наука, 1982. 296 с.
11. Карачинов В.А., Карачинов Д.В., Ильин С.В. Методы телевизионной термометрии гетерогенных систем. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. 298 с.
12. Karachinov V.A., Karachinov D.V., Kazakova M.V. Ther-mophysical and optical properties of silicon carbide-based microsystems with a dimple relief // Technical Physics. 2012. Vol.57. №8. Р.1167-1171.
13. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973. 320 с.
References
1. Bernard Lewis, Guenther Von Elbe. Combustion, flames and explosions of gases, 3d ed. Academic Press, 1961. 731 p. (Russ. ed.: L'iuis B., El'be G. Gorenie, plamia i vzryvy v gazakh. Moscow, "Mir" Publ., 1968. 592 p).
2. Kumagai S. Combustion. Tokio, Ivanami Thetten Publishers, 1976 (Russ. ed.: Kumagai S. Gorenie. Moscow, "Khimiia" Publ., 1979. 255 p.).
3. Lavrov N.V. Fiziko-khimicheskie osnovy protsessa goreniia topliva [Physics and chemistry of fuel combustion]. Moscow, "Nauka" Publ., 1980. 256 p.
4. J. Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble. Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation. Springer Berlin Heidelberg New York, 1996, 1999, 2001 and 2006. 383 p. (Russ. ed.: Varnatts Iu. Gorenie. Fizicheskie i khimicheskie aspekty, eksperimenty, obrazovanie zagriazniaiushchego veshchestva. Moscow, "Nauka" Publ., 2003. 304 p.).
5. Kagan Iu.M., Perel' V.I. Zondovye metody issledovaniia plazmy [Probe methods for investigating plasma]. Physics-Uspekhi (Advances in Physical Sciences), 1963, vol. 81, pp. 409-452.
6. Karachinov D.V., Karachinov V.A. Pirometricheskie zondy na osnove tugoplavkikh soedinenii [Pyrometric probes based on high-melting compounds]. Veliky Novgorod, 2008. 123 p.
7. Gil' V.V. Opticheskie metody issledovaniia protsessov goreniia [Optical methods for investigating combustion processes]. Moscow, "Nauka" Publ., 1984. 169 p.
8. William M. Pitts. Thin filament pyrometry in flickering laminar diffusion flames. XXIV Int. Symp. on Combustion. The Combustion Institute, 1996, pp. 1171-1179.
9. Karachinov V.A. Karachinov D.V. Sposob izmereniia pros-transtvennogo raspredeleniia temperatury [Method of measuring spatial distribution gas temperature]. Patent RF, no. 2466362, 2012.
10. Svet D.Ia. Opticheskie metody izmereniia istinnykh temperature [Optical methods for measuring real temperatures]. Moscow, "Nauka" Publ., 1982. 296 p.
11. Karachinov V.A., Karachinov D.V., Il'in S.V. Metody televizi-onnoi termometrii geterogennykh system [The methods of television thermometry of heterogeneous systems]. Saarbrucken, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. 298 p.
12. Karachinov V.A., Karachinov D. V., Kazakova M. V. Ther-mophysical and optical properties of silicon carbide-based microsystems with a dimple relief. Technical Physics, 2012, vol. 57, no. 8, pp. 1167-1171.
13. Mikheev M.A., Mikheeva I.M. Osnovy teploperedachi [Heat-transfer principles]. Moscow, "Energiia" Publ., 1973. 320 p.
