ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 136-137
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 536.5:533
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВИЗОРА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ
© 2004 г. Б. П. Жилкин, И. Д. Ларионов, А. Н. Шуба
Уральский государственный технический университет УПИ Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 E-mail: andrew_shuba@mail.ru Поступила в редакцию 01.12.2003 г.
Описано устройство, содержащее преобразователь температуры с тепловизионной камерой. Его использование позволяет одномоментно измерить поле температуры газового потока в области произвольного размера.
В практике изучения структуры течения горячих газовых потоков в энергетических машинах и установках, металлургических, химических агрегатах, а также при исследовании их моделей существует задача определения поля температуры в газовом потоке. При этом необходимо измерять температуру газа в многочисленных точках, поскольку структура таких потоков, как правило, сложна, и требуется высокое пространственное разрешение. Кроме того, измерения необходимо проводить в течение короткого временного интервала (одномоментно), так как строение потока может меняться с течением времени, а в ряде случаев проведение длительных измерений невозможно по условиям безопасности, или связано с большими энергозатратами.
Обычно в этих случаях для измерения температуры применяют контактные устройства довольно больших размеров, размещение которых в потоке возмущает последний, нарушая характер его течения, и тем самым искажает результаты измерения. При проведении замеров температуры во множестве точек газового потока такие исследования становятся затяжными во времени и весьма трудоемкими. Кроме того, необходимо дополнительное достаточно сложное оборудование для перемещения и точного позиционирования зондов в пространстве. К недостаткам следует отнести и присущие таким термоприемникам особенности: инерционность преобразователей температуры, что затягивает время измерения, и затрудненность точного ориентирования приемных отверстий зондов навстречу потоку в условиях, когда направление потока неизвестно. Все эти недостатки ограничивают возможность применения данных устройств для решения указанной задачи.
Предлагаемое устройство (рис. 1) во многом лишено перечисленных недостатков. Оно имеет первичный чувствительный элемент - преобра-
зователь температуры, выполненный в виде редкой сетки тонких нитей 2 из материала с низкой теплопроводностью. Размещение такого датчика в газовом потоке 3 не нарушает гидродинамическую структуру течения и приводит к формированию на сетке распределения температуры, соответствующего температурному полю потока.
Рис. 1. Схема установки. 1 - тепловизионная камера (тепловизор), 2 - тепловизуализирующая сетка, 3 -газовый поток, 4 - визуальный термический образ газового потока, 5 - монитор, 6 - шкала.
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВИЗОРА
137
Тепловое излучение от нитей посредством тепло-визионной камеры 1 преобразуется в визуальный образ 4 в виде цветового поля, отображаемого на мониторе 5 тепловизионной камеры. Этот визуальный образ расшифровывается в числовые значения температуры с помощью шкалы "цвет-температура" 6 на мониторе.
Тем самым производится одномоментное измерение температурного поля газового потока в большом числе точек области течения, размеры которой определяются размерами сетки. Минимальное искажение гидродинамической структуры газового потока и его температурного поля, а также отсутствие необходимости перемещать преобразователь для сканирования опытного участка приводит к повышению точности измерения температуры.
Меняя положение сетки в потоке, можно регистрировать термический след возникающих в нем гидродинамических структур, по которому идентифицируется их строение.
Описываемое устройство было применено для исследования температурных полей закрученных газовых струй с температурой до 110°C. Размер интересующей области поля течения составил 350 мм по горизонтали и 450 мм по вертикали. Преобразователь размером 400 х 500 мм был выполнен в виде сетки из фторопластовых нитей 00.05 мм с шагом 3 х 3 мм.
Излучение от сетки фиксировалось тепловизионной камерой IRTIS-200, оснащенной ноутбуком Fujitsu P-100. Для связи компьютера с тепловизионной камерой, а также для получения, хранения и обработки термограмм использовалась программа NewIRTIS, работающая в среде MS DOS.
Для контроля методики одновременно проводились измерения температуры газа в ряде точек исследуемой области течения малогабаритным зондом традиционной конструкции на основе медь-константановой термопары со спаем 00.2 мм, а также проводилось газодинамическое зондирование потока с помощью пятиканальной пневмоме-трической трубки.
Если полученная на мониторе общая термическая картина (рис. 2) соответствовала его гидродинамической структуре [1], то сопоставление результатов расшифровки визуальной картины температурного поля с данными прямого измерения температуры термопарой показало их неполное совпадение.
Рис. 2. Тепловизионная картина температурного поля затопленной газовой струи. 1 - область выхода потока из межлопаточного пространства, 2 - область конвективного смешения, 3 - зона обратных токов, 4 -аксиальный завихритель.
Это несоответствие можно устранить (с погрешностью до 5%), если абсолютную температуру Т среды в потоке находить в диапазоне 0 < Яе < 60 по формуле
Т/Ти = 1 + 0.14Кеа5(Х/Хн), Яе = Wdн/u,
где Ти, К - измеренная тепловизором температура; W, м/с - скорость потока; dн, м - диаметр нити сетки; и, м2/с - коэффициент кинематической вязкости газа; X, Хн, Вт/(м ■ К) - коэффициенты теплопроводности соответственно среды потока и материала нити сетки.
Представленное устройство позволяет достаточно просто решать разнообразные задачи по измерению температурных полей в газовых течениях, а также снижать затраты времени и повышать точность измерений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шуба АН, Токарев Д.Н, Устьянцев К.А. и др. // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2000. № 7-8. С. 3.
2
1
3
4
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА < 4
2004
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.