6-6. Измерение температуры поверхности и внутри тела

Измерение температуры поверхности тела. Для измерения температуры поверхности тел в промышленных условиях и при проведении научных исследований широко применяют различые конструкции поверхностных термоэлектрических термометров. В отдельных случаях для измерения температуры поверхности используют металлические или полупроводниковые термометры сопротивления специальных конструкций. На тепловых электростанциях для контроля за температурным режимом отдельных узлов агрегатов (например, металла барабана, выходных коллекторов пароперегревателей, отдельных змеевиков пароперегревателя и отдельных точек паропроводов парогенераторов) применяют только поверхностные термоэлектрические термометры.

При измерении температуры поверхности необходимо иметь в виду, что термоприемник может нарушать первоначальное распределение температур в контролируемом объекте. Вследствие этого при неблагоприятных условиях измерения может иметь место методическая погрешность и температура чувствительного элемента термоприемника будет отличаться от действительной температуры поверхности тела. Методическая погрешность измерения температуры поверхности тела зависит от ряда причин. Основными являются отвод или подвод тепла по термоприемнику вследствие теплопроводности, теплообмен термоприемника с окружающей средой и возможное изменение условий теплообмена поверхности тела со средой. Точность измерения поверхностной температуры зависит также от конструкции термоприемника, способа его монтажа на поверхности объекта, точности вторичного прибора и условий измерения.

При измерении температуры поверхности чувствительный элемент термоприемника должен иметь хороший тепловой контакт с поверхностью объекта. Термоприемник не должен вызывать в месте измерения изменений температуры как вследствие отвода от него или подвода к нему тепла, так и вследствие изменения теплообмена поверхности с окружающей средой. На рис. 6-6-1 показаны различные способы измерения температуры поверхности нагретого тела с помощью термоэлектрических термометров. Наиболее

неблагоприятный вариант установки термоэлектрического термометра показан на рис. 6-6-1, а. В этом случае термоэлектроды термоприемника отводят тепло как от рабочего конца, так и от той части поверхности, температура которой должна быть измерена. Поэтому такой способ установки не может быть рекомендован. При проведении научных исследований рассмотренный способ установки термоэлектрического термометра применяют, но в этом случае термоэлектроды снабжают подогревателем для компенсации теплоотвода [27].

В целях уменьшения влияния теплоотвода иногда увеличивают поверхность соприкосновения рабочего конца термоэлектрического термометра, припаивая к нему тонкую металлическую пластину из материала с большим коэффициентом теплопроводности. Если в этом случае термоэлектрический термометр устанавливается перпендикулярно поверхности тела (рис. 6-6-1, б), то утечка тепла будет такой же, как и в первом случае.

Рис. 6-6-1. Принципиальные схемы установки термоэлектрических термометров на поверхности. 1 — термоэлектроды термоэлектрического термометра, покрытые эмалью; 2 — рабочий конец; 3 — металлическая пластинка, соединенная с рабочим концом; 4 — поверхность. температура которой измеряется.

Однако количество тепла, отдаваемое каждой отдельной точкой поверхности соприкосновения, уменьшится вследствие наличия пластины, увеличивающей площадь соприкосновения. Благодаря этому охлаждение в месте соприкосновения рабочего конца с поверхностью значительно уменьшится по сравнению с первым случаем, но все же методическая погрешность полностью не будет устранена.

Для уменьшения погрешности за счет теплоотвода до минимума термоэлектрический термометр рекомендуется устанавливать на поверхности тела по схеме рис. 6-6-1, в. Здесь термоэлектроды прокладываются на поверхности на длину не менее 150—200 их диаметров. В этом случае также имеет место теплоотвод по термоэлектродам термоприемника, но здесь тепло поступает в них по всей длине соприкосновения термоэлектродов с поверхностью, вследствие чего теплоотвод от рабочего конца термоэлектрического термометра значительно уменьшается.

Для подтверждения сделанных нами выводов ниже приводим экспериментальные данные, полученные при измерении температур на горизонтальной поверхности брусков из пробки, дерева и меди, обогревавшихся с нижней стороны. Температура измерялась с помощью термоэлектрических термометров, выполненных и установленных так, как показано на рис. 6-6-1. При проведении опытов температура окружающего воздуха равнялась 15 °С. Результаты измерений приведены в табл. 6-6-1.

Таблица 6-6-1 Измеренные значения температуры поверхности,

Методическая погрешность отсутствует при установке термометра по схеме рис. 6-6-1, в. Как видно из табл. 6-6-1, погрешность растет с уменьшением коэффициента теплопроводности материала бруска.

Крепление рабочего конца и термоэлектродов термоэлектрического термометра должно производиться таким образом, чтобы пластинки, прижимающие рабочий конец и термоэлектроды к поверхности, не изменяли теплоотдачу в окружающую среду. Поэтому эти пластинки должны быть изготовлены из того же материала, что и поверхность стенки тела.

Рис. 6-6-2. Установка поверхностного термоэлектрического тер мометр на трубопроводе. 1 — термоэлектрический термометр ТХКП-XVIII; 2 - прижим; 3 — легкоснимаемый слой изоляции; 4 — тепловая изоляция; 5 — трубопровод.

В некоторых случаях термоэлектрический термометр помещают в канавке, закрытой пластинкой из того же материала, что и поверхность стенки, или заделанной специальной замазкой. В этом случае рабочий конец термоприемника, расположенный в канавке, для более надежного соприкосновения целесообразно припаять к стенке поверхности. Для электрической изоляции термоэлектродов, прокладываемых по поверхности или в канавке, применяют тонкие пластинки из слюды и другие изоляционные материалы.

Рассмотренные способы измерения температуры поверхности применяют преимущественно при проведении научных исследований. В промышленности для технических целей применяют поверхностные термоэлектрические термометры специальных конструкций.

В качестве примера на рис. 6-6-2 показана установка поверхностного термоприемника типа на трубопроводе (или металлической стенке). Этот термоэлектрический термометр может применяться для измерения температуры металлической поверхности до Наличие тепловой изоляции при таком способе

установки ореспечивает достаточно хорошее совпадение температуры рабочего конца ее и поверхности. Прижимы, приваренные к стенке трубы, обеспечивают надежный тепловой контакт рабочего конца и прокладываемой плоской части термоприемника по поверхности.

Рис. 6-6-3. Установка поверхностного термоэлектрического термометра ТХАП-551 на трубопроводе. 1 — термоэлектрический термометр ТХАП-551; 2 — муфта с наружной резьбой; 3 — контактная пластина рабочего конца термометра; 4 — дополнительная контактная пластина; 5 - бобышка с внутренней резьбой; 6 — трубопровод; 7 — тепловая изоляция; 8 — легкоснимаемый слой изоляции.

На рис. 6-6-3 показана установка поверхностного хромель-алюмелевого термоэлектрического термометра ТХАП-551 на трубопроводе, применяемого для измерения поверхностной температуры до 600 °С. Термоэлектрический термометр ТХАП-551 выполнен из термоэлектродов диаметром изолированных между собой фарфоровыми бусами. Рабочий конец термометра помещен в никелевую контактную пластинку. Защитный чехол в нижней своей части снабжен муфтой с наружной резьбой, которая служит для крепления термоприемника в наваренной на трубопроводе бобышке с внутренней резьбой. Перед приваркой бобышки поверхность трубопровода зачищается. При креплении термоприемника в бобышке никелевая пластина его рабочего конца плотно прижимается к дополнительной никелевой прокладке, нижняя плоскость которой обработана по радиусу трубопровода. Такой способ крепления термоэлектрического термометра обеспечивает хороший тепловой контакт его рабочего конца с поверхностью трубы. Наличие тепловой изоляции значительно уменьшает методическую погрешность измерения за счет теплоотвода.

Рис. 6-6-4. Схема крепления поверхностного термоэлектрического термометра на трубопроводе. 1 — термоэлектрический термометр, термо-электроды которого изолированы фарфоровыми бусами; 2 — рабочий коиед, образованный зачеканкой концов термоэлектродов в отверстиях приваренной к трубе пластины; 3 — прижим.

Для измерения температуры поверхности труб или металлической стенки применяют также термоэлектрические термометры без защитных чехлов. Способ крепления термоэлектрического термометра на трубопроводе показан на рис. 6-6-4. Если трубопровод покрыт тепловой изоляцией, то термоэлектрический термометр должен быть закрыт легко снимаемым слоем изоляции.

Измерение температуры внутри тела. При измерении температуры внутри тела влияние теплообмена излучением отпадает. Несмотря на эти благоприятные условия при измерении температуры

внутри тела возможны заметные методические погрешности вследствие теплоотвода вдоль тёрмоприемника, а также в тех случаях, когда тело обладает незначительным коэффициентом теплопроводности.

Если объем тела, внутри которого необходимо измерить температуру, большой, как, например, при измерении температуры в штабелях твердого топлива, почве и т. п., то достаточная глубина погружения термоприемника вполне обеспечивает равенство температуры чувствительного элемента и тела. Значительно большие затруднения возникают при измерении температуры внутри тел с небольшим объемом, в особенности если в них существуют большие температурные перепады и, следовательно, температуры в отдельных точках заметно различаются. Применяемые для этой цели термоприемники должны иметь малые размеры.

Рис. 6-6-5. Измерение температуры внутри изоляции, защищающей паропровод от тепловых потерь.

Для того чтобы методическая погрешность отсутствовала или была сведена к минимуму при измерении температуры в определенном месте внутри тела, термоприемник не должен нарушать температурного поля вследствие влияния теплоотвода вдоль него. Между термоприемником и телом должен быть обеспечен хороший тепловой контакт. Наиболее пригодным термоприемником для таких измерений является термоэлектрический термометр специальной конструкции, Если же требуется измерить среднюю температуру внутри тела, то с успехом может быть применен термометр сопротивления.

При измерении температуры внутри изоляции, защищающей, например, паропровод от тепловых потерь, необходимо учитывать сравнительно большое изменение температуры на единицу длины слоя изоляции, В этом случае температуру следует измерять в отдельных местах (точках) внутри слоя изоляции. Для уменьшения отвода тепла вдоль термоэлектрического термометра от места установки его рабочего конца следует термоэлектроды располагать так, чтобы часть их находилась в изотермической плоскости,

На рис. 6-6-5, а схематически представлено сечение паропровода, изолированного слоем тепловой изоляции. Концентрическими

окружностями показаны изотермы. Если термоэлектрический термометр установлен радиально (рис. 6-6-5, б), т. е. по направлению температурного перепада, то месте измерения температурное поле будет искажаться, что иллюстрируется изгибом изотерм. В данном случае будет иметь место методическая погрешность, обусловленная теплоотводом вдоль термоэлектрического термометра.

На рис. 6-6-5, в показана правильная установка термоэлектрического термометра. В этом случае искажения температурного поля в месте изгиба термоэлектродов, пересекающих изотермы, не влияют на точность измерений. Такой способ установки термоэлектрического термометра позволяет методическую погрешность за счет теплоотвода свести к минимуму.

Подробные сведения об оценке статических и динамических погрешностей измерения температур поверхности и внутри тела приводятся в книге Н. А. Ярышева [27],