Температуру в крупномасштабных системах с горением, например в топках, в газотурбинных камерах сгорания, в двигателях внутреннего сгорания, в ракетных струях, можно измерять датчиками различных типов. Чаще всего используются термопары и энтальпийные зонды. Термопары можно использовать до температур около 2500 К, и они требуют введения поправок к измеренной температуре на излучение. Энтальпийные зонды могут использоваться при гораздо более высокой температуре при условии, что известны термодинамические свойства потока. Термопарные датчики имеют относительно низкое частотное разрешение, которое может быть улучшено уменьшением тепловой инерции и использованием компенсатора [2]. Термопару с компенсатором можно использовать для измерения пульсаций температуры. Постоянные времени реальных термопар велики даже для того, чтобы разрешить сигналы акустических частот. Постоянная времени зависит от физических свойств проводов термопары и от аэродинамических условий в точке, где она используется. Она может быть эффективно уменьшена путем подсоединения некоторых электрических цепей к выходу термопары. Долгое время не признавалась важность измерения пульсаций температуры, и только в последнее время были предприняты попытки исправить этот недостаток [93].
Временная зависимость отклика термопары с открытым спаем может быть описана следующим дифференциальным уравнением:
где Тr и Tw — температуры газа и спая соответственно, τ — «постоянная времени», определяющая способность термопары
Рис. 1.20. Характеристики термопары:
а — отклик термопары па ступенчатое изменение температуры; б —схема R-C-компенсатора; в- амплитудно-частотные характеристики (кружки и треугольники—экспериментальные точки)
следовать за изменениями температуры газа. В случае отклика на ступенчатое изменение температуры τ представляет собой время, через которое выходной сигнал термопары составит 63 % полного изменения, как показано на рис. 1.20, а. Электрическая компенсация запаздывания может быть осуществлена, если будет подобрана электрическая цепь, которая может выполнять нал исходным выходным сигналом w операции, записанные в левой части приведенного выше уравнения Полученный результат даст напряжение, соответствующее истинной температуре газа.
Из диаграммы рис. 1.20,в очевидно, что частотная характеристика «заваливается» на частотах, больших 1/(2πτ), называемой частотой среза термопары. Используемая компенсирующая цепь имеет противоположный характер изменения частотной характеристики по сравнению с термопарой, поэтому в представляющем интерес диапазоне частот амплитудно-частотная характеристика термопары с компенсатором является плоской. Использованный метод состоит в создании схемы с уменьшающимся при увеличении частоты импедансом со скоростью уменьшения, определяющейся падением амплитудно-частотной характеристики термопары, так что частотный диапазон увеличивается с коэффициентом растяжения F (при этом частота среза системы термопара - компенсатор становится равной
F/(2πτ)). Время, необходимое для достижения 63% изменения
сигнала, уменьшится в F раз, и вся система будет работать таким образом, как будто ее эффективная постоянная времени равна τIF. Постоянная времени термопары может быть описана следующим выражением [2]:
где Рt и 0 означают условия холодного спая термопары, М и ps — соответственно число Маха и статическое давление.
Подробное описание различных электрических методов компенсации временных задержек термопар и их основные принципы изложены в работе Гуиты и др. [93].
Компенсирующая R — С схема показана на рис. 1.20,6. Коррекция в ней достигается выбором таких значений R и С. чтобы ток, протекающий через R, был пропорционален скорости изменения температуры термопары, и выбором такого значения Rc, чтобы создавался дополнительный ток, протекающий через R, пропорциональный температуре термопары. Падение напряжения, создаваемое при протекании суммы двух токов через R, пропорционально при этом температуре газа. Критерий правильной компенсации следующий:
и частота среза термопары (с низким сопротивлением) фактически возрастает в F раз, где F определяется выражением
Приведенные выше уравнения являются основными для идеализированного R — С-компенсатора и служат для установления связи между R, Rc и С в выражениях для τ и коэффициента расширения частотного диапазона, который на практике оказывается несколько меньше F из-за сделанных упрощающих предположений при выводе уравнения для коэффициента расширения частотного диапазона.
Как отмечалось ранее, постоянные времени используемых на практике термопар велики и зависят от физических свойств проводов термопар и аэродинамических условий в точке измерения. На рис. 1.21 показаны схемы установок для определения постоянной времени термопар. Схема, показанная на рис I 21, с, позволяет легко получить плоскую амплитудно-частотную характеристику вплоть до нескольких килогерц (обычно 4.....5 кГц). Однако за компенсацию приходится расплачиваться уменьшением амплитуды детектируемого сигнала, поскольку для правильной компенсации все сигналы ослабляются относительно истинной амплитуды отклика термопары.
Рис 1.21. Аппаратура для измерения пульсаций температуры: а — из работы ,[93|; б—из работы Локвуда и др. [291:
1 — термопара; 2 —выход по постоянному току; 3 — осциллограф; 4—выход по переменному току, 5 — усилитель постоянного и переменного тока; 6 — компенсатор; 7 — вольтметр среднеквадратичного значения; 8—анализатор спектра; 9 — турбулентное метановое диффузионное пламя; 10 — термопара с открытым спаем диаметром 40 мкм, 6% Rh/Pt — 30% RhyPt; 11—блок усилителя 350:1; 12 —активный фильтр компенсации тепловой энергии; 13 —блок фирмы General Radio 1564-А; 14 — вольтметр среднеквадратичного значения 55D35 фирмы DISA; 15—измеритель среднеквадратичного значения фирмы Soatron JMI 1860; 16 — блок сбора данных PDP; 17 — пробивка данных на бумажной ленте для ввода в CDC 6400 с целью получении функции распределения плотности вероятности; 18— приборы для обработки сигнала; 19 — трехосевой координатник перемещении горелки; 20 — трубка горелки, 0 — 5 мм, длина 75; 21 — манометр; 22 — ротаметр
Бесконтактные оптические методы измерения температуры могут служить независимыми средствами измерения и градуировки контактных датчиков. В двухцветной оптической пирометрии выходной сигнал, являющийся функцией температуры, получается как отношение двух сигналов, пропорциональных интенсивности света в двух различных узких полосах излучения объекта [2].
Рис. 1.22. Блок-схема двухцветного оптического пирометра [2]:
1 — источник горящих частиц; 2 — окно; 3 — зеркало; 4 — охлаждаемый водой зонд: 5 — волоконно-оптический световод; 6 — фильтр А; 7 — детектор; 8—усилитель А, 9 — преобразователь 1→ V канала А; 10 — осциллограф или двухканальный самописец; 11 — делитель A/B; 12—преобразователь 1→v канала В; 13 —усилитель В; 14 — фильтр В.
Преимущество использования двухцветного метода состоит в том, что исключается коэффициент черноты в том случае, если объект представляет собой серое или черное тело (ε = ε(λ) = const). Схема двухцветного пирометра показана на рис. 1.22.
Выходной сигнал с каждой трубки фотоумножителя является мерой интенсивности излучения от объекта на выбранной длине волны и может быть связан с температурой объекта с помощью закона Вина:
где С0 — постоянная, зависящая от оптической эффективности системы; εα — коэффициент черноты поверхности на длине волны— длина волны в нанометрах; С2 — вторая постоянная Планка, равная 1,44-107 нм-К; Т — температура поверхности объекта в кельвинах. Коэффициент черноты объекта зачастую известен неточно, но если предположить, что это серое тело (т. е. коэффициент черноты постоянной и не зависит от температуры или от длины волны), то можно взять отношение интенсивностей на двух различных длинах волн и получить следующее соотношение:
или
.
Таким образом, исключается влияние коэффициента черноты на получаемую в результате расчета температуру. Постоянная С, входящая в формулы определения температуры двухцветным методом, определяется в процессе градуировки. Сигналы с двух фотоумножителей могут подаваться на мини- компьютер для получения непрерывной диаграммы изменения температуры.
Другим распространенным методом измерения температуры с хорошим пространственным разрешением является двухполосная атомная флуоресценция (при воздействии лазерного излучения). При использовании этого метода в поток подмешивается некоторый элемент (обычно Th, Ga. In или Р), имеющий два возбужденных электронных состояния. Температура определяется по отношению числа атомов в этих возбужденных состояниях, измеряемому по отношению интенсивностей флуоресценции для данных двух уровней. Может быть также использована молекулярная двухполосная флуоресценция, и были проведены исследования по использованию в этом методе радикала ОН-. Обычно для определения плотности заселения уровней используется лазерная индуцированная молекулярная флуоресценция В неравновесных потоках для определения характерных температур промежуточных продуктов реакции также может использоваться индуцированная лазером флуоресценция. Она может применяться при таких значениях концентрации, которые слишком малы для использования методов измерения на базе рамановского (комбинационного) рассеяния или CARS. Для реализации этих измерений необходима фундаментальная спектроскопическая информация об энергетических уровнях радикалов. Требуются проведение дополнительных исследований по определению коэффициентов гашения и дальнейшая разработка теорий насыщенной и частично насыщенной флуоресценции.
Другим методом, позволяющим измерить распределение температуры в окрестности пламени или капли, является лазерная шлирен-интерферометрия. Для получения интерферограммы необходимо, чтобы по крайней мере один из двух интерферирующих лучей прошел через изменяющий фазу объект. Если I1 и I2 — распределения интенсивностей двух лучей, то результирующее распределение интенсивности 1 (х, у, z) в плоскости регистрации (т. е. при фиксированном значении х) определяется выражением
На рис. 1.23 показана схема экспериментальной установки [2) для получения интерферограмм. Луч света от лазера подвергается пространственной фильтрации и расширяется до диаметра около 15 см, так что он полностью соответствует апертуре шлирен-зеркала M1. Получающийся в результате коллимированный луч между зеркалами М1 и М2 служит в качестве опорного и рабочего лучей интерферометра.
Рис. 1.23. Схема лазерной шлирен-интерферометрической системы [93]. Использован Не—Ne-лазср мощностью 5 мВт.
Рис. 1.24. Типичные интерферограммы одиночной горящей капли (a) и потока горящих капель [93] (б).
Важно выдерживать малыми углы между коллимированным лучом света, падающим лучом и отраженным лучом для получения минимальных возмещений изображения. Этого можно достичь с помощью зеркал с большим фокусным расстоянием. В другом варианте большие зеркала можно заменить на большие линзы с расположением всех элементов системы на одной оси. Использование больших углов приводит к появлению возмущений изображения, которые иногда называют «виньетками». Интерферограмма была записана на голографической пластинке Kodak SO-115 (которая теперь называется Kodak-2415) с отсечением всех дифракционных лучей, кроме ± 1-го порядка. Энергетические требования для правильной экспозиции на этой пластинке на длине волны λ = 0,6328 мкм составляют около 0,035 Дж/м2. Это соответствует времени экспозиции 1 мс при использовании лазера мощностью 5 мВт. Были сделаны две экспозиции: одна с исследуемым объектом, а другая без него, с тем чтобы можно было устранить влияние аберрации оптических компонент, окружающих исследуемое пространство. При восстановлении интерферограмм они
первоначальной записи. Один из лучей ±1-го порядка пропускался через останавливающее поле, и интерферограмма регистрировалась на пластинке.
Описанный выше интерферометр может быть использован в абсолютном режиме с бесконечными и с конечными полосами. Выбор рабочего режима зависит от размера и характера изменения показателя преломления в исследуемом поле Интерферограмма с бесконечными полосами дает более реалистичную и лучше воспринимаемую картину возмущений. Разрешающая способность режима с бесконечными полосами составляет одну полосу, в то время как в режиме конечных полос можно точно измерить сдвиг в одну десятую полосы Типичная интерферограмма отдельной горящей капли в режиме бесконечных полос показана на рис. 1.24.
В режиме конечных полос опорные полосы получаются при повороте голографической решетки в ее плоскости на малый угол между двумя экспозициями. В отсутствие возмущений создается разность оптических путей, приводящая к появлению ряда параллельных, расположенных с равными интервалами светлых и темных полос. Они называются опорными полосами. Ширина этих полос определяется выражением
где α—угол поворота голографической решетки и β — половина угла пересечения лучей. Когда а стремится к нулю, ширина полос стремится к бесконечности, и реализуется режим бесконечных полос. Когда в режиме конечных полос появляется возмущение, сдвиг на одну невозмущенную полосу соответствует разнице оптических путей, равной λ0.
Измерение излучения и тепловых потоков
При горении углеводородных топлив основной вклад в перенос тепла излучением вносят частицы сажи, пепла, обуглившегося топлива и несгоревшего угля. Для лабораторных экспериментов рекомендуются два основных метода измерения спектрального поглощения и коэффициента рассеяния на частицах. Первый метод состоит в измерении ослабления излучения от внешнею (спектрального) источника при прохождении через высокотемпературный газовый поток с частицами в определении радиационных свойств из преобразованного должным образом уравнения переноса излучением. При использовании этого метода возникает необходимость учета взаимодействия частиц с газом в потоке. Необходимо знать концентрации Η2Ο и СO2, а также распределение частиц по размерам, плотность и химический состав. Этот метод может успешно применяться только при тщательно контролируемых условиях.
Второй метод состоит в использовании специально подготовленных образцов различных частиц (например, спрессованных частиц) и в определении различными методами комплексного показателя преломления этих образцов. Образцы могут быть приготовлены прессовкой плоских образцов, которые затем полируются или оплавляются для измерения отражения. В качестве альтернативы вместо приготовления образцов из частиц пепла для определения характеристик могут быть использованы чистые вещества. Затем для определения оптических постоянных смесей этих веществ можно применить законы смешения. Далее можно использовать данные оптической пирометрии для определения радиационных характеристик частиц на основе теории рассеяния Ми или другом теории. Измерения следует проводить на всех длинах волн и во всем представляющем интерес диапазоне температур.
В методе Шмидта определения полного излучения пламени (применимого в случае пламен с характеристиками излучения, как у серого тела с однородным распределением температуры по толщине исследуемого сечения и при отсутствии рассеяния) проводятся три измерения интенсивностей излучения пирометром полного излучения так, чтобы
Здесь
— интенсивность излучения только самого пламени, полученная при наблюдении холодной цели через пламя с температурой TF;I2 = εσΤ+ τβΤ— интенсивность излучения, измеренная при наблюдении через пламя нагретого черного тела при температуре Тb, I— интенсивность излучения черного тела, рассчитанная по его температуре — σT; ε — общий коэффициент черноты пламени; т — общий коэффициент прозрачности пламени.
Если пламя рассматривается как серое тело, то его коэффициенты поглощения и излучения (коэффициент черноты) равны между собой, и если предположить далее, что рассеяние равно нулю, то можно рассчитать коэффициент черноты и температуру пламени из следующих соотношений:
В отсутствие рассеяния и в пламенах, содержащих «несерые» газы (СО2, водяной пар и т. п. ) метод всегда будет точным до тех пор, пока используемое для измерений I2 и I3 черное тело будет находиться при той же температуре, что и газы.
Обоснованность применения метода Шмидта в случае промышленных пламен газообразных топлив, в которых температуры и концентрации излучающих частиц существенно изменяются, вызывает сомнение. Тем не менее в случае нефтяных пламен, излучение которых определяется главным образом сажей, получаются приемлемые результаты, если температуры пламени и модели черного тела близки между собой. На практике Для оценки I обычно вместо черного тела используется участок облицовки из огнеупорного материала с низкой проводимостью и большой толщиной.
Высокотемпературные течения характеризуются системами уравнений, в которых следует учитывать мгновенные значения переноса тепла вследствие теплопроводности, конвекции и излучения. Тепловые потоки в пламенах велики, и поэтому потери тепла имеют большое значение. Несколько типов зондов или датчиков теплового потока создано на основе закона теплопроводности Фурье. Эти датчики предназначены для использования в стационарных условиях. Измеряются температуры (обычно термопарами) в двух точках, расположенных на известном расстоянии друг от друга и разделенных материалами с известной теплопроводностью. Такие зонды могут представлять собой вводимые в поток датчики (в этом случае они возмущают поле течения) или устанавливаться как часть поверхности для измерения местных значений коэффициентов теплопередачи. В датчике Гордона имеется тонкая кольцевая фольга и измеряется разность температур между центральной и наружной частями поверхности фольги. Другое аналогичное устройство состоит из трех тонких плоских «вафель», из которых две внешние изготовлены из пар материалов, применяемых в термопарах, например из меди и константана. Передняя часть датчика подвергается воздействию высокой температуры, в то время как внутренняя часть поддерживается при более низкой температуре с помощью водяного охлаждения. Точность этого метода зависит от определения двух температур, расстояния между двумя внешними «вафлями» и теплопроводности промежуточного слоя.
Нестационарные потоки тепла на поверхности можно определить с помощью датчиков с тонкой или толстой пленкой. Если толщина пленки гораздо меньше, чем глубина проникновения тепла, то градиентами температуры в пленке можно пренебречь. Для устройства этого типа важным параметром является произведение cpk, где с, р и k — соответственно удельная теплоемкость, плотность и теплопроводность для материалов датчика и подложки. В методе тонкой пленки мгновенные тепловые потоки определяются по результатам измерения мгновенного значения температуры с использованием классической теории нестационарной теплопроводности.
Преимущества метода тонкой пленки следующие: 1) малая постоянная времени, 2) высокая чувствительность к тепловому потоку, 3) точное определение мгновенного значения теплового потока. Его недостатки следующие: 1) трудоемкость численной оценки теплового потока, 2) точность ограничена произведением срк, 3) датчик нельзя использовать в проводящей среде (электрически активной), 4) датчик чувствителен к эрозии под действием посторонних частиц. В датчике с толстой пленкой подведенное к датчику тепло в основном запасается внутри датчика и только незначительная часть тепла передается подложке. Датчик поглощает тепло с поверхности, и мгновенный тепловой поток определяется по скорости изменения температуры датчика. Как и в случае тонкопленочного датчика, важным параметром является произведение срk для материалов чувствительного элемента и подложки. Датчик с толстой пленкой обладает следующими преимуществами: 1) малая постоянная времени, 2) большая теплоемкость и 3) нечувствительность к эрозии вследствие большой толщины пленки. Его недостатки следующие: 1) наименьший тепловой поток на два порядка больше, чем в случае тонкопленочного датчика, 2) для определения характеристик пленки требуется градуировка, 3) большая величина проходящего через пленку электрического тока и 4) трудно получать данные о мгновенных значениях теплового потока, поскольку для этого необходимо выполнять дифференцирование по времени.
В другом методе измерения тепловых потоков используется калориметрический датчик. В первом успешно использовавшемся калориметрическом зонде применялся метод тарировочных измерений, т. е. определялась разность энергии, требуемой для охлаждения датчика без отсоса пробы газа и требуемой для охлаждения датчика с отсосом пробы газа. Таким способом можно определить энтальпию пробы газа. Подобные датчики обычно изготовляются из меди, а в качестве охладителя используется вода. Недостатки этого метода следующие: 1) прерывистый характер измерения и 2) установление достаточно малого расхода отсасываемой пробы газа. Одной из проблем при использовании калориметрических датчиков, как, впрочем, и для большинства других методов высокотемпературной диагностики, является градуировка при тех условиях, при которых датчик будет использоваться
Для проведения термоанемометрических измерений в высокотемпературных средах используются охлаждаемые пленочные датчики. В отличие от обычного термоанемометра для охлаждаемого пленочного датчика требуется введение теплового стока, что и позволяет сделать температуру датчика ниже температуры среды. Хотя и в случае термоанемометра, и охлаждаемого пленочного датчика обычно говорят об измерении температуры, для устройств обоих типов независимой переменной является тепловой поток, а по его измерению вычисляют температуру. Для идеального охлаждаемого пленочного датчика теплоперенос от среды к чувствительному элементу равен разности между подводимой мощностью и теплопередачей от чувствительного элемента к охлаждающей жидкости. Максимальные потоки тепла на охлаждаемом пленочном датчике при хорошей стабильности датчика и большой его долговечности могут составлять около 10 Вт. Без использования специальных мер по очень тщательной градуировке датчика, вероятно, труд но достичь погрешности ниже ±5 % при измерениях тепловых потоков.
Для диагностики потоков широко используются три оптических метода: интерферометрия, шлире-фотография и теневая фотография. Главное преимущество оптических методов состоит в том, что они не возмущают поток. Указанные три метода основаны на двух физических явлениях:
- скорость света зависит от показателя преломления среды, через которую распространяется свет, а показатель преломления газа в свою очередь зависит от его плотности;
- свет, проходящий через фазовый объект с градиентами плотности (например, через газ) и, следовательно, с градиентами показателя преломления отклоняется от своего первоначального направления, как при прохождении через призму.
Интерферометр, использующий первое явление, непосредственно измеряет изменение плотности и в первую очередь при годен для количественного определения поля плотности. Шлирен-метод, основанный на втором явлении, позволяет измерять градиенты плотности. Он чаше всего применяется для получения легко интерпретируемых картин поля течения вместе с приближенной картиной изменения плотности в потоке. В методе теневой фотографии, также основанном на втором явлении, измеряется вторая производная от плотности. Поэтому он применим только в тех областях течения, где градиенты плотности очень велики. В прошлом интерферометры использовались для исследования свободной и свободно-вынужденной конвекции, в то время как методы шлирен- и теневой фотографии применялись для исследования ударных волн и явлений в пламенах, где градиенты плотности очень велики. В голографической интерферометрии тепловые потоки определяются по градиентам температуры, которые в свою очередь находятся по градиентам плотности.
Инфракрасная термография представляет собой метод измерения, основанный на системе детектирования инфракрасного излучения, при котором непосредственно измеряют тепловой поток. Сканированное инфракрасное изображение может дать цветную или черно-белую картину распределения полного теплового потока на нагретой поверхности. Этот метод можно использовать для выделения локальных областей с высоким тепловым потоком в сильно неизотермических системах.
Для анализа разнообразных задач, связанных с конвективным теплопереносом, могут быть использованы следующие три метода, основанные на аналогиях:
- аналогия между тепло- и массопереносом;
- электрохимический метод;
- электрохимолюминесцентный метод.
Преимущество использования основанных на аналогии методов состоит в том, что требуемая информация может быть получена при проведении более легкого эксперимента. Тем не менее присутствие теплового излучения в высокотемпературных потоках создает потенциальные трудности применения этих методов. Точное измерение теплопроводности изоляционных материалов обычно становится более трудным при высоких температурах вследствие трудности точного определения больших тепловых потерь
Переносимый излучением тепловой поток может быть определен радиометром, представляющим собой прибор для измерения интенсивности теплового излучения. Радиометры могут быть фотоэлектрического или термического типа. Полый эллипсоидальный радиометр полного излучения использует принцип фокусировки всего излучения, падающего на малую круговую (входную) апертуру, с помощью эллипсоидального зеркала на термопаре, которая вырабатывает разность потенциалов, линейно зависящую от полученной энергии. Важной стороной применения радиометров является их градуировка, поскольку характеристики термопары не обеспечивают абсолютного отсчета, и они должны быть проградуированы по излучению черного тела при различной температуре. Градуировку следует постоянно проверять по следующим причинам:
- несмотря на вдув азота, небольшое количество частиц или капель попадает в эллипсоид и оседает на зеркале, которое приобретает селективность при некоторых углах падения и теряет свои качества;
- изменяется площадь входного отверстия;
- в результате механических сотрясений повреждается термопара.
Вдуваемый в эллипсоид для зашиты зеркала азот создает конвективные потоки, охлаждающие приемный спай и изменяющие сигнал. Поэтому должен поддерживаться постоянный расход газа во время всего периода градуировки и измерения.
Для определения относительного вклада излучения и конвекции в общий тепловой поток в высокотемпературных системах радиометр можно использовать совместно с измерителем полного теплового потока. Могут быть использованы также измерители теплового потока, чувствительные элементы которых изготовлены из материалов, существенно отличающихся по характеристикам излучения, что позволяет разделить радиационные и конвективные потоки (например, с одним хорошо поглощающим и с одним хорошо отражающим чувствительным элементом).
Причины ошибок при измерении теплового потока могут быть самые разные, например неточное определение термодинамических параметров и коэффициентов переноса, тепловые потери в подводящих проводах, радиационный теплоперенос, возмущения течения при использовании зондов, погрешности измерения в нестационарных условиях, большая постоянная времени, приборные ограничения, влияние электрических и магнитных полей, отсутствие градуировки в потоке. Очень важно провести теоретический и экспериментальный анализ величин этих погрешностей.
