книги / Тепловые процессы в технологических системах

метим, что на рис. 4.1 стрелками показано, каким из основных целей эксперимента соответствуют те или иные методы измерения или устройства, нашедшие наибольшее применение в технологи­ ческой практике.

4.2. КОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР

Термометры. Среди приборов, предназначенных для измере­ ния температур в технологических системах, термометры занимают несколько особое место, поскольку их используют преимущест­ венно для определения температуры жидкостей (технологических или смазочных), газов (воздуха и воздушных смесей) или распла­ вов (например, при тарировании термопар в жидкометаллических средах). Кроме обычных термометров, в которых для определения температуры используют тепловое расширение ртути или специ­ альных жидкостей, применяют манометрические и механические термометры. В манометрических термометрах в небольшом резер­ вуаре (термоприемнике) содержится жидкость или газ. Расшире­ ние жидкости или газа в замкнутом объеме создает давление, которое воспринимается чувствительным элементом (манометри­ ческой пружиной) и вызывает перемещение указателя по шкале прибора. Определение температуры механическими термометрами основано на измерении термической деформации биметалличе­ ского элемента, состоящего из двух примерно одинаковых по толщине слоев металлов или сплавов с различными коэффициен­ тами теплового расширения.

Обычные термометры позволяют наблюдать изменение тем­ пературы объекта (жидкости, газа) только вблизи места измерения, поскольку отсчетная шкала расположена на самом приборе. В ма­ нометрических термометрах термоприемник, как правило, соеди­ нен с измерительным устройством длинным капилляром, что поз­ воляет наблюдать результаты измерений на некотором удалении от объекта, температуру которого определяют. Механические термомометры в процессе измерения могут развивать достаточно боль­ шие усилия, что позволяет использовать их в качестве устройств, автоматизирующих процесс, например, дозирующих подачу сма­ зочной жидкости в узлы станка.

Искусственные термопары. В термопарах или, как их еще называют, термоэлектрических термометрах используют явление, открытое в 1821 г. Т. Зеебеком. Это явление состоит в том, что в замкнутой цепи из двух разнородных металлических проводни­ ков А и В (рис. 4.3, а), температура спаев которых поддержи­

вается различной (0Х и 02), возникает электрический ток. Электро­ движущую силу в такой цепи называют термоэлектродвижущей силой или сокращенно термоЭДС. Многочисленные эксперимен­ тальные исследования свойств термоэлектрических цепей позво­

Рис. 4.3. Принципиальные схемы термопар

Следствием этого закона является тот факт, что термоЭДС в цепи термопары не зависит от распределения темпера!уры вдоль про­ водников, а зависит только от температуры спаев. С первым за­ коном связано применение наиболее распространенной схемы измерения, при которой температура 0О свободных концов про­ водников А и В (рис. 4.3, б) поддерживается одинаковой и по­ стоянной (часто комнатной), а спай АВ находится при измеряемой температуре 0. При JT O M сигнал термопары является только функ­

цией измеряемой температуры.

2. Алгебраическая сумма термоЭДС в цепи, состоящей из лю­ бого числа проводников из различных металлов, равна нулю, если вся цепь находится при одной температуре. Из этого закона следует, что при введении в контур, содержащий два разнородных проводника А и В с температурами спаев 0 и 0О, третьего про­ водника С, находящегося при одинаковой по всей его длине тем­

пературе 0О, ЭДС термопары не меняется. Следовательно, в цепь термопары можно вводить измерительный прибор И или дополни­

тельные удлиняющие провода С, если их температура сохраняется постоянной.

В технологических экспериментах применяют три вида термо­ пар: искусственные, полуискусственные и естественные. Искус­ ственная термопара состоит из двух проводников, не имеющих непосредственного отношения к инструменту, заготовке или де­ тали оборудования, температуру которых измеряют; проводники и спай термопары служат только для измерения температуры ин­ тересующего объекта. В полуискусственной термопаре только один из проводников не принадлежит компонентам технологиче­ ской подсистемы, а второй присутствует в ней естественно, вы­ полняя какую-либо функцию в процессе обработки. Это может быть материал инструмента, заготовки или детали оборудования, вклю­ ченный в цепь термопары и находящийся в надежном контакте

спервым из проводников.

Вестественной термопаре оба проводника, образующие спай, естественно присутствуют в технологической подсистеме, участ­ вуя в ней в качестве необходимых компонентов. Таковы, напри­ мер, металлические инструмент и обрабатываемая заготовка, которые в зоне контакта между ними прижаты друг к другу на­ столько плотно, что место их соприкосновения мало отличается от спая.

Все важнейшие характеристики искусственной термопары как инструмента для измерения температур (величина сигнала, чув­ ствительность, диапазон измеряемых температур, стабильность показаний и др.), зависят в основном от свойств материалов про­ водников, образующих спай термопары. В принципе, для изго­ товления термопары может быть применена любая пара различных металлов, однако целесообразно использовать лишь определенные из них, так называемые термоэлектродные сплавы, удовлетворяю­ щие следующим требованиям.

1.ТермоЭДС сплава должна бвггь достаточно большой, для того чтобы ее можно было измерить с нужной точностью; она дол­ жна быть непрерывной и однозначной (желательно линейной) функцией температуры.

2.Температура плавления или размягчения сплава должна быть выше, чем температура поверхности, которую измеряет термопара.

3.Термоэлектродные сплавы, особенно для длительно работа­ ющих термопар, должны быть коррозионно-стойкими.

4.Сплавы для термопар в процессе эксплуатации и градуиров­ ки должны сохранять свои характеристики неизменными. Термо­ пары, имеющие одинаковые размеры, должны обеспечивать воспро­ изводимость свойств при серийном изготовлении и эксплуатации

водинаковых условиях.

5.Материалы, из которых изготавливают термопары, должны быть достаточно прочными и пластичными.

Втехнологических экспериментах применяют искусственные термопары, изготовленные, как правило, из следующих пар ма­ териалов: медь—константан, медь—копель, железо—константан, хромель—копель, хромель—константан, хромель—алюмель. Термопары из этих материалов позволяют измерять температуры

впределах, характерных для практики технрлогических исследо­ ваний (в среднем 0 1000 °С), обеспечивая достаточно высокую термоЭДС.

Величину термоЭДС искусственной, как и всякой другой тер­ мопары, определяют по результатам градуирования, т. е. установ­ ления конкретной функциональной связи Е = / (0) между термо­ ЭДС Е и температурой 0. Для термопар, состоящих из стандарт­

ных пар материалов, градуировочные таблицы и графики приве­ дены в [29]. Результаты градуирования часто представляют в виде полиномов первой, реже второй степени. Например, для медно-

Градуирование представляет собой важный этап подготовки термопары к работе. Его выполняют с помощью специальных уст­ ройств, в которых нагревают спай термопары при фиксированных температурах и одновременно измеряют термоЭДС.

z

Искусственные термопары, применяемые для измерения тем­ ператур в компонентах технологических подсистем, могут быть разделены на прижимные, закладные и перерезаемые. С помощью прижимных (приваренных) термопар, спай которых надежно прикреплен к поверхности твердого тела (рис. 4.4, а), измеряют

температуру малого участка нагретой поверхности. Обычно диа­ метр пятна контакта d между спаем термопары 1 и твердым телом 2

невелик, что позволяет в первом приближении результатом изме­ рения считать локальную температуру в точке О.

Достаточно широкое распространение получили закладные искусственные термопары. Их применяют как для измерения ло­ кальной температуры одной точки (малой области) внутри твер­ дого тела, так и для одновременного измерения температуры не­ скольких точек с целью получения ориентировочных данных о температурном поле внутри тела. Применение закладных термо­ пар в большинстве случаев связано с созданием разрезных моделей (образцов), изготовленных из такого же материала, что и твердое тело (заготовка, инструмент, деталь станка), температуру кото­ рого измеряют.

Части образца 3 и 4 (рис. 4.4, в) подгоняют тщательно друг к другу по поверхности разъема М. Затем подготавливают термо­ пару, состоящую из двух проводников А и В, покрытых тон­

ким слоем изоляции (лаком, эмалью). В одной из половинок об­ разца электроискровым способом в заранее намеченной точке

вырабатывают ложе под спай термопары, по диаметру и глубине несколько меньшее, чем диаметр спая. Электроискровым же путем изготовляют канавку под проводники термопары. Термопару ук­ ладывают в ложе и канавку и обе половинки образца сдавливают до полного соприкосновения. При этом спай термопары деформи­ руется и плотно заполняет отведенное ему пространство. Провод­ ники термопары дополнительно изолируют тонким слоем диэлект­ рика 5 или прикрепляют к стенкам канавки клеем, смешанным

с порошком из материала образца для того, чтобы не сильно менять термическое сопротивление материала за спаем термопары.

Закладные термопары могут иметь вид пленок, напыленных на поверхность разъема образца. На эту поверхность с помощью трафарета последовательно напыляют: тонкий слой диэлектрика, тонкий слой одного из металлов, образующих термопару, вновь слой диаэлектрика, слой второго металла термопары и слой ди­ электрика. На небольшом участке, расположенном у поверхности, температуру которой измеряют, слой изоляции между пленками из металлов не наносят, что позволяет получить замыкание, необ­ ходимое для создания спая термопары. К концам напыленных ча­ стей термопары А и В (рис. 4.4, г) припаивают проводники 6 и 7,

входящие в цепь измерительного устройства.

Применение пленочных термопар позволяет существенно сни­ зить погрешности измерения. Малое сечение термоэлектродов и малые размеры спая сокращают отток теплоты по проводникам и уменьшают искажение теплофизической обстановки в зоне изме­ рения в целом. Поскольку в пленочных термопарах применяют, как правило, чистые металлы, теплопроводность которых мало зависит от температуры, повышается стабильность измерений. Надежное закрепление проводников термопары в образце делает невозможным их отжатие или нарушение изоляции, как это часто бывает при работе проволочными закладными термопарами. Не­ которые трудности представляет градуирование пленочных термо­ пар, которое вследствие их миниатюрности нельзя проводить обычными способами. Однако применение в пленочных термопа­ рах элементов из чистых металлов позволяет с достаточной надеж­ ностью использовать для оценки температур стандартные градуи­ ровочные кривые или полиномы.

Разновидностью искусственных термопар являются перерезае­ мые термопары. Их можно применять для непосредственной записи законов распределения температур на поверхностях, образую­ щихся в процессе обработки. В качестве примера рассмотрим за­ кладные перерезаемые термопары (иногда называемые бегущими), которые позволяют осуществить непосредственную и практиче­ ски одновременную запись распределения температур на поверх­ ностях контакта между резцом и стружкой, а также между рез­ цом и заготовкой при точении [31.

На рис. 4.5 показана принципиальная схема бегущей термо­ пары и несколько осциллограмм, полученных с ее помощью при

8 ж,мм

Рис. 4.5. Перерезаемая (бегущая) искусственная термопара (а) и полученные с ее помощью законы распределения температур (б) на прирезцовой поверхности стружки при точении заготовки из стали 45 (резец ВК8, сечение среза 6X0,5 мм2)

различных режимах резания. Для создания термопары в поверх­ ностных слоях заготовки 1 сверлят небольшое (диаметром 0,8— 1,5 мм) отверстие, в которое устанавливают защитную трубочку 3

с двумя изолированными проводниками Л и В, которые в даль­ нейшем образуют искусственную термопару. До начала резания проводники не замкнуты, их концы через передающую систему подведены к контактам К1—К2 и КЗ—К4 осциллографа.

Трубочка 3, изготовленная из обрабатываемого или близкого к нему по свойствам материала, защищает проводники термопары от преждевременного замыкания. При перерезании этой трубочки резцом 5 проводники А и В замыкаются в тонком слое надрезцовой стороны стружки 4 и на поверхности резания. Часть трубки

с проводниками продолжает двигаться вместе со стружкой, и искусственная термопара, образовавшаяся при замыкании провод­ ников, через контакты К1—К2 фиксирует на ленте или экране

осциллографа температуры площадки контакта между стружкой и резцом. Другая термопара, образовавшаяся от замыкания про­ водников в поверхностном слое заготовки, двигаясь вместе с по­ следней, через контакты КЗ—К4 фиксирует температуру пло­

щадки, по которой соприкасаются инструмент и поверхность реза­ ния на заготовке.

Для повышения надёжности удержания трубки 3 в заданном

положении имеется штифт 2, к которому трубку припаивают или

привязывают тонкой прово­

конце контактной площадки в момент отрыва стружки от передней поверхности инструмента. За пределами контактной площадки термопара фиксирует температуру остывающей стружки.

Полуискусственные термопары. При технологических экспе­ риментах применяют полуискусственные термопары, одним из электродов которых является материал (металл) детали станка, заготовки или инструмента, а вторым — проводник из какого-либо другого металла. Конструкция полуискусственной термопары (см. рис. 4.4, б) проще, чем искусственной. Как правило, место спая проводника полуискусственной термопары с объектом изме­ рения имеет меньший диаметр d, чем у искусственной термопары.

Это позволяет измерять температуру на меньшем участке, т. е. точнее определять ее локальное значение и уменьшить погрешности эксперимента, связанные с оттоком теплоты в термопару. Следует также иметь в виду, что полуискусственная термопара регистри­ рует температуру непосредственно на площадке контакта между проводником 1 и объектом измерения 2, а не на участке ас (см. рис. 4.4, а), как это имеет место при использовании искусственной

термопары.

Недостатком полуискусственных термопар является необходи­ мость их тарирования при изменении материала объекта, темпера­ туру которого измеряют, поскольку данные о градуировании стандартных термопар здесь не применимы.

Полуискусственные термопары, так же как и искусственные, могут быть прижимными (приваренными), закладными и перере­ заемыми. В качестве примера на рис. 4.6 приведена схема устрой­ ства для измерения температуры в процессе плоского шлифова­ ния. Измерение производится с помощью двух полуискусствен­ ных термопар, заложенных в заготовку и шлифовальный круг. В заготовку, состоящую из двух плотно притертых частей 7

прибора два тела из различных металлов, контактная по­ верхность между которыми нагрета до определенной тем­ пературы, чтобы зафиксировать значение термоЭДС. Тела, температуру которых изучают, нет необходимости раз­ рушать с целью установки проводников или заменять моделями (образцами). Измерение, что очень важно с точки зрения управле­ ния тепловыми явлениями, можно выполнять непрерывно в про­ цессе обработки заготовок, эксплуатации инструментов или функ­ ционирования деталей машины. Естественные термопары исполь­ зуют для определения средней температуры на контактных по­ верхностях тел, независимо от того, какую форму они имеют или в каких условиях эксплуатации находятся. Известны также попытки применения естественной термопары для определения за­ кона распределения температур на контактирующих поверхно­ стях путем проведения серии экспериментов с составными телами П8].

Наряду с упомянутыми достоинствами, естественные термопары имеют и недостатки. Контакт между телами, образующими тер­ мопару, должен быть настолько плотным и надежным, чтобы его можно было считать спаем. Если при механической обработке за­ готовок это требование удовлетворяется сравнительно легко, поскольку на поверхности контакта между инструментом и об­ рабатываемым материалом, как правило, возникают высокие дав­ ления, то при измерении температуры деталей машин, особенно

термопары, должны быть электропроводными. Между тем во многих технологических операциях (обработка диэлектриков, обработка металлов керамическим или алмазным инструментом и т. д.) это требование не удовлетворяется без дополнительных (часто неосуществимых) мероприятий, таких, например, как при­ менение токопроводящих синтетических алмазов. Естественные термопары по самой сути их конструкции нельзя применять для измерения температуры свободных поверхностей нагретых тел.

Наибольшие трудности при использовании естественных термо­ пар связаны с их градуированием. Стандартные градуировочные таблицы и полиномы, как правило, не могут быть применены вслед­ ствие отличия материалов термопары от стандартных. Поскольку методика градуирования влияет на зависимость между термоЭДС и температурой, желательно при тарировании естественных термо­ пар создавать условия контакта между их компонентами, близкие к тем, которые будут иметь место при проведении экспериментов по измерению температур в технологической системе или под­

логических экспериментов непрерывно ищут пути совершенство­ вания градуирования естественных термопар. Приведем один