CC BY
17
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип. № 17
2007 р.
УДК 621.73
Ткачёв P.O.Каргин Б.С.2, Кирицев А.Д.3
ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ФАКТОРОВ НА ПОКАЗАНИЯ РЕГИСТРИРУЮЩИХ ПРИБОРОВ ПРИ НАГРЕВЕ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК ПОД ШТАМПОВКУ
Рассмотрены вопросы, связанные с регистрацией температуры трубы,
нагреваемой в поле тока высокой частоты индуктора.
В сложной проблеме температурных измерений серьезные затруднения возникают при измерении и регулировании нестационарных температур быстро протекающих процессов [1]. Из многих факторов, от которых зависит точность измерения не стационарных температур, особое значение приобретает тепловая и механическая инерция измерительного прибора. Тепловая инерция присуща чувствительному элементу прибора - термоприемнику и проявляется в том, что термоприемник (термопара) не успевает мгновенно следить за температурой среды, в которой он находится. Механическая инерция измерительного прибора в основном определяется его передаточными и регистрирующими звеньями.
При индукционном нагреве нет газообразной среды, которая переносит тепло от нагретого тела к холодному или сама, будучи нагретой, отдает тепло более холодному нагреваемому предмету. При индукционном нагреве труб (в данном случае из алюминиевого сплава) невозможно применить радиационные пирометры [2], в которых использован принцип светового излучения, так как нагретый алюминий практически не изменяет цвет, приборы, регистрирующие инфракрасное излучение, очень инерционны, и также не могут быть использованы.
В технической литературе не удалось найти описания способа регистрации температур при нагреве тонкой трубы, т. к. нагрев труб в индукторе имеет свои особенности, связанные с быстрым подъемом температуры (до 100 °С в секунду), генерированием тепла в самой трубе, а не получением ее извне в результате теплоизлучения или конвективного теплообмена.
Цель настоящей работы - изучение влияния определённых факторов на показания регистрирующих приборов при нагреве трубных заготовок под штамповку.
Единственный метод, который позволяет определить температуру нагрева трубы при быстротекущем нестационарном процессе, на наш взгляд, является метод контактного измерения температуры. Существует несколько методов контактного измерения температур. Наиболее подходящим и, следовательно, точным применительно к нашим условиям, является метод зачеканки конца термопары в стенку трубы. И хотя источником тепла, как уже сказано, в данном случае является электроэнергия, генерирующая тепло в объеме нагреваемого тела, тепловые процессы, происходящие между нагреваемым телом и теплоприемником, подчиняются общим законам теплопередачи не стационарного процесса. Речь идет, в первую очередь, о теплоообмене между нагреваемым телом и теплоприемником, между внешней средой и нагреваемым телом, между термопарой и окружающей средой и т.д., следовательно, эти процессы подчиняются основным законам теплопередачи - закону Фурье, определяющему величину потока через единичную площадку [3]
q = (Вт/м2), (1)
an
где X - коэффициент пропорциональности, характеризующий способность тела передавать тепловую энергию - коэффициент теплопроводности; и - температура;
п - нормаль к изометрической поверхности.
Количественная оценка процесса теплообмена между средой и телом может быть выражена законом Ньютона, согласно которому удельный тепловой поток q, передаваемый через единичную площадку поверхности тела в среду, прямо пропорционален разности температур u-t между поверхностью тела и средой [3]
1 ГТГТУ, ст. препод.
2 ПГТУ, канд. техн. наук, проф.
3 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
д = а х Дм = а х (м - (Вт/м2),
(2)
где и - температура поверхности среды; t - температура среды;
Дм - разность температур (температурный перепад).
Входящий в это уравнение коэффициент пропорциональности а характеризует интенсивность обмена тепловой энергии между телом и окружающей средой и называется коэффициентом теплообмена или коэффициентом теплопередачи.
Коэффициент а является сложной функцией многих переменных, в том числе температур поверхности и среды. В первом приближении для данных условий коэффициент а может быть принят постоянным.
В нашем случае, когда мы рассматриваем показания термопары, зачеканенной в стенку трубы, под средой передающей тепло понимается нагретая токами высокой частоты труба, а под телом термопара воспринимающая тепло от среды.
Температурные измерения, как и измерения любых физических величин всегда выполняются с некоторыми погрешностями. Эти погрешности зависят от выбранного метода измерений, от особенностей применяемого прибора, от условий при которых измеряется температура.
При контактном методе измерений термопара, как бы мала она не была, является для исследуемой следы чужеродным телом и в той или иной степени искажает температурное поле. При измерении постоянных температур погрешности измерений возникают из-за отвода тепла по их конструктивным элементам, теплообмена излучением между измерителем и окружающими телами, нагрева чувствительного органа электрическим током и т.п.
При измерении быстро изменяющейся во времени температуры возникают дополнительные погрешности, обусловленные нестационарностью процесса. Они вызываются тем, что термопара не успевает мгновенно принять температуру, равную температуре окружающей среды, а сигнал, возникающий в термочувствительном элементе, передается показывающему или записывающему элементу регистрирующего прибора с некоторым запаздыванием.
Таким образом, имеет место тепловая инерция, обусловленная нестационарными тепловыми процессами в теплоприемнике и между теплоприемником и окружающей средой. Кроме тепловой инерции имеет место в зависимости от приборов, используемых для регистрации показаний температуры, механическая или электромеханическая инерция измерительного комплекса.
Указанные погрешности свойственны в той или иной степени всем контактным методам измерений, независимо от принципа действия выбранных приборов и являются по сути дела методическими погрешностями. Приборы вносят в результат измерения дополнительную погрешность, зависящую от их особенностей, конструкции.
Суммарное воздействие различных ошибок приводит к тому, что измерительный комплекс показывает не температуру стенки трубы а некоторую отличную от нее температуру и.
Следовательно, одна из основных задач при контактном измерении температуры заключается в определении истинной температуры ^ по измеренной температуре К т.е. состоит в оценке величины суммарной погрешности измерения.
Действие сил, определяющих механическую инерцию достаточно велико.
В опытах зафиксировано отставание показания щитовых милливольтметров для хромель-алюмелевых термопар от показания температуры на осциллографе (безинерционный прибор) от 1 до 2 с при индукционном нагреве трубы до 400 °С при скорости нагрева 50 °С/с.
Процесс теплообмена между термопарой и средой (нагреваемой трубой) занимает значительно больше времени, чем время срабатывания измерительных приборов без механических элементов (осциллографов).
Оценка систематических погрешностей измерения температуры жидкостей и газов может быть, в первом приближении, сделана на основании элементарной теории тепловой инерции [1].
Провести оценку погрешности измерения температуры твердого тонкого тела нагреваемого токами высокой частоты, практически невозможно. При быстрых изменениях теплового потока и значительных размерах термоприемника необходимо учитывать влияние температурного искажения, возникающего в месте расположения теплоприемника. В нашем
случае размеры среды и теплоприемника сопоставимы с диаметром шарика термопары 1-^1,5 мм, толщина стенки трубы 4 мм. Физические свойства, теплопроводность и теплоемкость также одного порядка и отличаются примерно в 2 раза.
Для уменьшения инерционности измерителей некоторые исследователи придают термоприемникам различную форму и добиваются снижения этой тепловой инерции.
В опытах задавалась различная форма термоприемника. Обычно конец термопары имеет форму шарика. При заделке термопары в стенку трубы сверлится отверстие по диаметру шарика (на 0,1-Ю,2 мм больше диаметра шарика) и затем с внутренней и наружной стороны трубы зачеканивается.
Второй вариант состоял в том, что шарик на наждачном круге обтачивался на форму четырехгранной конической усеченной пирамиды с углом в вершине около 30
Такая зачеканка обеспечивает более полное соприкосновение трубы и термопары (среды и приемника). Эти условия, а также уменьшение размера шарика после обточки на пирамиду обеспечивают уменьшение тепловой инерции.
Проделывали также такой опыт. Две термопары помещали в трубчатую печь нагретую до 1000 °С (температура контролировалась образцовой платино-платинородиевой термопарой) и показания их фиксировались на бумаге осциллографа. Отмечалось опоздание показания температуры шариковой термопары от показаний термопары с коническим концом на 8 - 10 °С в процессе повышения температуры.
Здесь, очевидно, время правильного показания температуры определилось массой шарика. Для подтверждения этого предположения две термопары: одна из хромель-алюмеля 0
0.4.мм, вторая - из такого же материала и проволоки 0 3 мм, соответственно с шариками 0 1 мм и 01,5 мм помещались, будучи связанными, в трубчатую печь с температурой 1000 °С. Время показания конечной температуры у термопары с малым шариком было в два раза меньше.
При изготовлении термопар следует избегать пластических деформаций (сжатие, изгиб). Даже небольшая (порядка 10 %) деформация хромеля может быть причиной погрешности хромель-алюмелеевых термопар в несколько градусов. Изменение термо э.д.с. является, очевидно, результатом изменения электрического сопротивления при деформации электродов.
Выводы.
1. Установлено, что 50 %-ая деформация проволоки может вызвать в измерении температур термопар ХА ошибку порядка 8 - 10 °С.
2. В случае, если при изготовлении термопар ХА операции, сопровождающиеся пластической деформацией неизбежны, то отжигом при температуре порядка 900 °С можно устранить изменения ЭДС внесенные деформацией. Во избежание возникновения погрешности измерения, отжигу должна быть подвергнута проволока термопар на всей длине, в том числе и участки, находящиеся при температуре ниже 400 °С т.к. последние, будучи расположены в градиенте температуры, могут явиться причиной ошибок измерения.
3. Так как в наших исследованиях использовано до 1000 термопар из ХА, то во избежание деформаций электродов, требующих дополнительных операций (отжига), в процессе изготовления термопар следует исключать изгиб проволоки, для этого концы проволок сплетались на 2 - 3 оборота. Затем, в процессе изготовления спая это место оплавить и получить шарик 0 1-^1,5 мм.
Перечень ссылок
1. Ковка и штамповка цветных металлов: Справочник / Н.И Корнеев, В.М. Аржаков, Б.Г. Бармашенко и др. - М.: Машиностроение, 1971. - 232 с.
2. Ершёв В.И. Интенсификация формоизменяющих операций листовой штамповки / В.И. Ершёв. - М.: Высшая школа, 1989. - 87 с.
3. Лыков A.B. Теория теплопроводности / A.B. Лыков. - М.: Высшая школа, 1987. - 600 с.
Рецензент: В.И. Капланов
д-р. техн. наук, проф. ПГТУ Статья поступила 21.03.2007
