Спосіб визначення температурного поля

Изобретение относится к технике измерений температуры термоэлектрическими датчиками и может быть использовано при определении температурных полей в различных средах и на поверхности тел. Известен способ измерения температурного поля с использованием термоэлектрического датчика в виде сетки с четырехугольными ячейками из m и n разнородных проводников, образующи х соотве тственно столбцы и строки, по которому измеряют ЭДС между соединенными вместе выходными концами столбцов и строк, меняя N раз их сопротивление, причем N = m ´ n, и по полученным значениям ЭДС находят температурное поле [1]. Недостатком способа является низкая точность измерения температурного поля из-за того, что в систему управлений ЭДС, измеренных на клеммах сопротивлений, не включены составляющие проводимости, общие для образованных электрических контуров при коммутации шинами концов электродов, соединяющих спаи термопар, имеющих различные температуры. Поэтому сопротивления, коммутируемые шинами на концах электродов, будут изменять токораспределение между входной цепью измерителя и спаями датчикасетки с разной температурой, занижая для одних и завышая для других точек поля температуру, изменяемому по термо-ЭДС. Наиболее близким по технической сущности является способ измерения температурного поля с использованием термоэлектрического датчика в виде сетки с четырехугольными ячейками из m и n разнородных термоэлектродов, образующих соответственно столбцы и строки, путем измерения термо-ЭДС между выходными концами проводников [2], Недостаток способа - большая длительность определения температурного поля из-за поочередной коммутации всех и спаев датчика. Цель изобретения -сокращение времени проведения измерений температурного поля достигается тем, что измеряют термо-ЭДС термопар, рабочие спаи которых размещены в точках пересечения строк и столбцов сетки, образованной их термоэлектродами, причем последовательно измеряют термо-ЭДС всех термопар, рабочие спаи которых расположены на строке и столбце сетки, проходящие через ее центр, и термо-ЭДС всех термопар, рабочие спаи которых расположены вдоль ломаной линии в направлении диагонали сетки, и при равенстве разности термо-ЭДС на участках строки или столбца, лежащих соответственно между соседними столбцами или строками, и разности термо-ЭДС между теми же столбцами и строками на ломаной линии по измеренным величинам термо-ЭДС определяют температурное поле контролируемого объекта. На чертеже (фиг.) представлен один из возможных вариантов устройства для реализации предлагаемого способа измерения температурного поля. Устройство содержит термоэлектрический датчик 1 в виде сетки с четырехугольными ячейками, переключатели 2 и 3, управляемые коммутатором 4, блок 5 управления, управляемый ключ 6, блок 7 программного управления, переключатель 8, усилитель 9, запоминающее устройство 10, решающий блок 11 и индикаторное устройство 12. Способ осуществляется следующим образом. Размещают датчик-сетку с четырехугольными ячейками из и разнородных проводников, образующи х соответственно столбцы и строки, в контролируемый объект. Выдерживают его в температуре объекта в течение времени где - тепловая постоянная одного проводника, образующего столбец или строку датчика-сетки измеряют термо-ЭДС между разнородными проводниками строки и столбца, образующими спаи датчика. В изотропном, однородном контролируемом объекте температура является функцией координат и времени Если в различных областях контролируемого объекта температура неодинакова, то происходит перераспределение тепла по эмпирическому закону Фурье, по которому количество тепла протекающее через площадку за время прямо пропорционально площади длительности времени и производной от температуры по нормали к площадке где коэффициент теплопроводности контролируемого объекта, Вт/м × К. Дифференциальное уравнение распространения тепла по объекту контроля (2) имеет вид где - удельная теплоемкость объекта контроля, Дж/кг × К; - плотность объекта, кг/м 3; - приращение температуры, К; - внутренний источник тепла в контролируемом объекте, Вт, и левая часть равенства характеризует долю тепла, необходимую для повышения температуры контролируемого объекта, а правая часть - долю тепла, уходящего в окружающую среду вследствие теплопередачи. В зависимости от условий распространения тепла, исходя из уравнения (4), в контролируемом объекте устанавливается тот или иной вид теплового поля. В отсутствие источников тепла (при распространение тепла осуществляется без тепловыделения и уравнение (4) принимает вид где коэффициент температуропроводности, м 2/с. Уравнение (5) отражает процесс нестационарной теплопроводности и, чтобы определить температурное поле в контролируемом объекте, необходимо задаться одним начальным и двумя граничными условиями для каждой координаты. В случае, когда система "контролируемый объект - окружающая среда" находится в термодинамическом равновесии, то есть стационарного теплового поля, уравнение (5) не содержит время как переменную величину и достаточны только граничные условия. При граничных условиях первого рода задается температура на поверхности контролируемого объекта в любой момент времени которая обычно постоянна. Отсюда следует, что температурное поле, регистрируемое датчикомсеткой, помещены на поверхность контролируемого объекта, во всех спаях дает равное значение термо-ЭДС как для столбцов, так и для строк: При граничных условия х второго рода температура на поверхности неизвестна, но указывается тепловой поток вытекающий через поверхность, как функция координат точек поверхности где единичный вектор нормали к поверхности контролируемого объекта. При наложении датчика-сетки на поверхность термо-ЭДС его спаев определяет профиль теплового потока, втекающего (вытекающего) в контролируемый объект. Если же плоскость датчика-сетки параллельна вектору нормали к поверхности контролируемого объекта, тогда температурное поле, регистрируемое им, соответствует градиенту температуры, определяемому теплопроводностью объекта и температурным напором В этом случае при равных ребрах ячейки датчика-сетки разности ЭДС между соседними спаями вдоль строк или столбцов, параллельных нормали к поверхности объекта, будут одинаковы Здесь при условии однородности потока теплоты и при его неоднородности, то есть при наличии температурного профиля и теплового потока. При граничных условиях третьего рода обобщающие условия первых двух где - коэффициент внешней теплопроводности, Вт/м 2, характеризует процесс переноса тепла от объекта к окружающей среде. Согласно закону Ньютона, количество тепла, отдаваемого элементом поверхности с температурой на время среду с температурой разности температур в окружающую пропорционально и величинам - коэффициент теплоотдачи, Вт/м × К. Поэтому вытекающий тепловой поток равен и где будет Такой же тепловой поток должен подводиться изнутри объекта теплопроводностью. Приравнивая правые части уравнения (13) и (9), получим Обозначив через и учитывая, что получим после подстановки в (14) Как и в предыдущем случае, при размещении датчика-сетки параллельно вектору нормали разность термо-ЭДС между соседними спаями будет одинаковой вдоль строк или столбцов, параллельных вектору и соответствовать равенствам (10). В случае установившегося потока тепла, то есть при стационарном теплообмене, температура в каждой точке контролируемого объекта не изменяется со временем устанавливается стационарная температур, характеризуемая Пуассона тогда разность уравнением Если поток тепла действует вдоль строки (или столбца) датчика-сетки, значения измеренных значений термо-ЭДС вдоль строки (столбца) будут также соответствовать равенству (10). В случае уравновешивающего потока тепла без тепловыделения распределение температуры в контролируемом объекте соответствует уравнению Лапласа и измеренные значения термо-ЭДС между разнородными проводниками, образующими спаи, соответствует равенству (7). Таким образом, в стационарных условиях и в отсутствие источника тепла внутри однородного контролируемого объекта при равных расстояниях (ребрах) между спаями датчика-сетки вдоль строки или столбца измеренные значения термоЭДС соседних спаев должны отличаться на постоянную величину, пропорциональную градиентам температуры, характеризующим температурное поле, вдоль координатных направлений Такое распределение температуры вдоль осей объекта контроля позволяет сократить число измерений термо-ЭДС спаев между разнородными проводниками строк и столбцов и обобщить результаты измерений на всю поверхность контролируемого объекта. Поэтому измеряют термо-ЭДС спаев между разнородными проводниками столбцов и строк вдоль любой диагонали датчика-сетки последовательным переходом от предыдущего к последующему спаю по ребру строки, а затем по ребру столбца и регистрируют разность термоЭДС между соседними спаями вдоль строки и столбца. Измеряют термо-ЭДС спаев между разнородными электродами столбцов и строк, проходящих через центр датчика-сетки, и регистрируют разность термо-ЭДС между соседними спаями столбцов и строк. При равенстве разности термо-ЭДС спаев на участках строки и столбца, лежащих между соседними строками и столбцами в первом и втором (вдоль диагонали) измеренных направлениях, по измеренным термо-ЭДС определяют температурное поле контролируемого объекта. Если зарегистрированные разности термоЭДС вдоль строки и столбца, проходящих через центр датчика-сетки и вдоль ломаной линии по диагонали, не совпадают в пределах точности измерений, тогда производят измерения термоЭДС спаев, не участвовавши х в измерениях и выбранных любым способом.