CC BY
72
Содержание____________________
УДК 629.423.31:621.314.2.6883
3
КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ МЕТОДАМИ ИНФРАКРАСНОЙ ПИРОМЕТРИИ
Е.К. Галанов, А.В. Корнух
Аннотация
Температурный режим электротехнических, электромеханических и механических узлов и деталей, используемых на железной дороге, является важным показателем их экономичной и правильной работы. Исследованы метрологические вопросы бесконтактного измерения температуры объектов методами инфракрасной пирометрии. Показано, что предварительное измерение коэффициента излучательной способности объекта в рабочей области спектра пирометра позволяет определять температуру объекта с погрешностью не более 1°С в диапазоне температур от минус 30 до +600°С.
Ключевые слова: бесконтактный метод измерения температуры,
инфракрасная пирометрия, теплообмен в электротехнических, электромеханических и механических изделиях.
Введение
В процессе работы электротехнических, электромеханических и механических узлов, используемых на железной дороге, происходит выделение тепла, что обусловливает уменьшение коэффициента полезного действия этих узлов, более быстрое их старение, может приводить к выходу этих узлов из строя и созданию аварийной обстановки. Контроль температуры электротехнических, электромеханических и механических элементов и узлов является актуальной задачей и осуществляется различными способами.
Инфракрасные пирометрические методы находят всё возрастающее применение, так как являются бесконтактными неразрушающими методами. Эти методы эффективны при контроле деталей и узлов в широком диапазоне температур от минус 30 до +600°С, в случае контроля труднодоступных поверхностей, быстропротекающих процессов и движущихся объектов. Выпускаемые цифровые инфракрасные пирометры обеспечивают высокую локальность и чувствительность измерений.
Расширение сферы применения инфракрасных пирометров связано с решением некоторых методических и метрологических вопросов. Точность измерения температуры поверхности объекта зависит от алгоритма, заложенного в основу обработки результатов измерений (инфракрасного потока излучения исследуемого объекта), а также от
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/2
Содержание
3
вводимых констант, основной из которых является излучательная способность объекта.
1 Связь эффективной и истинной температур при пирометрических измерениях
Настоящая работа посвящена метрологическим вопросам измерения температуры деталей и узлов инфракрасными пирометрами. Использовались пирометры ST25 и ST60, работающие в инфракрасной
(ИК) области спектра А = 8.. .14 мкм. Диапазон измеряемых температур от минус 30 до +600°С, расстояние до исследуемого объекта 0,15-10 м, предельное разрешение 0,01 м. Пирометры ST25 и ST60 позволяют проводить измерения температуры объекта при температуре окружающей среды 0...50°С, движение и нагрев воздуха не оказывают влияния на точность измерения температуры объекта.
В ИК-пирометрах, подобных ST25 и ST60, в качестве приёмников ИК-излучения используются, как правило, болометры (чувствительные элементы которых представляют собой тонкие, d < 1 мкм, металлические полоски) или пироэлектрические приёмники. Для того чтобы температура окружающей среды (и, следовательно, чувствительного элемента пирометра) не влияла на результаты измерений ИК-потока излучения объекта, в приборах используется мостовая схема. В двух плечах моста применяются элементы с одинаковой чувствительностью к изменению температуры, что позволяет скомпенсировать электрический сигнал, снимаемый с моста, когда температура пирометра (как и окружающей среды) изменяется в пределах рабочих температур То = 0.50°С.
В приборе измеряется параметр чувствительного элемента при температуре окружающей среды То, что служит основой для введения значения То при обработке результатов измерений.
В приборе ST25 коэффициент излучательной способности объекта всегда задаётся в виде константы 8 = 0,95. В этом случае прибор, измеряя поток ИК-излучения, показывает эффективную температуру Тэ, отличную от истинной температуры объекта Тк. Взаимная связь 7"и, Тэ, Т0 и 8 в пирометре определяется на основании закона излучения нагретого тела -формулы Планка [1].
27ihv3 dv 'rlnhv' dv
c2 exp hv/kT^-l J c2 exp hv/kT0-\
\
(1)
I
'2r2nhv3 dv V2r2nhv3 dv
* c2 exp hv/kT3-l j c2 exp hv/kT0-\ ’
J
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/2
Содержание________________________________________________________3
где Vj — v2 - рабочая область спектра пирометра; h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме.
При измерении в диапазоне температур 10...100оС в приближении второго порядка малости соотношение (1) позволяет определить связь величин Ги, Тэ, Г0 и 8 в форме
е(Д - Т0)ТЭ = (Г,- То) Ти, (2)
где Ти и Тэ - истинная и эффективная абсолютные температуры объекта;
То - абсолютная температура атмосферы (все температуры - в градусах Кельвина).
При работе с любым ИК-пирометром необходимо знать коэффициент излучательной способности тела, который может иметь значения в
пределах 8 = 0...1 (8=1- коэффициент излучательной способности абсолютно чёрного тела). Коэффициент излучательной способности можно определить теоретически в случае полированной поверхности (размеры шероховатости исследуемой поверхности существенно меньше длины
волны излучения рабочей области спектра, т. е. Х1...Х2), если известны оптические постоянные (п и к) объекта, излучательная способность которого определяется.
Если образец не пропускает излучение (в ИК-области спектра X = = 8.14 мкм это имеет место при толщинах образцов 10.100 мкм), то поток излучения J0 = 1, падающий на образец,
1 = A + R, (3)
где А - поглощательная способность образца; R - коэффициент отражения.
Коэффициент излучательной способности тела £ =А находится из соотношения
£ = 1 - R.
Для полированной поверхности имеем [2]
R =
п-1 2+к2 п +1 2 +к2
(4)
(5)
где п и к - показатели преломления и поглощения материала. Из (4) и (5) следует:
8 = 1-
п-1 2 +к2 п +1 2 +к2
(6)
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/2
Содержание
3
Рассчитанные по формуле (6) величины излучательной способности некоторых материалов (для полированной поверхности) представлены в таблице; значения n и к взяты из работы [3].
2 Экспериментальные исследования излучательной способности материалов
При увеличении шероховатости поверхности, когда размеры шероховатости становятся сопоставимыми и больше длины волны излучения рабочей области спектра пирометра, коэффициент излучательной способности тела в этой области спектра возрастает, так как от каждого элемента поверхности исходит не только собственное излучение нагретой поверхности, но и излучение, исходящее от других участков этой поверхности и отражённое данным элементом. В общем случае для шероховатой поверхности тела (особенно произвольной формы) коэффициент излучательной способности s можно определить только экспериментально.
В настоящей работе проведены экспериментальные исследования излучательной способности поверхностей тел, изготовленных из алюминия, стали и кварца.
Исследуемые образцы помещались в термостат, их температура Ти контролировалась с точностью 0,5°С. Эффективная температура Ти образца измерялась с помощью пирометра ST25 (ST60) при расчётном 8 = 0,95. На основании соотношения (2) находились значения коэффициента излучательной способности 8. В таблице приведены
значения s для образцов, изготовленных из различных материалов, определённые на основании экспериментальных измерений, и расчётные
значения 8 полированных поверхностей.
ТАБЛИЦА. Коэффициенты излучательной способности материалов
Материал Температура, °С еэкспер ^тасч * е
Алюминий полированный 20-200 0,023 0,02 -
Алюминий, шлифовка и грубая обработка - 0,3-0,5 - -
Сталь нержавеющая полированная - 0,6 0,04 -
Сталь нержавеющая, шлифовка и грубая обработка - 0,5-0,6 - -
Кварц - 0,91-0,94 - -
Медь полированная - - - 0,02
Медь, грубая обработка - - - 0,2-0,3
Краска масляная - - - 0,92-0,96
Лак эмалевый - - - 0,85-0,95
Резина - - - 0,95
>н
Примечание. Значение е взято из [1].
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/2
3
Содержание____
3 Заключение
Для определения температуры объекта бесконтактным методом инфракрасной пирометрии необходимо знать величину коэффициента
излучательной способности 8 материала объекта. Знание 8 с точностью 0,01 гарантирует погрешность определения температуры не более 1°С. В случае полированных поверхностей коэффициент излучательной способности материала может быть рассчитан при наличии данных о показателе преломления и поглощения материала в рабочей области спектра пирометра. Для неполированных поверхностей (металлов и диэлектриков) коэффициент излучательной способности можно определить только экспериментально.
Библиографический список
1. Левитин И.Б. Инфракрасная техника. - Л.: Энергия, 1973.
2. Азам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. - М.: Мир, 1981.
3. Золотарёв В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. - Л.: Химия, 1984.
УДК 531.4
О ДВИЖЕНИИ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ ПО ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ
В.С. Доев, Ф.А. Доронин
Аннотация
Рассматривается движение материальной точки по произвольной шероховатой поверхности. На точку, помимо заданных сил, действует сила сухого трения. Составлены матричные дифференциальные уравнения движения точки по поверхности с изотропным и произвольным анизотропным трением. В качестве примера изучено движение точки по поверхности двуполостного гиперболоида для случаев изотропного и анизотропного трения.
Ключевые слова: сухое трение, изотропное трение, матрица градиента, анизотропная шероховатая поверхность, линии анизотропии, множители Лагранжа.
Введение
Движение материальной точки по изотропной шероховатой плоскости под действием заданных сил и силы сухого трения достаточно хорошо изучено. Кроме задач о движении материальной точки, в литературе [1] приводится решение ряда задач, связанных с движением твердого тела по шероховатой плоскости с изотропным трением. Вопрос об анизотропном трении поставлен в статье [2], его изучение продолжено в работе [3]. Во
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/2
