Termometr pulsacyjny

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ S e r i a : ENERGETYKA a . 37

_______ 1970 Nr k o l . 282

Andrzej Puszer

Wydziałowe la b o ra to riu m Miernictwa i Automatyki Procesów Energetycznych TERMOMETR PULSACYJNY

S t r e s z c z e n i e : Przedstaw iono t e o r i ę d z i a ł a n i a nowe

go typu termometru przeznaczonego do pomiaru wyso

k ic h te m p e r a t u r . J e s t to przyrząd o d z i a ł a n i u okre

sowym w ykorzystująoy n ie u s t a lo n e stan y tem peraturo

we c z u jn ik a do pomiaru s t a ł e j cemperatury o śro d k a . Podano k j ó t k i o p is k o n s t r u k c j i termometru o raz wy

n i k i wzoroowania.W zakońozenlu omówiono z a le ty i wady p r o to t y p u , podano w n io sk i dotyczące Jego za

stosow ania o raz d a lsz y c h badań.

Wst3P

Dla w ielu procesów technologicznych tem p eratu ra J e s t .ważnym parametrem mierzonym i regulowanym. Pomiar tem peratury z a l i - czyó n ależy do powszechnie stosowanych, a zarazem n a j t r u d n i e j szych. W s z c z e g ó ln o ś c i w iele tr u d n o ś o i n a s t r ę o z a j ą pomiary wy

sokich tem peratur p rz e k ra c z a ją c e 1500 C [i] . W w ie lu d z i e d z i nach n auki zachodzi również p o trzeba wyznaczenia wysokioh tem

p e ra tu r z d o s ta t e c z n ą d la badań d o k ła d n o ś c ią . Duża ró żnorod

ność obiektów pomiaru i warunków przeprowadzania pomiarów, ró ż ne wymagania odnośnie zakresu i d o k ła d n o śc i, a przede w szy st

kim w ielorakośó zjaw isk wykorzystywanych przy pomiarze tempe

r a t u r uniemożliwia stw orzenie metod u n iw e rsaln y c h .

W związku z rozwojem au to m a ty k i, rozw inęły s i ę o s t a t n i o me

tody dynamiczne pomiaru parametrów s ta t y c z n y c h . Do n ic h należy przedstaw iany termometr p u ls a c y jn y .

(2)

18 Andrzej Fuszer Podstawy te o re ty c z n e

Dane są dwa o ś ro d k i o różnych te m p e ratu rac h : o i e p le j s z y o te m p eratu rze t^ (m ierz o n e j) 1 c h ło d n ie jsz y o tem peraturze t^

( z n a n e j ) . Temperatury tych ośrodków s p e ł n i a j ą w arunki:

t^ * c o n st t ^ = eo n st

Czujnik termometru p u lsao y jn eg o , którym j e s t termoelement bez osłony przemieszcza s i ę posuwisto-zwrotnym ruchem okreso

wym o o k r e s ie T z jednego ośrodka dc d ru g ie g o . W ośrodku c l e -

R ys. 1 . C h a r a k te r y s ty k i dy

namiczne

plejszym c z u jn i k przebywa w c z a s ie r * / , a w c h ł o d n ie j szym przez czas r « T - jf . Wymuszenie temperaturowe c z u j

n ika o raz jego odpowiedź poka

zano na r y s . 1 . Czas j dobra

no t a k , aby tem peratura c z u j n ik a tg .n ie zrównała s i ę z tern p e r a t u r ą t 1 , n ato m ia st czas (T - ) pobytu c zu jn ik a w o - środku chłodniejszym j e s t za k r ó t k i , aby tem peratura tg o - s lą g n ę ła tem peraturę t ^ .

t^ ■< tg < t^

I lo ś ó c i e f ł a p ochłoniętego przez c z u jn i k w ośrodku c i e plejszym wyraża zależnośó i

Q4 , « / Oh o d f

1»2 b 1 »2 (1)

(3)

Termometr pulsaoyjny 19 g d z i e :

Q. » - stru m ie ń c i e p ł a płynącego z ośrodka 1 do czu jn ik a*

» ffc

I l o ś ć o ie p ła tra c o n a p rzez o z u jn ik w ośrodku chłod

n ie jszy m wynosi

«2,3 ' / Q2 ,3 4 t (2 )

g d z i e :

Q0 , - stru m ień o i e p ł a płynąoego z o zu jn lk a do ośrodka 3*

Średnia tem p eratu ra czu jn ik a t 2 w z rasta do o h w lll) gdy i - lo ść c i e p ł a p o c h ło n ię teg o przez o z u jn ik w ośrodku c iep lejsz y m zrówna s i ę z i l o ś o i ą c i e p ł a tra c o n ą przez c z u jn i k na rz e o z o - środka o h ło d n ie js z e g o . W s t a n i e równowagi obowiązuje równość

i r

/ V « - / ° 2 , 3 a r M

J e ż e l i przy jąć^ że i l o ś c i c i e p ł a wymieniane między ozujnlkiem a ośrodkami są liniowymi funkojam i ró ż n ic y tem p eratu r ośrodków o ra z ś r e d n i e j tem peratury c zu jn ik a t 2 » to z ależn o ść (3 ) przed

staw ić można w p o s t a o l

/ r

**2^1 “ ^2^ ^ * y^2,3^2"’^3^**

gdzie oc^ £ ~ współczynnik wnikania o ie p ła z ośrodka 1 do c zu j

n ika ( a 1 2 m c o n s t ) , i t j 3 ' współczynnik wnikania o ie p ła z o z u jn ik a do ośrodku 3 ( c C ■ o o n s t ) . -

(4)

20. A ndrzej Puszer Ś red n ią tem peratu ry ozujnlka przy z a ł o ż e n i u , że j e s t on e le mentem o i n e r c j i pierwszego rz ęd u o k re ś la zależność [2]

7 r

i ⁷ k ł < w • d r

1*3 + i* 0 “ t 3 ) 9 2 ,3 dr (5)

gdzie t Q - tem peratura ozu jn lk a na poozątku 1 końou okresu T, T . „ T, . - s t a ł e ozasowe ozu jn lk a przy g rz a n iu 1 chłodzeniu

1 f Ł C. f j

(T1,2 < T2 , 3 ) ł

Po wprowadzeniu oznaozeń

^ 1 , 2

6». At.

i soałkowanlu z a le ż n o ś o l (4) otrzyma s i ę At., - At2 (l + (^0)

t 1 - t 3 i At2 t 2 - t 3

(6)

Dla Innego stosunku ozasów fy'4- 0 zależność (6 ) p rzedstaw ia s i ę

At., - At2 d + (7 )

Bllm lnująo (i z równań (6) 1 (7 ) otrzyma s i ę

(5)

ModulatorCzujnik

Termometr p u lsacy jn y 21

a c v>

-w»---

-vT>

f - l

" !i s > 1--- ' 1

- T - — 1 ---r

i S i ,--- 1

■ i

'■J 1 ~ n

4

> 1

II U

0

K S *

«

cn

V .1 _^ ^—»

1 "Kł1 i 'o5*

ł j* S>

+ i i j 1

Si |

* ^cg

01tr>

« Schemathlokowydynamloznej metody pomiarutemperaturyprzyużyolutermometru pulsacyjnego

(6)

ŁŁ A ndrzej Puszer l u b

*2 - *2 (9 )

- 1

Tak więo pomiar tem peratury ośrodka o ie p le js z e g o t^ sprowadza s i ę do pomiaru ś re d n ic h tem peratur c zu jn ik a t 2 1 t 2 przy dwu snanyoh w arto ścią o h stosunku 0 o raz tem peratury ośrodka chłod

n i e js z e g o t y Sohemat blokowy dynamicznej metody pomiaru tem

p e r a tu r y realizow anego termometrem pulaaoyjnym przedstawiono na ry s* 2 .

Zasada d z i a ł a n i a

Sohemat Ideowy termometru pulsaoyjnego przedstawiono na ry s, 3 . Ośrodkiem o tem peraturze n i ż s z e j t-, J e s t w omawianym u rz ą d z en iu rurowa ohłodnloa wodna 2* V ohłodnioy t e j umieszczony J e s t osiowo termoelement 1* Termoslement połąozony J e s t sztyw

no z ruchomym uzwojeniem elek try o zn eg o s i l n i k a p ro s to lin io w e go 3 . S i l n i k przesuwa termoelement względem chłodnicy ruohem posuwisto-zwrotnym, przy ozym skok h termoelementu może byó na stawiany (h___ ■ 83 mm). Nąstawiana J e s t również glębokośó wfl A 1 zanu rzen ia termoelementu w oh ło d n io y .

Sygnały s t e r u j ą o e pracą s i l n i k a zrealizow ane są w g e n e ra to rz e drgań p ro s to kątnych 5 . W g en erato rze można w sposób skokowy n a - stawlaó czas ■¡f przebywania termoelementów w ośrodku go rąoyn (mierzonym)oraz okres T ruohu posuwisto zw rotne- R ys. 3 . Sohemat termometru p u l

sacyjnego g *

(7)

Termometr pulsaoyjny 23 P rzed ziały n a s t a w l a l n o ś o l | 1 T są n a stę p u ją o e

0,05a < 2 * 0,5 a < T < lOa

P r z e b ie g i czasowe s i ł y te rm o e le k try c z n e j c zu jn ik a re je stro w a n e są za pomooą autokompensatora m ało ln e rc y jn eg o .

Celem przeprowadzenia pomiaru tem peratury t^ n p . tem peratu

ry gazu w zam kniętej komorze względnie tem peratury płom ienia p a ln ik a , należy ohłodnioę umieścić w tym ośrodku na g łę b o k o śc i h-1 od punktu, k tó reg o tem peratura ma byó mierzona, do ozoła o h ło d n io y . Po n a s ta w ie n iu na g e n e ra to rz e odpowiedniego s to s u n ku czasów 0 uruchamia s i ę r e j e s t r a t o r 1 s i l n i k . Pomiar prowa

d z i s i ę d o tą d , aż ś re d n ia tem p eratu ra t^ c zu jn ik a o s ią g n ie wartośó s t a ł ą , co p ra k ty c z n ie trwa 30 - ¹²⁰^s

.

Następnie n a s t a wia s i ę na g e n e r a to r z e nowy sto su n ek ozasów i pomiar powta

rza s i ę uzyskująo inną wartośó ś r e d n i e j tem peratury t 2 c z u j n i k a . Znająo parametry t 2 , t"2 , i o raz te m p eratu rę t ? w o h ło d n i

oy, n ależy posłużyć s i ę z a le ż n o ś c ią (9) względnie odpowiednim nomogramem, z któ ry ch wyznaoza s i ę w prost te m p eratu rę mierzoną V Obszerne omówienie poszczególnyoh elementów termometru p u l - saoyjnego o raz jego k o n s t r u k c j i podano w pracy [3]•

Wyniki badań t

Wzorowanie termometru pulsaoyjnego w z a k r e s ie 550 - 1000 C przeprowadzono w poziomym, rurowym pleou s lllto w y m . Jako t e r mometr wzoroowy wykorzystano termoelement NiCrNl bez osłony o id e n ty c z n e j c h a r a k te r y s ty c e s t a t y o z n e j z czujnikiem z a s to s o wanym w termometrze pulsacyjnym .

Wskazania ozu jn ik a termometru pulsacy jn eg o re je stro w a n o na autokompensatorze o s z e ro k o ś c i taśmy r e j e s t r u j ą o e J 250 mm. Wię

kszość pomiarów re je s tro w a n o przy pręd k o śo l przesuwu taśmy 3 mm/s. Badania przeprowadzono w o ztereo h s e r l a o h . W każdej se

r i i przeprowadzono k i l k a pomiarów przy różnyoh stosunkach oza

sów 0 . Temperatura w pleou przy każdej s e r i i była in n a , n a j n iż s z a 572,5 C w s e r i i p ie r w s z e j, a najwyższa 964 C w s e r i i

(8)

24 Andrzej Puszar o s t a t n i e j . Wzorcowanie termometru w z a k r e s ie 1000 - 1250 C przeprowadzono w płomieniu p a ln ik a gazowego.

Pomiar; te m p e ra t u r; w pleou o raz w płomieniu p a ln ik a gazo

wego prowadzono d la stosunków czasów o h a r a k t e r ; s t ; o z n ; c h - f z m ie n iają o ;o h s i ę w p r z e d z ia le 2 - 2 1 .

Na podstawie przeprowadzo- n ;c h badań stw ierd zo n o , że termometr w ;kaz;w ał tempera

t u r ę n i ż s z ą od r z e o z ; w i s t e j • 1.05k

VM

1,03 1,02 1,01

>

\

_t0i4S— — —

ii

toi

R ; s . 4 . Zależność k od

poprawki

Wartość tego błędu z a l e t ; od O' p r z ; oz;m maleje ona wraz

■e wzrostem -$r a d la > 10 osiąg a w artość s t a ł ą . Celem w;ellmlnowania błędu wpro

wadzono do z a le ż n o ś o i (9 ) po prawkę k . Wówczas wzór o g ó l- n ; p r z ; b l e r z e postaó

*2 + 0 ( t 2 - t 3 ) e t t 2 - t 3 )

- 1

( 1 0 )

Zależność k od przedstawiono na r ; s . 4 .

Po uw zględnieniu poprawki k r o z r z u t wskazań termometru p u l - saoyjnego w stosunku do te m p e ra tu r; r z e o z ; w l s t e j n ie powinien p rzekrooz;ó ^2%.

Wnioski

W podsumowaniu preeprowadzon;oh badań w;mlenló n a l e ż ; n a s t ę pujące oech; p r z ;r z ą d u :

Z a l e t ;

- termometr p u l s a o ; j n ; może znależó zastosowanie do pomiaru w;- sokioh tem p eratu r doohodząo;oh nawet do 4500 C,

(9)

Termometr p u lsac y jn y 25 - niedokład n o ść przy rząd u w przebadanym z a k r e s ie tem p eratu r wy

n o s i o k . £2

- c z u jn i k termometru wykonywany J e s t z ma t e r l a ł ć w . t a n i c h , t a - kloh Jak Fe, K onsi, Cu, Ni i n ie ulega z n is z c z e n iu w t r a k o i e pomiaru;

l a d y

- termometr p u lsacy jn y przeznaczony J e s t do pomiaru tem peratur ustalonych»

- p rz y rz ąd ma skomplikowany napęd c z ę ś c i ruchomej»

- zachodzi konieozność posługiw ania s i ę wzorem lub nomogramem z am iast dokonywania bezpośredniego odczytu Jak to ma m iejsce u w ię k sz o ś c i przyrządćw .

Badania p r o to ty p u teiynometru pulsaoyjnego p o tw ie rd z iły r e a ln o ść założeń t e o r e ty c z n y c h . W obeonym e t a p i e prao prowadzona J e s t a d a p ta c ja tego termometru d la celćw przemysłowych.

LITERATURA

[1] GORDOW A.N. - Osnowy p i r o m e t r i i . 1964. I z d . M l e t a łł u r g i a [2] Temperature i t s measurement and c o n t r o l in soienoe and i n

d u s t r y , V ol. Ill,^N ew York

[3] GRACZYK C z., PUSZER A. - Badania p ro to ty p u termometru p u l

sa o y jn e g o . PAK. 1969 nr 2.

(10)

26 A ndreaj Pusser

te p jlo m e tp nEPKOflMHECKoro norpyxEHMH

C o x e p x a H H e

B patfcTe xaHa Teopaa xeftcTBH hoboto Tuna repaoaeTpa Kcnoxb- soBaHoro xxh MsxepeHHH doxbmiuc TeunepaTyp. Upafiop nepaOAireec- xoro xeilcTBHa acnoxbsyeT HecTaunouapHue TeanepaTypHbie coctoh-

hmx HycTBHTexbHoro axeaeHTa xxa KsuepeHna nocToaHHoii Teanepa- Typu cpexcTBa.

flaao xopcTKoe c n a c a H a e KoHCTpyxuHH T e p a o a e T p a a p e s y x b r a r a KanadpoBXa. 3 oKOHveHus pafioTH npexcTaBxeHU n p e a a y m e c T B a h He - Xo ct st kh npoTOTiina, xaubi n p e x x o x e a a a e r o a c n o x bbobs hke h x a x b - HeP.max a c c x e x o B a H H « .

PULSATION THERMOMETR S u ■ ■ a I y

The au to x s a theo ry of o p e ra tio n of a new type of thermoma- tex Intended fox measuring high tem pexatuxes. This i s an in s tru m e n t of o y o lio o p e ra tio n u sin g t r a n s i e n t tem perature of a s e n s in g element f o r measuring c o n s ta n t tem perature of medium.

The thermometer d esign i s d e so rlh ed and c a l i b r a t i o n r e s u l t s gi-ren. Also d lso u sse d a re advantages and d isa d v a n ta g e s of the p ro to ty p e and c o n c lu s io n s s e t o u t a s to i t s a p p l i c a t i o n and f u r t h e r t e s t s .