Předmluva Skripta Měření ve fyzikálních technologiích představují návody k laboratorním cvičením pro studenty směrového a doktorského studia na Katedře fyziky Fakulty aplikovaných věd. Jsou zaměřena na měření fyzikálních procesů a na získání praktických zkušeností s prováděním experimentu v nových a klasických technologiích. Skripta navazují na přednášky, v nichž se student seznamuje s obecnými otázkami měřicí techniky, zejména s jednotlivými částmi měřicího obvodu. Jde o snímače, úpravu, převod, přenos, zpracování a záznam měřicího signálu, měřicí metody a měřicí systémy a dále o seznámení se specifickými problémy měření a experimentu v různých technologiích. Spolu s navazujícím předmětem Modelování termomechanických procesů dostává tak student ucelený přehled o metodách měření a modelového experimentu, používaných při identifikaci fyzikálních procesů v různých technologiích. Obsah současných skript je rozdělen do sedmi laboratorních úloh zahrnujících měření teplot, teplotních polí, tepelně-fyzikálních vlastností a přenosu tepla, dále měření deformací a namáhání. Dvě úlohy jsou věnovány průmyslovému experimentu a jeho zpracování. Převažující termomechanická problematika souvisí s významem teploty v technologických procesech a s aktuálností jejího řešení. Předpokládá se však při případném dalším vydání skript zahrnutí několika úloh zabývajících se měřením v nových fyzikálních technologiích a problémem měření rázových dynamických mechanických a tepelných veličin. Skripta jsou výsledkem úzké spolupráce a propojení výzkumných a výukových pracovišť Katedry fyziky a odboru Termomechanika technologických procesů Výzkumného centra Nové technologie na Západočeské univerzitě v Plzni. Projevuje se v nich též dlouholetá spolupráce se Škoda Výzkum v Plzni.
1
2
Obsah: 1 KONTAKTNÍ A BEZKONTAKTNÍ MĚŘENÍ TEPLOT .............................. 7 1.1 Cíl cvičení ....................................................................................................... 8 1.2 Výroba a použití termočlánků ..................................................................... 8 1.2.1 Přehled termočlánků a jejich použití........................................................ 8 1.2.2 Výroba neplášťovaného termočlánku .................................................... 10 1.2.3 Přichycení termočlánku k měřenému povrchu....................................... 11 1.3 Kalibrace teplotních čidel........................................................................... 12 1.3.1 Důvody kalibrace ................................................................................... 12 1.3.2 Pracoviště kalibrace kontaktních teplotních čidel.................................. 14 1.3.3 Kalibrace termočlánků ........................................................................... 14 1.4 Měření povrchové teploty........................................................................... 15 1.4.1 Kontaktní měření povrchové teploty...................................................... 15 1.4.2 Bezkontaktní měření povrchové teploty ................................................ 16 1.4.3 Pracoviště měření povrchové teploty ..................................................... 18 1.4.4 Postup měření......................................................................................... 18 1.5 Modelové měření teploty uvnitř těles ........................................................ 20 1.5.1 Měření teplot uvnitř těles ....................................................................... 20 1.5.2 Modulární měřicí systém........................................................................ 21 1.5.3 Model ohřevu tělesa ............................................................................... 25 1.5.4 Postup měření......................................................................................... 26 1.5.5 Postup vyhodnocení experimentu .......................................................... 26 1.6 Pokyny pro vypracování písemného referátu a kontrolní otázky .......... 30 1.6.1 Obsah referátu ........................................................................................ 30 1.6.2 Kontrolní otázky..................................................................................... 30 2 TERMOVIZNÍ MĚŘENÍ TEPLOTNÍCH POLÍ ........................................... 33 2.1 Cíl cvičení ..................................................................................................... 34 2.2 Měření statického teplotního pole.............................................................. 34 2.2.1 Termovizní měření teplotních polí......................................................... 34 2.2.2 Termovizní kamera a příslušenství ........................................................ 35 2.2.3 Videokamera a příslušenství .................................................................. 38 2.2.4 Měření teplotního pole člověka.............................................................. 40 2.2.5 Postup laboratorního měření .................................................................. 40 2.2.6 Vyhodnocení statického teplotního pole................................................ 41 2.3 Měření dynamického teplotního pole ........................................................ 41 2.3.1 Dynamické teplotní pole ........................................................................ 41 2.3.2 Termovizní systém řízený počítačem .................................................... 42 2.3.3 Měření při laboratorním tepelném zpracování....................................... 46 2.3.4 Postup termovizního měření chladnutí součásti..................................... 48 2.3.5 Vyhodnocení dynamického teplotního pole .......................................... 48 3
2.4 Zpracování výsledků termovizních měření .............................................. 49 2.4.1 Metody zpracování výsledků termovizních měření ............................... 49 2.4.2 Pracoviště zpracování výsledků termovizních měření........................... 49 2.4.3 Postup vyhodnocení termovizního měření............................................. 52 2.5 Měření emisivity povrchu materiálu ......................................................... 52 2.5.1 Měření prostorového rozložení emisivity .............................................. 53 2.5.2 Postup měření rozložení emisivity elektronického obvodu ................... 55 2.6 Pokyny pro vypracování písemného referátu a kontrolní otázky .......... 55 2.6.1 Obsah referátu ........................................................................................ 55 2.6.2 Kontrolní otázky..................................................................................... 56 3 MĚŘENÍ TEPELNĚ-FYZIKÁLNÍCH VLASTNOSTÍ MATERIÁLŮ....... 57 3.1 Cíl cvičení ..................................................................................................... 58 3.2 Měření objemových vzorků metodou TPS ............................................... 58 3.2.1 Metoda plošného pulzního tepelného zdroje.......................................... 58 3.2.2 Měření vlastností metodou HotDisk ...................................................... 59 3.2.3 Postup měření vlastností vzorků materiálů ............................................ 65 3.3 Pokyny pro vypracování písemného referátu a kontrolní otázky .......... 67 3.3.1 Obsah referátu ........................................................................................ 67 3.3.2 Kontrolní otázky..................................................................................... 67 4 NEPŘÍMÉ MĚŘENÍ POVRCHOVÉ TEPLOTY A PŘESTUPU TEPLA.. 69 4.1 Cíl cvičení ..................................................................................................... 70 4.2 Měření přestupu tepla při kalení ............................................................... 70 4.2.1 Přenos tepla při kalení ............................................................................ 70 4.2.2 Laboratorní zjišťování přestupů tepla při ochlazování v kapalinách..... 72 4.2.3 Postup měření teploty při kalení zkušební sondy................................... 76 4.2.4 Vyhodnocení povrchové teploty a přestupu tepla.................................. 77 4.3 Měření přenosové charakteristiky tepelné trubice .................................. 78 4.3.1 Měření rychlosti proudění ...................................................................... 78 4.3.2 Měření tlaku ........................................................................................... 79 4.3.3 Měření vlhkosti....................................................................................... 80 4.3.4 Měření hluku .......................................................................................... 81 4.3.5 Tepelné trubice ....................................................................................... 82 4.3.6 Zkušební trať pro měření charakteristik tepelných trubic...................... 83 4.3.7 Vyhodnocení charakteristiky tepelné trubice......................................... 86 4.3.8 Postup měření na zkušební trati ............................................................. 87 4.4 Pokyny pro vypracování písemného referátu a kontrolní otázky .......... 88 4.4.1 Obsah referátu ........................................................................................ 88 4.4.2 Kontrolní otázky..................................................................................... 89 5 MECHANICKÁ MĚŘENÍ................................................................................ 91 5.1 Cíl cvičení ..................................................................................................... 92 5.2 Měření deformací a mechanických napětí................................................ 92 4
5.2.1 Tenzometry a jejich použití.................................................................... 92 5.2.2 Měření na nosníku konstantní pevnosti ................................................. 94 5.2.3 Postup měření na nosníku a vyhodnocení.............................................. 98 5.3 Měření zbytkových napětí .......................................................................... 98 5.3.1 Odvrtávací metoda semidestruktivního měření zbytkových napětí....... 98 5.3.2 Měření zbytkových napětí.................................................................... 100 5.3.3 Experimentální analýza napětí v okolí odvrtaného otvoru .................. 101 5.3.4 Postup měření a vyhodnocení na odvrtaném nosníku.......................... 102 5.4 Pokyny pro vypracování písemného referátu a kontrolní otázky ........ 103 5.4.1 Obsah referátu ...................................................................................... 103 5.4.2 Kontrolní otázky................................................................................... 103 6 PRŮMYSLOVÝ EXPERIMENT ................................................................... 105 6.1 Cíl cvičení ................................................................................................... 106 6.2 Měření v dávkových pecích ...................................................................... 106 6.2.1 Kalibrační měření dávkových pecí....................................................... 106 6.2.2 Měřicí systém s telemetrickou komunikací ......................................... 107 6.2.3 Příprava a provedení experimentu ....................................................... 109 6.3 Měření v průběžných pecích .................................................................... 110 6.3.1 Kalibrační měření průběžných pecí ..................................................... 110 6.3.2 Měřicí systém s vnitřní pamětí............................................................. 110 6.3.3 Ochranný tepelně izolační kryt ............................................................ 113 6.3.4 Příprava a provedení experimentu ....................................................... 114 6.4 Zkouška tepelné box-bariéry ochranného krytu ................................... 114 6.4.1 Měřicí systém ....................................................................................... 115 6.4.2 Postup měření ohřevu ochranného krytu ............................................. 116 6.4.3 Vyhodnocení tepelně izolačních schopností krytu .............................. 117 6.5 Pokyny pro vypracování písemného referátu a kontrolní otázky ........ 117 6.5.1 Obsah referátu ...................................................................................... 117 6.5.2 Kontrolní otázky................................................................................... 118 7 ZPRACOVÁNÍ VÝSLEDKŮ EXPERIMENTU .......................................... 119 7.1 Cíl cvičení ................................................................................................... 120 7.2 Experiment kalení turbinového rotoru ................................................... 120 7.2.1 Výzkum tepelného zpracování rotorů .................................................. 120 7.2.2 Přenos tepla v oblasti bublinového varu .............................................. 121 7.2.3 Pracoviště tepelného zpracování .......................................................... 123 7.2.4 Průběh experimentu.............................................................................. 127 7.2.5 Výsledky měření .................................................................................. 128 7.3 Vyhodnocení experimentu........................................................................ 129 7.3.1 Teorie podobnosti................................................................................. 129 7.3.2 Postup určení kritérií podobnosti pro kalení ........................................ 131 7.3.3 Postup vyhodnocení experimentu ........................................................ 134 7.3.4 Postup laboratorního cvičení................................................................ 137 5
7.4 Literatura ................................................................................................... 138 7.5 Pokyny pro vypracování referátu a kontrolní otázky ........................... 138 7.5.1 Obsah referátu ...................................................................................... 138 7.5.2 Kontrolní otázky................................................................................... 139 8 POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ REFERÁTŮ........................................... 141
6
1 KONTAKTNÍ A BEZKONTAKTNÍ MĚŘENÍ TEPLOT Seznámení s různými druhy termočlánků. Výroba měřicích konců neplášťovaných termočlánků. Kalibrace vytvořených čidel. Uchycení čidel na povrchu a v objemu měřeného materiálu. Metody a přístroje kontaktního a bezkontaktního měření povrchové teploty. Laboratorní experiment měření povrchové teploty různými termočlánkovými sondami a optickým pyrometrem. Příčiny chyb v určení povrchové teploty. Veličiny charakterizující dynamické teplotní pole uvnitř ohřívaných a ochlazovaných předmětů. Laboratorní měření na modelu ohřevu tělesa. Modulární měřicí systém a způsob sběru naměřených dat do řídicího počítače.
7
1.1 CÍL CVIČENÍ • Seznámit se s různými typy termočlánků, jejich vlastnostmi a možnostmi použití. Prakticky si vyzkoušet výrobu neplášťovaného termočlánku, jeho kalibraci a montáž k měřenému povrchu. • Seznámit se s metodami a přístroji pro měření povrchové teploty. Změřit povrchovou teplotu kontaktními a bezkontaktními metodami. Provést jejich porovnání a analyzovat příčiny chyb měření. • Seznámit se s modulovým měřicím systémem řízeným počítačem. Provést modelové měření teplot uvnitř tělesa a následně vyhodnotit průběhy teploty, rychlosti ohřevu, tepelné toky a přestupy tepla. Provést jejich fyzikální rozbor. 1.2 VÝROBA A POUŽITÍ TERMOČLÁNKŮ 1.2.1 Přehled termočlánků a jejich použití K nejrozšířenějším čidlům pro měření teploty patří termočlánky (termoelektrické články). Princip jejich činnosti spočívá v termoelektrickém jevu vznikajícím ve dvou vodičích (větvích) z různých materiálů spojených spolu ve dvou místech o rozdílných teplotách. Navenek se tento jev projeví vznikem termoelektrického napětí, které se měří. V Tab. 1.1 jsou shrnuty typy termočlánků podle používaných materiálů jejich větví spolu s jejich písmenným označením a vyznačením teplotního rozmezí ve kterém je lze s garancí použít při dlouhodobém i krátkodobém měření. Nejčastěji se používají termoelektrické články typu J, K a S. Tab. 1.1: Typy termočlánků materiál termočlánku
označení
měď / kopel měď / měď – nikl (měď / konstantan) chromel / kopel nikl – chrom / měď – nikl (chromel / konstantan) železo / měď – nikl (železo / konstantan) nikl – chrom – křemík / nikl – křemík (Nicrosil / Nisil) nikl – chrom / nikl – hliník (chromel / alumel)
8
M T
obor měřitelných teplot při dlouhodobém použití (°C) - 200 … + 100 - 200 … + 400
horní mezní teplota při krátkodobém použití (°C) + 100 + 400
L E
- 200 … + 600 - 100 … + 700
+ 800 + 900
J
- 200 … + 700
+ 900
N
- 200 … + 1000
+ 1200
K
- 200 … + 1000
+ 1300
platina - 10 % rhodium / platina platina - 13 % rhodium / platina platina - 30 % rhodium / platina – 6 % rhodium wolfram – 5 % rhenium / wolfram – 20 % rhenium
S R B
0 … + 1300 0 … + 1300 + 300 … + 1600
+ 1600 + 1600 + 1800
A
0 … + 2200
+ 2500
Z pohledu konstrukce a uspořádání měřicího konec termočlánku se dělí na neplášťované a plášťované. Neplášťované, jejichž měřicí konec není nijak chráněn, se vyrábí z termočlánkového drátu, kde jsou jednotlivé větve od sebe odděleny opředením z sklotextilové izolace. V případech měření vysokých teplot nebo v chemicky agresivním prostředí se používají plášťované termočlánky. Ty jsou mechanicky chráněny pláštěm z teplotně či chemicky odolných slitin. Jednotlivé vodiče termočlánku jsou uvnitř tohoto pláště elektricky odděleny sypkou keramikou. Jejich použití do vyšších teplot a v agresivním prostředí je obvykle stejně jako u neplášťovaných termočlánků omezeno vlastnostmi izolace termočlánkových vodičů.
neplášťovaný termočlánek
měřicí konec
plášťovaný termočlánek
Obr. 1.1: Neplášťovaný a plášťovaný termočlánek Při měření za zvýšené teploty vzrůstá chyba měření, která je způsobena ohřevem pláště termočlánkového vedení. Keramický materiál uvnitř pláště, který elektricky odděluje obě větve termočlánku s rostoucí teplotou ztrácí izolační schopnost. Na vedení tak vznikají falešné měřící konce, které způsobují, že termočlánek ukazuje spíše teplotu tohoto vedení než je skutečná teplota měřeného předmětu. Za vysokých teplot dochází také postupně k termo-chemické degradaci materiálu 9
jednotlivých větví termočlánku. U termočlánku typu K se chromniklová větev stává elektricky kladnější proti svým původním hodnotám. Termočlánek tak ukazuje teplotu vyšší než je skutečná teplota. Na rozdíl od prvního případu tak může termočlánek ukazovat i teplotu vyšší než je např. maximální teplota v peci. Tento jev je obvykle snadno rozpoznatelný na teplotním průběhu, kdy se falešně měřená teplota postupně zvyšuje až k teplotě kolem 1600 ºC. Potom dochází k přepálení alumelové větve termočlánku. Dalším poměrně častým selháním termočlánku je jeho mechanické porušení. Ochranný plášť termočlánku za vysoké teploty křehne. Při pohybu termočlánku zejména pak při kontaktu se vsázkou nebo částí pece dochází k mechanickému porušení termočlánku. Může dojít k vytvoření nového měřicího konce termočlánku v místě jeho porušení, pokud dojde ke kontaktu obou termočlánkových větví. Takový termočlánek, který měřil teplotu vsázky potom skokově přejde na měření teploty okolí. 1.2.2 Výroba neplášťovaného termočlánku Neplášťovaný termočlánek se vyrábí z neplášťovaného termočlánkového drátu, kdy se měřicí konec termočlánku svaří střídavým obloukovým výbojem v grafitovém prostředí termočlánkové svářečky. Uspořádání pracoviště a termočlánková svářečka jsou ukázány na Obr.1.2.
termočlánkové dráty termočlánková svářečka grafit regulace výkonu 220V
(a)
(b)
Obr.1.2: Pracoviště výroby měřicího konce neplášťovaného termočlánku - (a) schématické uspořádání pracoviště - (b) termočlánková svářečka Dvojdrát Ni-NiCr je ve sklotextilové izolaci. Obsahuje vrchní a vnitřní elektrickou izolaci. Vnitřní má každý vodič zvlášť a vnější je pro oba společná. Vodiče jsou barevně odlišeny. Kladný NiCr je červený a záporný Ni je zelený. Termočlánky vyrobené z tohoto drátu (neplášťované) se nedají používat v agresivním prostředí. Jinak je jejich použití limitováno stavem elektrické izolace a mechanickou stabilitou za daných podmínek (lze je použít asi do 300°C). 10
Nejprve se ustřihne termočlánkový drát o požadované délce. Na jednom konci se očistí od vnější izolace přibližně 3 cm vedení. Pak se na této délce oddělí oba vodiče od sebe a očistí se od vnitřní izolace. Stejný postup se provede i na druhém konci termočlánkového drátu. Tím je připraven na obou koncích odizolovaný termočlánkový drát. Následuje výroba měřicího konce pomocí termočlánkové svářečky. Oba vodiče na jednom konci termočlánkového drátu se připojí do zdířky nulového potenciálu na termočlánkové svářečce. Oba vodiče druhého konce termočlánkového drátu se opatrně zasunou do nádobky vyplněné grafitovým práškem, nejlépe překřížené nebo stočené. Pozor, v grafitu je potenciál sítě. Po přiložení termočlánkového drátu do grafitu se mezi konci obou vodičů samovolně zapálí obloukový výboj. Materiál drátků se začne ohřívat a tavit a vytváří tak na koncích kuličky nataveného materiálu. Pokud jsou oba vodiče termočlánkového drátu blízko sebe, dojde k jejich spojení a vytvoří se měřicí konec. Na ovládacím panelu svářečky se reguluje výkon obloukového výboje velikostí napětí (0 – 75 % napětí 220V). Pokud je nastavený výkon příliš velký, výboj hoří příliš prudce a spoj se nevytvoří, protože se roztavený materiál rozprskne. Pokud je naopak nastavený výkon příliš malý, pak obloukový výboj nehoří a materiál se dostatečně nenataví. Optimální napětí se pohybuje přibližně kolem poloviny síťového napětí. Protože svařovací výkon musí zajistit roztavení materiálu, je pro silnější termočlánkový drát nutné nastavit vyšší napětí. Po vytvoření měřicího konce je neplášťovaný termočlánek zhotoven a připraven ke kalibraci a použití. 1.2.3 Přichycení termočlánku k měřenému povrchu Připojení termočlánku k měřenému povrchu vyžaduje zabezpečit dobrý kontakt čidla s měřeným povrchem a přitom neovlivnit měřenou teplotu povrchu. Měřicí konec termočlánku i termočlánkové vedení se obvykle připevňuje pomocí tenkého nerezového plechu o tloušťce cca 0,3 mm, který termočlánek překrývá a je pomocí bodové svářečky k měřenému povrchu přibodován. Pracoviště povrchové montáže termočlánků je ukázáno na Obr.1.3. Bodová svářečka obsahuje dvě měděné elektrody. Kontaktní elektroda se připojí k podložce, přičemž musí být zaručen velmi dobrý vodivý kontakt. Toho lze dosáhnout pečlivým očištěním místa spojení. Bodovací elektroda obsahující hrot, se přitlačí tímto hrotem na místo přítlačného plechu, které má být přibodováno. Tato elektroda je vybavena přítlačným spínačem, který při překročení určité přítlačné síly sepne elektrický obvod a energie nashromážděná v kondenzátorech se uvolní jako teplo v místě přechodového odporu. Tím dojde k požadovanému provedení svaru a spojení plechu s podložkou. Na ovládacím panelu svářečky je přepínač energie dodané do sváru (7 – 40 Ws). Tato energie je akumulována v kondenzátorech. Připravenost k výboji, tedy nabití kondenzátorů, je indikováno svítící kontrolkou „Ready.“
11
bodová svářečka
bodovací elektroda termočlánek podložka
přítlačný plech
kontaktní elektroda
regulace výkonu
220V
(a)
(b)
(c)
Obr.1.3: Pracoviště povrchové montáže termočlánků - (a) schématické uspořádání pracoviště, - (b) bodová svářečka - detail ovládání, - (c) detail elektrod 1.3 KALIBRACE TEPLOTNÍCH ČIDEL 1.3.1 Důvody kalibrace Teplotní čidla nemají vždy přesně stejné vlastnosti i když splňují poměrně přísné standardy a tolerance v měření teploty. Proto je před měřením vždy nutné čidla zkontrolovat a zkalibrovat. Kalibrace představuje zjištění odchylky, se kterou dané čidlo měří jistou teplotu v porovnání s přesným etalonem. Kalibrační křivkou teplotního čidla se potom rozumí závislost této odchylky na rostoucí teplotě. Například u termočlánků hodnoty termoelektrického napětí definující závislost termoelektrického napětí Et termočlánků na teplotě měřicího konce při teplotě srovnávacího konce 0°C musí odpovídat jmenovitým hodnotám, které jsou určovány typem použitého termočlánku.
12
Dovolené odchylky od jmenovitých hodnot termoelektrického napětí termočlánků musí v teplotním intervalu odpovídat údajům, které jsou pro příklad termočlánku typu K uvedeny v Tab.1.2, kde T je hodnota teploty ve °C. Dovolené odchylky termoelektrického napětí ∆UT se stanovují podle vztahu dU T ∆U T = ∆T ⋅ dT
kde ∆T je dovolená odchylka podle Tab.1.2, (dUT/dT)T je citlivost termočlánku určovaná pro změřenou hodnotu teploty T na základě referenčního polynomického vztahu (Tab.1.3) Změna jmenovitých hodnot termoelektrického napětí po 2 hodinách expozice snímačů na horní mezi měřicího rozsahu nesmí překročit ½ dovolených odchylek uvedených v Tab.1.2. Tab.1.2 Dovolené odchylky termočlánků typu K (Ni-NiCr) označení typu termočlánku K
třída přesnosti
obor platnosti (°C)
--
od – 200 do – 100 nad – 100 do 400 nad 400 do 1300 od – 200 do – 166,7 nad – 166,7 do 40 od – 40 do 333,4 nad 333,4 do 1300 od – 40 do 375 nad 375 do 1000
3 2 1
dovolené odchylky ±∆T (°C) 3 – 0,01.T 4 1 + 0,0075.T 0,015.T 2,5 2,5 0,0075.T 1,5 0,004.T
Tab.1.3: Polynomický vztah vztah pro termoelektrické napětí termočlánku typu K (Ni-NiCr) Rozsah teploty - 270°C až 0°C
Polynom 10
U T = ∑ ai T i (µV) i =0
0°C až 1372°C
kde a0 = 0 a2 = 2,7465251138 x 10-2 a4 = -1,5190912392 x 10-6 a6 = -2,4757917816 x 10-10 a8 = -5,9729921255 x 10-15 a10 = -1,1382797374 x 10-20 2 − 1 T −127 8 i 2 65 U T = ∑ bi T +125 ⋅ e i =0 1 kde b0 = -1,8533063273 x 10 b2 = 1,6645154356 x 10-2 b4 = 2,2835785557 x 10-7 b6 = 2,9932909136 x 10-13 b8 = 2,2239974336 x 10-20
13
a1 = 3,9475433139 x 101 a3 = -1,6565406716 x 10-4 a5 = -2,4581670924 x 10-8 a7 = -1,5585276173 x 10-12 a9 = -1,2688801216 x 10-17 (µV) b1 = 3,8918344612 x 101 b3 = -7,8702374448 x 10-5 b5 = -3,5700231258 x 10-10 b7 = -1,2849848798 x 10-16
1.3.2 Pracoviště kalibrace kontaktních teplotních čidel Kalibrátor ukázaný na Obr. 1.4 je představován elektrickou pecí regulovanou na požadovanou teplotu kalibrace. Dosažení přesné teploty je řízeno pomocí referenční termočlánkové sondy, která se umísťuje ke kalibrovaným čidlům. Ta se vkládají podle svého vnějšího průměru do příslušných děr ohřívané vložky pece tak, aby byl zajištěn dobrý kontakt čidla s pecí.
kalibrovaný termočlánek
kalibrátor teplotních čidel
referenční termočlánková sonda
220V
ruční regulace teploty
přepínač měřicích míst
Obr. 1.4: Pracoviště kalibrace kontaktních teplotních čidel Při jedné teplotě lze kalibrovat postupně více čidel, která jsou všechna vložena v ohřívané vložce pece. Žádaná teplota se nastaví ručně na ovládacím panelu přístroje stiskem F1 a zadáním hodnoty nebo lze využít počítačového řízení kalibrátoru. Pak je třeba vyčkat až se ustálí teplota referenčního i kalibrovaného čidla, což je kalibrátorem vizuálně i zvukově signalizováno. Po ustálení se odečte odchylka kalibrovaného čidla od teploty standardu. Pak je možné přepnout pomocí přepínače měřicích míst na další čidlo. Postup se při jedné teplotě opakuje, až se zkalibrují všechna připojená čidla. Pak se zvýší teplota pece a postup se opakuje. 1.3.3 Kalibrace termočlánků Výroba termočlánků - vyrobit neplášťované termočlánky Ni-NiCr o délce 1 m - vyrobené termočlánky označit Kalibrace termočlánků - měřicí konce vyrobených termočlánků vložit do kalibrátoru - připojit termočlánky na svorky přepínače měřicích míst - postupně provést kalibraci na 50, 100, 150 a 200 ºC - vyhotovit kalibrační certifikáty 14
1.4 MĚŘENÍ POVRCHOVÉ TEPLOTY 1.4.1 Kontaktní měření povrchové teploty Při kontaktním měření teploty je teplotní čidlo, nejčastěji termočlánek, v přímém kontaktu s měřeným povrchem. Volba čidla a způsob jeho připevnění k měřenému povrchu musí být zvoleny tak, aby teplota měřeného povrchu nebyla tímto čidlem ovlivněna a zároveň čidlo mělo s povrchem dobrý kontakt. Při měření povrchových teplot se používá obvykle buď povrchových či podpovrchových termočlánků. Různé způsoby ukazuje Obr. 1.5. Případy (a), (b), (c) s připájením nebo přivařením měřicího konce termočlánku k měřenému povrchu lze použít pouze tehdy, je-li teplotní spád mezi povrchem a okolním prostředím malý. Nejvhodnější je (c), kdy jsou vodiče termočlánku v blízkosti měřicího konce vedeny po povrchu, tj. na teplotě blízké měřené a omezuje se chyba způsobená odvodem tepla z měřicího konce. Za tím účelem se, pokud je to možné, vždy vyvádí termočlánek ve směru minimálního tepelného toku, tj. ve směru izoterm. termočlánek dobře vodivá podložka
měřený povrch tělesa (a)
(b)
(c)
šroub přítlačný plech (d)
(f)
matka
(g) termočlánková sonda
(e)
Obr. 1.5: Způsoby měření povrchových teplot termočlánky Případy (d), (e) se používají, když je potřeba zesílit mechanické spojení čidla s povrchem. Způsob (d), kdy je kontakt čidla vytvořen k povrchu přibodovaným tenkým přítlačným plechem, se používá při laboratorních experimentech pro malé průměry termočlánků. Naopak způsob (e) - přichycení pomocí šroubu a k povrchu navařené matky se používá u velkých průměrů termočlánků při měření velkých obrobků nebo výkovků. Často je potřeba zabezpečit, aby měřený povrch nebyl umístěním termočlánku nebo jeho vedení ovlivněn. V tom případě je možné k měřenému povrchu čidlo přivést z druhé strany měřeného tělesa přímo otvorem jen pro termočlánek (f) nebo větší sondou ze stejného materiálu jako těleso v níž je termočlánek u povrchu veden rovnoběžně tj. ve směru izoterm (g). Příkladem přístroje pro kontaktní měření teploty je digitální teploměr ukázaný na Obr.1.6. Slouží ke kontaktnímu měření teplot látek pevných, sypkých i kapalných. 15
Součástí příslušenství přístroje je přepínač měřicích sond, ke kterému lze připojit až 3 různé snímače teploty. Přístroj se zapíná tlačítkem I/O. Přepínačem se zvolí senzor, jehož teplota se zobrazuje na displeji. neplášťovaný termočlánek přepínač sond
měřená teplota
termočlánková dotyková sonda
plášťovaný termočlánek
Obr.1.6: Digitální teploměr Technoterm 9500 1.4.2 Bezkontaktní měření povrchové teploty Bezkontaktní měření povrchové teploty je založeno na snímání intenzity infračerveného záření z měřeného povrchu. Vyzařovaná energie je čočkami zaostřena na detektor. Podle toho, jak se detektor zahřívá, generuje elektrické signály, které se po zesílení přivádějí do vyhodnocovacích obvodů teploměru. Programové vybavení teploměru poté vypočte teplotu objektu. Jedním z takových přístrojů pro bezdotykové měření povrchové teploty je ruční infračervený teploměr, který je ukázán na Obr.1.7. Jeho technické parametry jsou Měřicí rozsah Měřicí vzdálenost Nastavitelná emisivita Plynulé měření Doba odezvy Provozní teplota okolí Poměr vzdálenosti objektu a velikosti zorného pole Přesnost měření (při tepl. okolí 24°C a emisivitě 0,95 a vyšší) Termočlánkový vstup (konektor SMP) Přesnost term. vstupu Doba odezvy pro termočlánek 16
-18 … 538°C 132 mm … 30 m 0,1 … 1,00 s krokem 0,01 4 krát za sekundu 0,25 sekundy 0°C … 50°C 10:1 2% měřené hodnoty, min 1,67°C typ "K", -18°C … 871°C 3°C (při teplotě okolí 24°C) 2 sekundy
měřený objekt analogový výstup optický pyrometr laserové zaměřování zorný úhel
měřený objekt zorné pole
zorné pole
zorné pole měřený objekt
termočlánkový vstup správně
vzdálenost
špatně
(a)
(a)
(b) .
Obr.1.7: Optický pyrometr OMEGASCOPE OS532 - (a) schéma měření, - (b) celý přístroj, - (c) detail ovládání Měření teploty se po zaměření na cíl provádí stiskem spouště pyrometru. Základním předpokladem pro správné vyhodnocení měřené povrchové teploty pyrometrem je nastavení hodnoty emisivity, která vyjadřuje vztah mezi intenzitou záření absolutně černého tělesa při dané teplotě a intenzitou záření měřeného povrchu. Nesprávně nastavená hodnota emisivity může způsobit chybu měření desítky i stovky procent měřené teploty. Skutečná hodnota emisivity měřeného povrchu se proto před vlastním měřením například určí tak, aby pyrometrem měřená teplota povrchu odpovídala teplotě měřené kontaktním způsobem neplášťovaným termočlánkem. Emisivita se na pyrometru nastavuje pomocí kláves ∆, ∇ . 17
Protože pyrometr snímá tepelné záření z určitého zorného pole, jehož velikost závisí na vzdálenosti měřeného objektu, musí měřený povrch objektu zaplňovat celé toto zorné pole. 1.4.3 Pracoviště měření povrchové teploty Kontaktní a bezkontaktní způsob měření povrchové teploty je prakticky ukázán na laboratorním experimentu měření povrchové teploty. Celkové uspořádání úlohy je na Obr. 1.8. Měřený vzorek je tepelně izolován s výjimkou středu horního povrchu, který se ohřívá horkovzdušnou pistolí umístěnou na stojanu nad vzorkem. Experiment začíná ohřevem vzorku pomocí horkovzdušné pistole. Dosažení požadované teploty, při které je ohřev ukončen, je zjišťováno měřením pomocí neplášťovaného termočlánku, který je přibodován ke spodnímu povrchu vzorku. Povrchová teplota vzorku se měří při chladnutí dotykovým teploměrem třemi různými sondami. Neplášťovaný termočlánek měří teplotu spodního povrchu vzorku. Teplota horního povrchu vzorku se měří plášťovaným termočlánkem a dotykovou sondou. Schéma zapojení dotykového teploměru je na Obr. 1.8. Bezdotykově je měřena teplota horního povrchu vzorku radiačním pyrometrem. Z pohledu měření povrchové teploty je nejpřesnější termočlánková dotyková sonda, u které lze přítlačnou silou zabezpečit dobrý kontakt s povrchem, navíc vlastní termočlánek v místě dotyku je velice tenký s malou časovou konstantou. Naopak nejnevhodnější je použití sondy plášťovaného termočlánku, u které nelze zabezpečit dobrý tepelný kontakt s měřeným povrchem. Bezdotykové měření je poměrně přesné, pokud je známa hodnota emisivity měřeného povrchu. 1.4.4 Postup měření Seznámení - seznámit se s kontaktním a bezkontaktním způsobem měření teploty - připravit pracoviště měření povrchové teploty Měření emisivity a povrchové teploty ocelového plechu - ohřát ocelový plech pomocí horkovzdušné pistole na teplotu 200°C - změřit povrchovou teplotu neplášťovaným termočlánkem - zjistit optickým pyrometrem emisivitu ocelového plechu na několika místech - dohřát ocelový plech na 200°C - střídavě v časovém intervalu 0,5 min měřit povrchovou teplotu neplášťovaným přibodovaným termočlánkem, dotykovou sondou, plášťovaným termočlánkem a pyrometrem (nastavena zjištěná emisivita) po dobu 25 min chladnutí. Údaje se zaznamenávají do Tab. 1.4 . Zpracování naměřených dat - vykreslit naměřené teplotní průběhy (neplášťovaný termočlánek, dotyková sonda, plášťovaný termočlánek, pyrometr) do jednoho grafu 18
- porovnat jednotlivé teplotní průběhy z hlediska způsobu jejich měření - diskutovat vhodnost jednotlivých způsobů měření povrchové teploty z pohledu přesnosti. neplášťovaný termočlánek přepínač sond
stopky
měřená teplota
220V horkovzdušná pistole
radiační pyrometr
termočlánková dotyková sonda plášťovaný termočlánek
regulace topení vzorek
tepelná izolace
(ohřev)
(měření) (a)
(b) Obr. 1.8: Pracoviště měření povrchové teploty
19
Tab. 1.4: Formulář pro záznam měřených teplot čas (min) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 12 0
termočlánek přibodovaný x x x x x x x x x x x x x x x x x x
teplota (°C) dotyková sonda x x x x x x x x x x x x x x x x x x
termočlánek plášťovaný x x
pyrometr
x x x x x x x x x x x x x x x
x x x x x x x x x x x x x x x x x x
x
....
1.5 MODELOVÉ MĚŘENÍ TEPLOTY UVNITŘ TĚLES 1.5.1 Měření teplot uvnitř těles
Pro měření teplot uvnitř těles platí stejné zásady jako pro měření povrchové teploty. Velikost a typ termočlánku musí být zvoleny s ohledem na rozměry měřeného tělesa, rychlost a teplotní rozsah měřeného procesu. Teplotní pole v měřeném tělese nesmí být umístěním termočlánků ovlivněno. Termočlánek musí mít dobrý kontakt a měřicí konec veden přibližně ve směru izotermy. Navíc oproti měření povrchové teploty je třeba zabezpečit polohu měřicího konce termočlánku během měření tj. obvykle hloubku od ohřívaného nebo ochlazovaného povrchu. Jedním z řešení je použití termočlánkové sondy ukázané na Obr. 1.9. Sonda je válcového tvaru. Vyplňuje těsně otvor v měřeném tělese a protože je vyrobena ze stejného materiálu, zůstává měřené teplotní pole téměř neovlivněno. Dobrý a stálý kontakt měřicího konce termočlánku je zajištěn ohybem termočlánkového vedení v sondě. Termočlánky jsou od měřicích konců vyvedeny rovnoběžně s 20
povrchem tj. podél izoterm při ohřevu i chladnutí. Z tělesa je termočlánkové vedení vyvedeno drážkou vyfrézovanou po délce sondy. Pevné uchycení termočlánku v sondě zabraňuje jeho pohybu ve směru kolmém k povrchu při vkládání sondy i měření. Tím zabezpečena i přesná hloubka měřicího místa od povrchu.
sonda s termočlánkem
měřené těleso
Obr. 1.9: Termočlánková sonda pro měření teploty uvnitř tělesa 1.5.2 Modulární měřicí systém
Modulární měřicí systém je složen z jednotlivých modulů, které zabezpečují měření a komunikaci s řídicím počítačem. Měřicí moduly jsou umístěny co nejblíže senzorům teploty a slouží jako převodníky analogového signálu napětí termočlánku na digitální. Sběr dat je potom centrálně řízen datovou linkou z řídicího počítače. Příkladem takového měřicího systému je systém složený z modulů ADAM fy Advantech. Moduly ADAM představují inteligentní rozhraní mezi čidlem a počítačem. Obsahují zabudovaný mikroprocesor. Jsou řízeny jednoduchou sadou příkazů v ASCII formátu protokolu RS-485. Jednotlivé moduly lze použít jako různé A/D a D/A převodníky pro sběr a zpracování dat. Moduly neobsahují žádné mechanické přepínače nastavení parametrů. Všechny konfigurační parametry (I/O adresa, rychlost, parita, HI a LO alarm, apod.) se nastavují dálkově prostřednictvím dodávaného softwaru nebo prostřednictvím definovaných instrukcí. Konfigurační a kalibrační parametry se ukládají do paměti EEPROM, kde jsou zaznamenány i po odpojení od napájení. Moduly jsou navrženy pro provoz se standardním napájením 24 V DC. Může být však použito i neregulované napájení v rozsahu +10 až +30 V DC s jistými omezeními.
21
měřená teplota
220V COM
řídicí počítač 4 3 2 1 0
RS232
měřicí modul
komunikační modul
RS485
5 6+
datová linka napájení 12V DC
7+
(a)
(b)
Obr.1.10: Distribuovaný měřicí systém ADAM - (a) schématické uspořádání, - (b) zapojení měřicího a komunikačního modulu
Moduly mohou být připojeny a mohou komunikovat se všemi počítači a terminály. Používají přenosový standard RS-485 a příkazy jsou v ASCII formátu. Sada příkazů pro každý modul obsahuje přibližně deset různých příkazů. Protože se všechna komunikace do modulu i z modulu odehrává v ASCII, lze řízení modulů programovat i ve vyšších programovacích jazycích. Základem softwarového řízení modulů ADAM je programové vybavení pro komunikaci přes COM port řídícího počítače. Vytvořený software umožňuje řídit přístup na port, zaslat instrukci a přečíst odpověď jako textový řetězec. Moduly lze sdružovat do sítě RS-485 a v ní adresovat v řadě až 256 modulů (větvení a použití více modulů lze dosáhnou zapojením modulu ADAM RS-485 REPEATER). Přenos dat vyžaduje pouze dva vodiče DATA+ a DATA- obvykle realizované stíněným zkrouceným párem drátů. Maximální komunikační vzdálenost je 1200 m. Síť modulů ADAM se prostřednictvím modulu ADAM RS232/RS-485 CONVERTER připojí přes COM port k počítači. Moduly jsou dodávány s vnějším krytem z tvrzeného plastu. Protože všechna konfigurace je softwarová, modul je vyráběn jako nerozebiratelný. To podstatně zvyšuje odolnost proti korozi, vlhkosti a vibracím. Lze je provozovat při teplotách od 0 do 70 °C a ve vlhkostech od 0 do 95 % (nekondenzující). Způsob zapojení je ukázán na Obr.1.10. 22
termočlánek
čidlo studeného konce TC
multiplex oddělovací zesilovač 16 bit A/D převodník filtr 10 Hz optické oddělení
EEPROM
mikroprocesor RS-485 DATA +
DATA -
(a)
(b)
Obr. 1.11: Modul ADAM4018 - (a) schématické uspořádání, - (b) foto
K měření teploty se používá ADAM 4018M 8-channel Analog Input Module. Je to 16 bitový, 8 kanálový analogový vstupní modul s následujícími parametry: Počet kanálů Vstup napětí: teplota: Výstup rychlost(bps) max. vzdálenost Izolační napětí Vzorkovací frekvence Napájení Příkon
8 z toho 6 diferenčních ±15mV, ±50mV, ±100mV, ±500mV, ±1V, ±2.5V termočlánky typů J, K, T, E, R, S, B. RS-485 (dvouvodič) 1200, 2400, 4800, 9600, 19.2K, 38.4K 1200 m 500 VDC 10 vzorků/s (celková) + 10 až + 30 VDC neregulované 1.8 W
Vnitřní uspořádání je ukázáno na Obr. 1.11.
23
Obr.1.12: Ovládací panel softwaru pro měření v připojeném režimu
Ovládací panel softwaru pro měření v připojeném režimu je ukázán na Obr.1.12. Inicializace Pro inicializaci měřícího systému je potřeba připojit moduly ADAM k napájení a datovou linku připojit na některý z COM portů řídícího počítače. Stisknutím tlačítka Inicializace se provede softwarová kontrola propojení. Nastavení Tlačítkem Parametry se provede zápis zvolených parametrů modulu ADAM do jeho paměti. Tlačítkem Kanály se v modulu ADAM aktivují zvolené vstupní kanály. Ke každému kanálu je možné dopsat charakteristiku příslušného měřícího místa, která se zapíše do výstupního souboru, kam jsou zaznamenávány měřené hodnoty a nastavené parametry měření. Monitor Tlačítkem ON se spustí zobrazování měřených hodnot se zvolenou vzorkovací periodou v ms. Tlačítkem OFF lze zobrazování přerušit, což je vhodné učinit při nastavování parametrů měření do paměti modulu ADAM. Monitorované hodnoty se nezapisují do záznamového souboru ! Záznam Tlačítkem Start se zahájí záznam měřených hodnot do souboru. Záznam probíhá se zvolenou periodou vzorkování, kterou je možné změnit tlačítkem Změna. V okně se zobrazují časy zahájení měření a záznamu posledního vzorku, aktuální denní čas, doba měření a doba od záznamu posledního vzorku. Zobrazen je také údaj o
24
počtu zaznamenaných vzorků (vzorkem je zde míněn údaj všech zvolených kanálů v jednom časovém okamžiku). Záznam lze přerušit tlačítkem Stop. Zaznamenané hodnoty lze také prohlížet v grafické podobě při volbě 9Graf. Obsah záznamového souboru je možné prohlížet při volbě 9Soubor, která otevře samostatné okno s aktuálním obsahem záznamového souboru. 1.5.3 Model ohřevu tělesa
Celkové uspořádání úlohy je na Obr. 1.13. Ohřívané těleso představuje ocelový plech (šířka 20 mm, tloušťka 1.5 mm), jehož jeden konec představuje ohřívaný termočlánky TC 08
pájecí hlavice model ohřívaného tělesa
TC 01 modelové těleso
měřicí systém
TC 02
TC 01-08
TC 03 měřicí modul
TC 04 regulace teploty pájky
komunikační modul měřená teplota
TC 05 chladicí kapalina
závaží TC 06
řídicí počítač
TC 07
datová a napájecí linka napájení
220V
220V
(a)
(b)
(c)
.
Obr. 1.13: Pracoviště modelového měření teploty uvnitř tělesa - (a) schématické uspořádání, - (b) ovládací panel bodové pájky, - (c) detail modelu tělesa
25
povrch tělesa a druhý konec vodou ochlazovaný povrch. Na ohřívaném povrchu tělesa je připevněna pájka působící jako zdroj tepla. Teplota pájecí hlavice se nastavuje pomocí termostatu na ovládacím panelu pájky. Druhý modelový povrch tělesa je umístěn do nádobky s vodou a ochlazován. Uvnitř modelového tělesa je umístěno celkem 6 neplášťovaných termočlánků Ni-NiCr. Jednotlivé termočlánky jsou umístěny s rostoucí hloubkou od povrchu tělesa s krokem 20 mm, tj. 20, 40, 60, 80, 100 a 120 mm. Navíc je měřena teplota vodní lázně plášťovaným termočlánkem a teplota okolního vzduchu neplášťovaným termočlánkem. K měření a sběru dat se využívá distribuovaného měřicího systému složeného z modulů ADAM v připojeném režimu s ukládáním naměřených dat přímo do paměti řídicího počítače. 1.5.4 Postup měření Příprava modelu tělesa a měřicího systému - sestavení modelu tělesa - připevnění a kontrola všech termočlánků v hloubce modelového tělesa, ve vzduchu i ve vodě - připojení pájky k modelu - zapojení modulů ADAM a jejich připojení k počítači, spuštění ovládacího softwaru Měření ohřevu modelového tělesa - zahájit měření a ukládání hodnot v software pro moduly ADAM, vzorkovat s periodou 10 s - 5 min měření - zapnout pájku a naregulovat na 200°C - 10 min měření - přeregulovat pájku na 250°C - 10 min měření - přeregulovat pájku na 300°C - 10 min měření - vypnout pájku - 10 až 15 min měřit - ukončit měření 1.5.5 Postup vyhodnocení experimentu
Přehled veličin použitých v popisu vyhodnocení experimentu: T1, T2, T3, T4, T5 a T6 (K) - teploty uvnitř tělesa Tvoda (K) - teplota vody Tvzduch (K) - teplota vzduchu
26
Ri (K.s-1) qi (W.m-2) αvoda (W.m-2K-1) αvzduch (W.m-2K-1) qvzduch (W.m-2) qohřev (W.m-3)
- rychlost ohřevu (časová derivace teploty) - tepelný tok na plochu jednotlivými měřicími místy - součinitel přestupu tepla do vody - součinitel přestupu tepla do vzduchu - ztrátový tepelný tok do vzduchu - objemový tepelný tok na ohřev materiálu plechu
Tepelně-fyzikální vlastnosti plechu (ocel třídy 12) potřebné pro vyhodnocení: tepelná vodivost λ=50 W.m-1K-1, hustota ρ=7800 kg.m-3, měrná tepelná kapacita cp=450 J.kg-1K-1. přestup tepla do vzduchu 0
1
2
3
4
5
∆x
tepelný zdroj z pájky
6
voda přestup tepla do vody
Obr. 1.14: Schéma umístění měřicích míst na modelovém tělese Naměřené teploty Vykreslit grafy průběhů teplot v tělese T1, T2, T3, T4, T5 a T6 spolu s průběhem teplot ve vodě Tvoda a ve vzduchu Tvzduch v závislosti na čase. Rychlosti ohřevu a chladnutí Naměřené teploty T1 až Tvzduch diferencovat podle času Ri =
∆Ti ∆t
(1.1),
kde ∆Ti je změna teploty Ti za časový krok ∆t. Je možné použít dopřednou nebo zpětnou numerickou derivaci, tj. Ri =
Ti (ti +1 ) − Ti (ti ) T (t ) − Ti (ti −1 ) nebo Ri = i i . ti +1 − ti ti − ti −1
(1.2)
Vykreslit průběhy Ri v závislosti na čase. Tepelné toky Z naměřených teplot vyhodnotit tepelné toky qi = λ
Ti − Ti +1 pro i = 1, …, 5. ∆x
(1.3)
Tepelný tok q0 se vypočítá lineární extrapolací z tepelných toků q1 a q2 podle vztahů 27
q 0 − q 2 q1 − q 2 = 2 1
⇒ q0 = 2q1 − q2 .
(1.4)
Vykreslit průběhy tepelných toků qi v závislosti na čase.
q0 T0
q1 T1
q2 T2
q3 T3
∆x
q4
q5
T4
T5
T6
Obr. 1.15: Definice použitého označení tepelných toků Vyhodnocení povrchové teploty ohřívaného povrchu Neznámá povrchová teplota T0 se vypočítá z tepelného toku q0 vztahy q0 = λ
T0 − T1 ∆x
⇒ T0 = T1 +
q 0 ∆x . λ
(1.5)
Vykreslit průběhy teplot T0 až T6 v závislosti na čase. Součinitel přestupu tepla do vody Přestup tepla do vody je dán tepelným tokem q5 podle vztahu q5 = α voda (T6 − Tvoda ) ⇒ α voda =
q5 . T6 − Tvoda
(1.6)
Vykreslit do jednoho grafu průběh součinitele přestupu tepla do vody αvoda (pravá osa y) a tepelný tok q5 (levá osa y) v závislosti na čase. Vykreslit do dalšího grafu teploty T6, Tvoda, T6 – Tvoda v závislosti na čase. q5 T5
∆x
αvoda T6
Tvoda
Obr. 1.16: Definice použitého označení přestupu tepla do vody Součinitel přestupu tepla do vzduchu Pomocí již získaných hodnot lze vyhodnotit též ztrátový tepelný tok do vzduchu resp. součinitel přestupu tepla do vzduchu. (V případě předem známého nebo nulového ztrátového tepelného toku lze vyhodnotit tepelné materiálové vlastnosti
28
plechu – nebude prováděno.) Pro jednoduchost je následující postup ukázán pro měřicí místo 3. Tvzduch q2
qvzduch q3
T2
T3
T4
qohřev ∆x
Obr. 1.17: Definice použitého označení přestup tepla do vzduchu
Objemový tepelný tok na ohřev materiálu plechu je dán vztahem qohřev = ρ c p
∆T3 (kg .m −3 .Jkg −1 K −1.K .s −1 = Wm −3 ) . ∆t
(1.7)
q3
S
∆x
∆z ∆y
z
q2
x y
Obr. 1.18: Jednotkový objem pro výpočet tepelné bilance
Zákon zachování tepla v jednotkovém objemu podle Obr. 1.18 dává q2 S − q3 S − qohřev ∆x S − qvzduch (2∆y∆x + 2∆z∆x) = 0
qvzduch =
S (q2 − q3 − qohřev ∆x) q2 − q3 − qohřev ∆x ∆y∆z = ∆x ( ∆ y + ∆ z ) 2∆x(∆y + ∆z ) 2
(1.8)
(1.9)
Obdobně jako pro tepelný tok do vody lze tepelný tok do vzduchu zapsat výrazem 29
qvzduch = α vzduch (T3 − Tvzduch ) .
(1.10)
Po dosazení do rovnice tepelné bilance se dostane α vzduch =
q2 − q3 − qohřev ∆x ∆y∆z 1 ∆x(∆y + ∆z ) T3 − Tvzduch 2
(1.11)
Do jednoho grafu vykreslit tepelný tok qohřev, do dalšího grafu qvzduch, do dalšího grafu součinitel přestupu tepla do vzduchu αvzduch v závislosti na čase. Poslední graf bude obsahovat součinitel přestupu tepla do vzduchu αvzduch v závislosti na teplotě měřicího místa. Tento postup aplikovat pro další měřicí místa 2, 4 a 5. Výsledkem jsou 4 grafy - v každém grafu jedna vyhodnocovaná veličina pro všechna měřicí místa 2, 3, 4, a 5.
1.6 POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ PÍSEMNÉHO REFERÁTU A KONTROLNÍ OTÁZKY 1.6.1 Obsah referátu
V části zvolené metody zpracování stručně popsat: - postup výroby, kalibrace a povrchové montáže termočlánků, - experiment měření povrchové teploty - celkové uspořádání, měřicí systém a postup měření, - experiment měření teplot uvnitř těles - celkové uspořádání, měřicí systém, postup měření a zpracování naměřených teplot. V části výsledky a diskuse uvést: - výsledky kalibrace vyrobených termočlánků, - naměřená data z experimentu měření povrchové teploty a příčiny rozdílů mezi jednotlivými metodami měření, - naměřená data z experimentu měření objemové teploty, dále výsledky vyhodnocení - rychlosti ohřevu/chladnutí, tepelné toky, teplota ohřívaného povrchu, součinitel přestupu tepla do vody a vzduchu (podle postupu v 1.5.5) 1.6.2 Kontrolní otázky • Termočlánek - princip, druhy, označování, výroba a použití. • Proč je nutné před měřením provést kalibraci termočlánků a jak se provádí ?
30
• Problém kontaktního měření povrchové teploty. • Problém bezkontaktního měření povrchové teploty. • Jaké jsou zásady pro měření teplot uvnitř těles ? • Jakým způsobem probíhá měření teploty pomocí měřicího systému ADAM ? • Které veličiny charakterizují přenos tepla v materiálu a jak se mění jejich hodnoty při působení tepelného pulzu na jeho povrchu ?
31
32
2 TERMOVIZNÍ MĚŘENÍ TEPLOTNÍCH POLÍ Seznámení s termovizní kamerou. Měření statického teplotního pole člověka. Analýza termogramů. Počítačově řízený termovizní systém. Měření dynamického teplotního pole povrchu součásti při laboratorním tepelném zpracování. Vyhodnocení dynamického teplotního pole. Zpracování výsledků termovizních měření. Prezentace termovizních videosekvencí.Měření prostorového rozložení emisivity.
33
2.1 CÍL CVIČENÍ • Seznámit se s termovizní kamerou a měřením statického teplotního pole. Provést měření a analýzu termogramů člověka. • Seznámit se s počítačově řízenými termovizními systémy. Provést laboratorní experiment laboratorního tepelného zpracování modelové součásti. Termovizním systémem změřit dynamické teplotní pole povrchu součásti při chladnutí na vzduchu. Vyhodnotit zaznamenané dynamické teplotní pole. • Seznámit se s postupem zpracování výsledků termovizních měření. Vytvořit video dokument provedeného experimentu. • Seznámit se s postupem měření prostorového rozložení emisivity. Změřit emisivitu elektronického obvodu. 2.2 MĚŘENÍ STATICKÉHO TEPLOTNÍHO POLE 2.2.1 Termovizní měření teplotních polí
Infračervená termografie představuje zcela novou kvalitu v experimentální termomechanice. Pro měřicí techniku je po nástupu termografie zásadní změna v přechodu od měření lokálních teplot ke zjišťování teplotního pole jako výsledku měření v nekonečné množině měřicích míst. Z toho vyplývá i hlubší pohled na tepelné procesy a možnosti jejich tepelné a například i tepelně napjatostní analýzy. Termografie se používá k zobrazování teplotních polí zejména ve vědě, průmyslových, lékařských a vojenských aplikacích více jak 30 let. Ale během posledních deseti letech se však rychlost technologické změny v této oblasti zvyšuje exponenciálně. S vyšším technologickým rozvojem se dosahuje vyšší úrovně experimentu, snazšího používání a nižší ceny měřicího systému. K nejprogresivnějším metodám měření teplotních polí patří termovize. Její princip spočívá v bezkontaktním měření intenzity infračerveného záření termovizní kamerou. Její vstupní část tvoří vhodný infradetektor a výstupem je analogový a digitální obrazový signál. Důležitou součástí termovizní techniky jsou programové a technické prostředky pro digitalizaci, zpracování a transformaci obrazu teplotního pole. Poslední vývoj infrakamer vyúsťuje do dvou systémových typů. Za prvé v extrémně přesné a rychlé s rozsáhlým množstvím analytických možností, vhodných hlavně pro výzkumné účely. Za druhé na takové systémy, u nichž extrémní přesnost není nutná, ale vystupuje u nich jednoduchost použití. Příkladem využití termovize při snímání teplotního pole člověka je oblast lékařství. Řada fyziologických funkcí může být sledována z rozložení teploty na povrchu kůže získaného z infračerveného zobrazení. Lze detekovat abnormality nebo přenosové změny u některých fyziologických funkcí jako je rychlost proudění krve, objem krve v cévách a některé aktivity nervového systému. Často je termovize používána i k detekci přítomnosti nádoru měřením útlumu kožní teploty. 34
Ale nejen v lékařství lze nalézt výsledky výzkumu použití termovizního měření člověka. Pro účely záchranářství byly prováděny termovizní měření člověka vystaveného v určitých situacích extrémním podmínkám působení vysoké nebo naopak nízké teploty. Zvláštním případem je potom použití výsledků výzkumu termovizního měření lidského oka jako detektoru lži. 2.2.2 Termovizní kamera a příslušenství Infračervený kamerový systém ThermaCAM™ SC2000 (Obr. 2.1) měří vyzařované infračervené záření a zobrazuje ho ve formě teplotního pole povrchu měřeného objektu. Termovizní kamera je vybavena zabudovaným 24° objektivem, vyjímatelnou baterií a řadou příslušenství. Je to lehká ruční přenosná kamera odolná proti prachu a stříkající vodě, je testována na otřesy a vibrace a je vhodná k použití v terénu při nejnáročnějších podmínkách. Obraz (termogram) je možné sledovat v reálném čase v integrovaném hledáčku nebo na přídavném monitoru.
LCD monitor hledáček sluchátka baterie ruční ovládání
objektiv
PC karta mikrofon napájení a počítačové řízení
video výstup
Obr. 2.1: Termovizní kamera SC2000 Technická specifikace: Rozsah měřených teplot objektu: -40 až +2000 °C Přesnost měření: ± 2 % Teplotní citlivost: < 0.1 °C Zorné pole (H x V): 24° x 18° Typ detektoru: FPA, nechlazený mikrobolometr 320 x 240 pixelů Spektrální rozsah: 7.5 - 13 µm
35
Termogramy mohou být vyhodnocovány v terénu pomocí analyzujících funkcí měření v reálném čase, které jsou zabudovány do kamery. Pro dokumentaci měřeného objektu je možné obraz-termogram zachytit a zaznamenat na vyjímatelnou PC-kartu. Je možné rovněž uložit, s každým snímkem, zvukový komentář a/nebo textový komentář spolu s informacemi jako jsou např. identifikační data objektu, okolní podmínky atd. Zvukový komentář je zaznamenáván pomocí mikrofonu a sluchátka připojených ke kameře. Kamera se ovládá stiskem tlačítek Enter, Auto-adjust, Save, Clear a s použitím joysticku. Tlačítko Enter Stisknutí tlačítka vždy znamená pokračování, potvrzování či ukončení. Při stisku v normálním módu bude kamera uvedena do menu módu. Stisk v prostředí menu: • Aktivuje zvolenou funkci či příkaz ve výsuvných menu. • Potvrzuje a ukončuje vybrané volby. Tlačítko Auto-adjust (ozn.A) Stiskem A, je-li obraz v živém módu, kamera automaticky upraví teplotní rozmezí a úroveň a rovněž upraví paletu barev pro nejlepší kontrast ve všech částech záběru. Tlačítko Save (ozn.S) Krátkým stiskem je možné přecházet mezi zastaveným a živým, tj. pohyblivým záběrem. Obraz je možné uložit stisknutím tohoto tlačítka na dobu jedné sekundy, a to než se objeví souborové jméno ukládaného snímku v místě hlášení aktuálního stavu, např. Uložení G0101-00. Tlačítko Clear (ozn.C) Vymazává, ukončuje nebo ruší cokoliv bez jakékoliv změny. V módu menu bude kamera po jeho stisku přepnuta do normálního módu. V normálním módu (ostření / zoom ) aktivuje speciální funkce. V době, kdy je stisknuto tlačítko C, potom se pomocí joysticku nastavuje level/ úroveň (nahoru/dolů) a span/rozmezí (vlevo/vpravo) Zelené tlačítko (ON/OFF) Jedním stisknutím se zapíná kamera. Delším držením stisknutého tlačítka (déle než 2 sekundy) se kamera vypne. Joystick může být vychýlen do čtyř směrů: doprava, doleva, nahoru a dolů. V menu módu provádí volbu položek v menu a pohyb analyzujících funkcí po obrazovce. V normálním módu pohyb vlevo/vpravo ovládá zoom, nahoru/dolů ovládá zaostřování.
36
PC-karta z kamery se záznamy termogramů se vkládá do počítače. Pomocí softwaru jako např. ThermaCam Reporter mohou být termogramy nejen zobrazeny a vyhodnocovány, ale může být přehráván i zvukový záznam. ThermaCAM™ REPORTER je software pro infračervenou termografickou diagnostiku, pomocí kterého je možné velmi rychle psát technické zprávy. Program byl zpracován pro ulehčení postupů při psaní technických zpráv - šetří čas uživatele a zkracuje čas od měření do zpracování zprávy. Tento software byl navržen s přihlédnutím k termovizním diagnostickým měření vykonávaných v terénu, kde jsou dostupná všechna důležitá data a je nutné učinit předběžné rozhodnutí o pravděpodobné závadě nebo o anomálním stavu zařízení. Při tomto záměru musíme snadno získat data z měření - nastavené a naměřené hodnoty, které jsou uloženy v souborech termogramů a především je automaticky přenést do zprávy. Díky možnosti zvukového záznamu - komentáře, které má kamera ThermaCAM™ SC2000 včetně možnosti jeho přehrání v prostředí ThermaCAM™ Reporter, je možné data zaznamenávat, přehrávat a nově nahrávat (přemazávat). Při použití funkce Wizard a šablon, lze zpracovávat prakticky denní měření snadno a rychle. Pokud je nezbytný další termografický rozbor, má ThermaCAM™ Reporter také řadu dalších funkcí pro teplotní analýzu zaznamenaných termogramů. Vložení termogramu nebo fotografie Vložení se provádí kliknutím levého tlačítka myši na IR Image Tool nebo Photo Tool na svislé liště a zvolením místa, kam má být termogram nebo fotografie vložena. Propojení se souborem se vytváří prostřednictvím dialogu Open… po kliknutí pravým tlačítkem myši na oblast termogramu nebo fotografie. Analýza termogramu V pravé části vodorovné lišty jsou umístěna tlačítka pro vložení bodové, čárové a plošné analýzy do termogramu. Kliknutím levého tlačítka myši se zvolí druh analýzy, dalším klikem nad termogramem se analýza položí na zvolené místo v termogramu. Vyjmutí analýzy se provádí pomocí poslední ikony Remove a následným kliknutím na analýzu v termogramu. Do zprávy se dále vkládají nástroje pro zobrazení výsledků analýz. Mají formu tabulky, profilu čáry a histogramu plochy pro zobrazení výsledků rozložení teploty a dále trendu pro zobrazení časového průběhu teploty. Propojení na příslušný termogram, který je již vložen do zprávy, se zadává při vložení nástroje ze svislé lišty. Propojení lze měnit pomocí volby Connect… po kliknutí pravým tlačítkem myši na vložený nástroj. Nastavení parametrů nástrojů lze provádět prostřednictvím volby Settings… rovněž po kliknutí pravým tlačítkem myši na vložený nástroj.
37
Export zprávy Vytvořené zprávy lze ukládat do souboru, tisknout nebo z prostředí programu přímo odesílat e-mailem.
Obr. 2.2: Okno softwaru ThermaCam Reporter při vyhodnocení statického termogramu obličeje 2.2.3 Videokamera a příslušenství
Termovizní zobrazení je vhodné doplňovat obrazem měřeného předmětu ve viditelném spektru. K tomuto účelu slouží digitální videokamera (Obr. 2.3), kterou je možné používat ve třech režimech - jako fotoaparát, kameru nebo videorekordér.
38
LCD monitor hledáček baterie videokazeta Memory Stick
ruční ovládání
napájení 220V
objektiv audio/video výstup
USB
S-video výstup
i.LINK
Obr. 2.3: Digitální kamkordér SONY TRV830E Fotografování Přepínač POWER se přepne do polohy MEMORY. Tím se z videokamery stane digitální fotoaparát. Lehkým stiskem a podržením PHOTO se obraz zaostří a nastaví se jas. Zelená značka přestane blikat a rozsvítí se. Snímek se však dosud nezačal ukládat. Úplným stiskem PHOTO se obraz, který je vidět na obrazovce, začne ukládat do paměti Memory Stick. Jakmile zhasne indikátor tvořený řadou proužků, je ukládání obrazových dat do paměti ukončeno Videozáznam Přepínač POWER se přepne do polohy CAMERA. Potom přístroj pracuje jako videokamera. Nahrávání se zahájí stisknutím tlačítka START/STOP (tlačítko s červenou tečkou). Na obrazovce se objeví indikátor REC. Nahrávání se ukončí dalším stiskem tlačítka START/STOP. Zaostření a transfokace Zaostření kamera provádí automaticky. Ruční ostření lze provádět po přepnutí FOCUS z polohy AUTO do polohy MANUAL. Transfokace (Zoom) se provádí ovladačem WT. Posun na stranu T zobrazovaný předmět přiblíží, posun na stranu W předmět vzdálí. Počítačové ovládání - přenos fotografií a videa do souborů Fotografie uložené v paměti Memory Stick lze přenášet přímo do počítače. Po připojení přes USB se v režimu MEMORY kamera chová jako externí disk. Soubory s fotografiemi je možné z příslušného adresáře kopírovat a vymazat. Pro přenos videa z pásku do počítače se využívá propojení i.Link. V režimu VCR lze pomocí softwaru miro VIDEO DVTools ovládat kameru z počítače. Pro převod videa z pásku do souboru lze využít buď funkce Tools | DV Device Control | LiveCapture s ručním výběrem začátku a konce anebo funkce Scan DV Tape, která
39
nejdříve vyhledá všechny na kazetě zaznamenané klipy a poté umožní uložení vybraných klipů do souborů na disk počítače. 2.2.4 Měření teplotního pole člověka
Měřicí systém tvoří termovizní kamera a videokamera, které jsou umístěny na stativu. Termovizní kamerou se pořizují statické termogramy měřené osoby - obraz v infračerveném spektru. Videokamera slouží jako fotoaparát k pořízení fotografií měřené osoby - obraz ve viditelném spektru.
Obr. 2.4: Termogram lidského obličeje a ruky
Měřeným objektem jsou hlava a ruka člověka, tak jak jsou ukázány na Obr. 2.4 2.2.5 Postup laboratorního měření Příprava měřicího systému - na stativ umístit termovizní kameru a videokameru - seznámit se s ovládáním obou kamer
40
Snímání videokamerou a termovizní kamerou - pořídit termogram hlavy ze předu a z profilu - vyfotografovat hlavu ze předu a z profilu - pořídit termogram pravé ruky z obou stran - vyfotografovat pravou ruku z obou stran Export - videokameru připojit k počítači a přenést soubory s fotografiemi - vyjmout PC kartu z termovizní kamery, vložit do počítače a přenést termogramy Konec měření - obě kamery umístit zpět na stativ pro další část cvičení 2.2.6 Vyhodnocení statického teplotního pole
V prostředí programu ThermaCam Reporter je připravena vzorová zpráva o termovizní identifikaci osoby. Po uložení pod jiným jménem se provede vložení příslušných termogramů, fotografií a jejich analýz. Na úvodní stránce se do připraveného formuláře vyplní identifikační údaje osoby (jméno, příjmení apod.). Druhá stránka obsahuje analýzu hlavy. Vloží se termogram a foto hlavy zepředu a z profilu. Do termogramu hlavy zepředu se kolem obličeje vloží obdélníková analýza, která je propojena na tabulku s hodnotami maximální, minimální, průměrné teploty a směrodatné odchylky a na histogram četností teplot v rozmezí 25 až 37 °C. Na špičku nosu se potom vloží bodová analýza rovněž propojená s tabulkou. Do termogramu hlavy z profilu se vloží dvě čárové analýzy svislá a vodorovná. Obě jsou propojeny s tabulkou, kde jsou zobrazeny maximální a minimální teploty. V připojeném grafu jsou potom ukázána rozložení teploty podél čáry. Třetí stránka zprávy je zaměřena na hodnocení teplotního pole pravé ruky. Do termogramu dlaně ruky se vloží kruhová analýza dlaně a bodová analýza teploty ukazováčku. Do termogramu hřbetu ruky se vloží vodorovná a svislá čárová analýza. Podobně jako u hlavy je i zde vytvořeno propojení na tabulky a grafy s výsledky analýz.
2.3 MĚŘENÍ DYNAMICKÉHO TEPLOTNÍHO POLE 2.3.1 Dynamické teplotní pole
Některé termovizní systémy nabízejí i možnost měření časového průběhu povrchového rozložení teploty. Příkladem použití měření dynamického teplotního pole jsou technologie tepelného zpracování odlitků nebo obrobků, kde dochází k různě rychlému chladnutí na různých místech členitého povrchu součásti při 41
vytažení z pece (viz.Obr. 2.5) a převozu ke kalicí nádrži nebo ke zpětnému ohřevu povrchu součásti po vytažení z kalicí lázně. Termovizní zobrazení lze při něm také využít ke sledování procesů proudění tekutiny na hladině v kalicí nádrži (viz.Obr. 2.6), které jsou odrazem pod hladinou probíhajících procesů přenosu tepla z ochlazovaného povrchu do tekutiny.
Obr. 2.5: Vytažení součásti na jeřábovém závěsu z pece
Obr. 2.6: Hladina oleje v kalicí nádrži při chlazení součásti 2.3.2 Termovizní systém řízený počítačem
Pro termovizní měření dynamických teplotních polí se používají termovizní systémy v propojení s počítačem, který slouží k ovládání kamery a především záznamu velkého množství dat přímo na pevný disk pro další zpracování. Termovizní systém používaný k provozním měřením je ukázán na Obr. 2.7. Termovizní kamera je umístěna na stativu, na kterém je i řídicí počítač. Kamera je 42
s počítačem propojena přes PCMCIA kartu a komunikační modul, do něhož je připojeno i napájení 220V. Při bateriovém provozu je termovizní kamera spojena s počítačem přímo.
termovizní kamera
stativ
220V
řídicí počítač
PCMCIA karta
220V
Obr. 2.7: Počítačem řízený termovizní systém - uspořádání pro záznam 5 Hz
Toto uspořádání umožňuje zaznamenávat termogramy na harddisk frekvencí až 5Hz. Limitující je zde datová propustnost připojení kamery k počítači, protože kamera pracuje s frekvencí 50Hz. Uspořádání, které dovoluje až 50 Hz záznam teplotního pole je ukázáno na Obr. 2.8 a používá se zejména pro laboratorní měření. Datové toky ovládání kamery a měřených dat jsou rozděleny. K ovládání kamery se používá protokolu RS232 zatímco pro data se využívá RS422. Mezi počítač a kameru je proto vložen komunikační modul, ke kterému je připojeno napájení a volitelně i externí spoušť dovolující řídit záznam na základě externího signálu. Softwarově jsou obě konfigurace termovizního systému řízeny programem ThermaCAM™ RESEARCHER, který byl vytvořen pro využití ve výzkumných aplikacích, kde je zapotřebí detailní tepelné analýzy dynamických dějů. Program umožňuje řídit termovizní kameru přímo z počítače včetně vysokorychlostního záznamu dat. Nabízí rozsáhlé možnosti analýzy statických i dynamických termogramů.
43
termovizní kamera externí spoušť
stativ
data
RS422
PC monitor
napájení RS232
ovládání kamery 220V
220V
220V
Obr. 2.8: Počítačem řízený termovizní systém - uspořádání pro záznam 50 Hz
Software obsahuje velké množství funkcí pro rychlé a rozsáhlé teplotní analýzy včetně izoterm, bodových měření, čárových profilů a plošných histogramů. Všechny tyto nástroje analýzy dovolují nezávislé nastavení emisivity a vzdálenostních parametrů. Program dovoluje uživateli snadno nastavit různé možnosti analýz a přizpůsobit si pracovní plochu. Dále lze využít automatického nastavení pro pořízení nejlepšího obrazu, uživatelsky definovat záznamové podmínky, editovat sekvence termogramů, přizpůsobit si měřicí nástroje atd. ThermaCAM™ RESEARCHER programově zabezpečuje propojení kamery s řídicím počítačem. Díky tomuto propojení lze provádět teplotní analýzy a statistiky v reálném čase. Uložené sekvence termogramů lze později přehrávat, analyzovat a dále konvertovat např. do AVI souborů, přičemž každý zaznamenaný termogram obsahuje všechna data o nastavení termovizního systému v čase pořízení termogramu: kalibrační data, datum, čas, typ kamery, podmínky měření, nastavení kamery, apod. Ovládací panel softwaru je ukázán na Obr. 2.9.
44
Obr. 2.9: Okno softwaru ThermaCam Researcher při vyhodnocení laboratorního měření chladnutí rotoru Připojení kamery Kamera se připojí volbou v menu Camera | Connect. Po propojení se zobrazí ovládací panel kamery. Na něm lze nastavit rozsah měřených teplot, zaostřit obraz a nastavit parametry záznamu. Záznam termogramů Parametry záznamu se nastavují v záložce REC ovládacího panelu kamery po stisku vpravo umístěného tlačítka Set Recording Conditions či volbou v menu Recording | Conditions. Je třeba nastavit umístění zaznamenávaných termogramů a rychlost záznamu. Pokud není nastaveno jinak, záznam se zahajuje a ukončuje stiskem klávesy F5. Analýza teplotního pole Vlevo na svislé liště jsou umístěna tlačítka pro vložení bodové, čárové a plošné analýzy do termogramu: - The spot meter tool (Měřící bod) – ukazuje teplotu ve zvoleném místě termogramu.
45
- The line tool (Čára) – ukazuje minimální, maximální a průměrnou teplotu a směrodatnou odchylku teploty podél rovné či zakřivené úsečky. Ke každé nakreslené čáře lze zobrazit teplotní profil či rozložení teplot (histogram). - The area tool (Oblast) – zobrazuje maximální, minimální, průměrnou teplotu a směrodatnou odchylku teploty ve vybrané 2D části termogramu. Oblast může být kruhová, obdélníková, polygonální. Pro každou oblast je možné zobrazit rozložení teplot (histogram). - The isotherm tool (Izoterma) – zvýrazní všechny oblasti termogramu, kde je vyzařování z povrchu zkoumaného tělesa stejné nebo ve zvoleném rozsahu. Ve skutečnosti se jedná o izotermu jen v případě, kdy je emisivita konstantní v celém obrazu. - The formula tool – slouží k editaci uživatelských vzorců. Volbou v menu Image | Settings lze v záložce Object Parameters nastavit parametry zkoumaného objektu a v záložce Analyses vlastnosti jednotlivých analýz. Přepínáním mezi záložkami v dolní části pracovního okna lze zobrazovat doplňkové informace k termogramu. Časový průběh teploty povrchu a export do souborů Tlačítkem Add Plot Function se vyberou hodnoty jednotlivých analýz, jejichž časový průběh chceme zobrazit. Pomocí posuvníku Image Slider či tlačítek +, - se vybere pozice, od které se začne přehrávat záznam. Stiskem tlačítka Play se spustí přehrávání a vykreslování časového průběhu zvolených hodnot. Vykreslování se aktivuje / deaktivuje stiskem tlačítek Start Plotting / Stop Plotting. Časový průběh hodnoty zvolené veličiny lze uložit do souboru stiskem pravého tlačítka myši v řádce popisu dané hodnoty a volbou Save. Export termovidea Pomocí tlačítek Set Selection Start a Set Selection End se vybere sekvence termogramů, která má být exportována. Volbou v menu Recording | Copy Selection se sekvence uloží do souboru zvoleného formátu. 2.3.3 Měření při laboratorním tepelném zpracování
Předmětem cvičení je laboratorní měření dynamického teplotního pole povrchu rotoru při modelovém tepelném zpracování. Rotor se ohřívá na požadovanou teplotu v elektrické peci, která je součástí kalibrátoru teplotních čidel. Teplota uvnitř a okolního prostředí je měřena termočlánky vyvedenými k měřicímu systému složenému z modulů ADAM. Po prohřátí součásti na požadované teplotě následuje vytažení z pece a chladnutí na vzduchu. Termovizním systémem je měřeno teplotní pole povrchu rotoru. Současně je nahráván videozáznam experimentu. Pracoviště je ukázáno na Obr. 2.10.
46
TC 01 komunikační modul termokamera (CHLADNUTÍ)
napájení měřené těleso
kalibrátor teplotních čidel
videokamera 220V 220V
TC 01
napájení
stativ
(OHŘEV) TC 01 220V regulace teploty
měřicí modul
měřené rozložení teploty
komunikační modul
řídicí počítač
datová a napájecí linka
220V napájení
220V
Obr. 2.10: Schématické uspořádání experimentu
47
2.3.4 Postup termovizního měření chladnutí součásti Příprava - připravit modelové pracoviště tepelného zpracování - zapojit a vyzkoušet termovizní systém - zapojit a vyzkoušet termočlánkový měřicí systém Zkušební měření za studena - vyzkoušet manipulaci s rotorem a průběh experimentu za studena Měření chladnutí z teploty 400ºC - zahájit termočlánkové měření - zapnout ohřev pece a nastavit požadovanou teplotu na 400ºC - sledovat dosažení teploty 400ºC v ose rotoru - zapnout termovizní měření - vytáhnout rotor z pece a pec přeregulovat na 100ºC - sledovat průběh chladnutí - po 4 minutách chladnutí vložit rotor zpět do pece - ukončit měření termovizním a termočlánkovým systémem Ukončení experimentu - pec přeregulovat na 30ºC, po vychlazení vypnout - zkontrolovat úspěšnost termočlánkového, termovizního a video záznamu - vypnout termovizní a termočlánkový měřicí systém - uklidit pracoviště 2.3.5 Vyhodnocení dynamického teplotního pole
Do zprávy o měření se vloží grafy naměřených teplot termočlánky doplněné o časový popis průběhu experimentu. Termovizní záznam se načte do prostředí programu ThermaCam Researcher, kde se provede analýza dynamického teplotního pole povrchu rotoru. Prvním krokem je vykreslení rozložení teploty v časech 5, 10, 30, 60, 120 a 240 s po vytažení z pece. Všechna teplotní pole se exportují s jednotnou teplotní škálou a hodnotou emisivity 0,9. Označí se celý průběh termovizního záznamu. Nastaví se pevná teplotní škála od 50 do 400 °C. Vyexportuje se termovizní videosekvence (*.avi) pro další zpracování. Do termogramů se vloží dvě čárové analýzy rozložení teploty - první svislá shodná s osou rotoru a druhá vodorovná přes střed těla rotoru. Rozložení teploty na těchto úsečkách se vyexportují do souborů ve stejných časech jako teplotní pole. Následně se zobrazí v jednom grafu všech šest průběhů pro svislou analýzu na ose rotoru a v dalším pro vodorovnou analýzu na těle rotoru. 48
Dále se do jednoho grafu vykreslí teploty středů těla, horního a dolního čepu rotoru v celém průběhu chladnutí. Termočlánkem měřená teplota horního čepu se porovná s teplotou měřenou termovizí na odpovídajícím místě povrchu rotoru.
2.4 ZPRACOVÁNÍ VÝSLEDKŮ TERMOVIZNÍCH MĚŘENÍ 2.4.1 Metody zpracování výsledků termovizních měření
Podobně jako termovizní měření představuje kvalitativní skok od lokálního měření k měření prostorového rozložení teploty a jeho časového vývoje i metody zpracování těchto měření vyžadují nový přístup. Metody vyhodnocení je potřeba zvolit a přizpůsobit potřebám analýzy dynamického teplotního pole. K těmto účelům se využívá moderních multimediálních prostředků zpracování videosekvencí. Na výsledném video a termozáznamu experimentů lze opakovaně analyzovat dynamiku procesu a soustředit se na jednotlivé detaily, které při měření unikly pozornosti. V neposlední řadě je potom vhodné věnovat pozornost prezentaci výsledků termovizních měření. Kromě analýzy tepelných procesů a dokumentace prováděných experimentů jsou to ve vztahu k zaměření pracoviště zejména výukové účely. 2.4.2 Pracoviště zpracování výsledků termovizních měření
Pracoviště ukázané na Obr. 2.11 slouží ke zpracování termo a video sekvencí pořízených kamerami během experimentu. Sestává z digitální a analogové části. Videosekvence se přenáší z digitální videokamery přímým propojením prostřednictvím protokolu i.LINK. Termovizní záznam již zpracovaný do formy videosekvence se přenáší v souborech z pracoviště termovizního systému. Řídicí počítač vybavený prostředky Pinnacle Systems DV500 spolu se softwarem komunikace s kamerou a zpracování videa tvoří digitální střižnu. Práce na výrobě filmu je sledována na televizním monitoru připojeném přes videorekordér, který slouží k záznamu výsledku v analogové formě na videokazetu. Uspořádání lze využít i jako analogový audio-video vstup do střižny v případě potřeby konverze analogového záznamu do digitálního. Komentář k filmu lze namluvit prostřednictvím připojeného mikrofonu. K prezentaci konečných výsledků se využívá videodata projektor.
49
anténa
projektor
videorekordér
televizní monitor
220V
220V 220V reprosoustava mikrofon
220V digitální střižna
analogový audio-video OUT
digitální videokamera
řídicí počítač analogový audio-video IN
i.LINK 220V
DV IN/OUT 220V
Obr. 2.11: Pracoviště zpracování výsledků termovizních měření
50
Obr. 2.12: Okno softwaru Adobe Premiere při sestřihu filmu o tepelném zpracování výkovků Konverze videozáznamu do videosouboru Prvním krokem v postupu výroby filmu je převedení videa z pásku uloženém v digitální videokameře do souboru v počítači. Využívá se funkce Tools | DV Device Control | LiveCapture softwaru miroVIDEO DVTools. Zpracování termozáznamu do videosouboru Výsledky termovizního měření se využívají vyexportované do videosouboru z prostředí softwaru ThermaCam Researcher. Použití ve filmu však vyžaduje provést ještě úpravu rozlišení a škály v programu Adobe Premiere pomocí předdefinovaného projektu AviKonverze_Termo.ppj. Po otevření projektu se přes File | Import | File vloží soubor s termozáznamem. Příkazem Clip | Video | Motion | Load zvolí předdefinované zvětšení a umístění na obrazovce uložené v souboru Termovize_nacomputer.pmt. Na záložce souboru Skala_Computer.ptl se upraví číselný popis a uloží. Výsledkem exportu přes File | Export | Movie je videosoubor s termovizním zobrazením průběhu experimentu ve formě pro shlédnutí na TV a záznam na videokazetu.
51
Duální zobrazení videa a terma Současné zobrazení se vytvoří opět v prostředí programu Adobe Premiere pomocí předdefinovaného projektu AviKonverze_Dual.ppj . Video se po importu vloží do stopy 1, termo do stopy 3. Na video se potom použije Clip | Video | Motion | Load předdefinovaná úprava Dual_Video.pmt, na termo podobně úprava Dual_Termo.pmt. V okně TimeLine se vzájemně posunou video a termo do časového souhlasu. Rámečky ve stopách 2 a 4 se protáhnou na celý projekt. Výsledkem exportu přes File | Export | Movie je videosoubor s duálním zobrazením průběhu experimentu ve formě pro shlédnutí na TV a záznam na videokazetu. Sestřih filmu Výsledný sestřih, přidání titulků popř. i komentáře se provádí opět v prostředí softwaru Adobe Premiere. Využít lze připraveného projektu Film.ppj. Nejdříve se provede File | Import | File souborů video, termo a duálního videa a jejich umístění do stop 1,2 a 3 okna TimeLine. Poklepáním na soubor Titulek.ptl se otevře okno, ve kterém je možné změnit text a další parametry titulku. Přechody mezi jednotlivými stopami vytvořené v okně TimeLine se docílí výsledné podoby filmu. Následuje export filmu. 2.4.3 Postup vyhodnocení termovizního měření Import - z prostředí ThermaCam Researcher vyexportovat videosekvenci Výroba filmu - sestříhat film o průběhu experimentu a doplnit jej titulky - vyexportovat film do souboru Prezentace - předvést vytvořený film na televizním monitoru
2.5 MĚŘENÍ EMISIVITY POVRCHU MATERIÁLU
Termovizní kamera snímá v určitém pásmu vlnových délek tepelné záření z povrchu měřeného předmětu. Z intenzity tohoto tepelného záření, kterou měří mikrobolometrické detektory v kameře, lze následně stanovit žádanou povrchovou teplotu. Je k tomu však zapotřebí znalosti parametrů jako jsou: • emisivita z měřeného povrchu (součinitel emisivity povrchu a úhlový součinitel),
52
• odraz záření z okolí od měřeného povrchu (součinitel odrazivosti a teplota okolí), • průzračnost prostředí mezi měřeným povrchem a kamerou (teplota vzduchu a vlhkost). Neznalost skutečných hodnot těchto parametrů může znamenat chybu v určení teploty v desítkách a u měření lesklých povrchů i stovkách procent. Obvykle má největší vliv na přesnost měření teploty součinitel emisivity měřeného povrchu - jeho teplotní závislost a homogenita. V praxi se používají převážně dva způsoby řešení: • měřený povrch se pokryje žáruvzdornou barvou o známé emisivitě (zjištěna dodatečným laboratorním měřením) a dobré prostorové homogenitě záření, • povrchová teplota se měří lokálně termočlánky a emisivita se určí tak, aby povrchová teplota měřená termovizním systémem v místě termočlánku souhlasila s jeho teplotou - metoda známé teploty zdroje záření. 2.5.1 Měření prostorového rozložení emisivity
Při měření prostorového rozložení emisivity se používá metoda známé teploty zdroje záření. Celý zkoumaný povrch se zahřeje na známou teplotu pomocí plošného nebo objemového zdroje tepla. Termovizním systémem se snímá radiační obraz povrchu. Pozorované zdánlivé rozdíly v teplotách jsou způsobeny odlišnostmi v emisivitě záření. Předmětem měření je v rámci cvičení elektronický obvod senzoru ukázaný na Obr. 2.13a. Tři čtvercové plochy slouží k připájení kontaktů. V pravé části je k desce třemi vývody připojeno čidlo.
(a)
(b)
.
Obr. 2.13: Detail měřené části senzoru (a) a jeho termovizní obraz (b).
Celé pracoviště měření rozložení emisivity je ukázáno na Obr. 2.14. Součástí pracoviště je topná deska (plošný zdroj tepla), která slouží k ohřevu měřených předmětů až do teploty 600 °C. Její rovnoměrná teplota je postupně nastavována 53
pomocí připojeného programovatelného regulátoru. Na desku se položí měřený předmět. Po ustálení teploty topné desky a uplynutí dostatečné doby k prohřátí měřeného předmětu je provedeno měření termovizní kamerou 220V napájení
TC02
stativ
napájení 220V
TC01 teplota
videokamera
termokamera
komunikační modul
teploměr regulace teploty
emisivita vzorku
vzorek topení
topná deska
řídicí počítač 220V
220V
Obr. 2.14: Pracoviště měření prostorového rozložení emisivity
Termovizní kamera v tomto případě s připojeným objektivem pro měření malých předmětů průběžně ukazuje teplotní pole na obrazovce. Pro účely vyhodnocení emisivity jsou data z kamery přenášena v digitální podobě do řídicího počítače. Na Obr. 2.13b je termovizní obraz měřené části senzoru. Barva podle připojené stupnice vyjadřuje velikost intenzity vyzařovaného záření. Protože má celý měřený
54
předmět stejnou teplotu, rozdíly v hodnotách jsou způsobeny pouze odlišnou emisivitou materiálů jednotlivých částí senzoru. Podrobné vyhodnocení záznamů dynamických teplotních polí a určení emisivity se provádí v prostředí softwaru ThermaCam Researcher. Nejdříve se označí oblasti, ve kterých má být emisivita vyhodnocena. V případě měřeného senzoru to jsou zejména plochy tří kontaktů vlevo, plocha čidla vpravo a plocha základní desky. Tyto části se liší použitým materiálem a jejich emisivity se podstatně liší. Protože je známá skutečná teplota vybrané oblasti, program automaticky vyhodnotí hledanou emisivitu. Emisivita v rámci vybrané oblasti může být dále analyzována pomocí dalších funkcí programu. Automaticky se zobrazuje odchylka maximální a minimální teploty od průměrné teploty oblasti, která je po nastavení emisivity rovna skutečné teplotě měřeného předmětu. Dalším nástrojem pro analýzu je histogram teplot ve zkoumané oblasti. 2.5.2 Postup měření rozložení emisivity elektronického obvodu Příprava experimentu - sestavit termovizní systém - měřený elektronický obvod vložit na topnou desku - zaostřit termovizní kameru na měřený vzorek - provést zkušební měření záření vzorku za pokojové teploty - na termogramu označit oblasti pro měření emisivity - vyfotografovat vzorek videokamerou ve shodě se zobrazením v termokameře Měření - postupně nastavovat teplotu na 50, 100, 150 a 200 ºC - po ustálení vždy odkrýt clonu kamery, změřit záření vzorku a kameru opět zakrýt - během čekání na ohřev a ustálení teploty provést vyhodnocení emisivity kontakty, základní deska a čidlo, dále pak průměr pro celý obvod Ukončení experimentu - vyfotografovat vzorek po ukončení ohřevu - přeregulovat na 30 ºC a po vychladnutí vypnout plošný zdroj tepla - vypnout termovizní měřicí systém - uklidit pracoviště 2.6 POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ PÍSEMNÉHO REFERÁTU A KONTROLNÍ OTÁZKY 2.6.1 Obsah referátu
V části zvolené metody zpracování popsat:
55
- experiment měření teplotního pole hlavy a ruky - celkové uspořádání, objekt měření, měřicí systém, postup měření a zpracování výsledků pomocí softwaru ThermaCAM Reporter, - experiment laboratorní tepelné zpracování - celkové uspořádání, měřená součást, laboratorní pec a měřicí systém, postup experimentu a zpracování výsledků, - experiment měření emisivity elektronického obvodu - celkové uspořádání, měřený objekt a způsob jeho ohřevu, měřicí systém, postup měření a vyhodnocení v prostředí ThermaCAM Researcher, V části výsledky a diskuse uvést - úplnou zprávu o měření jedné vybrané osoby a dále zjištěné rozdíly mezi jednotlivými měřenými osobami, - typické rozložení teploty při chladnutí (např. v čase 60s po vytažení z pece) s umístěním čárových analýz, teploty ve zvolených částech rotoru (vodorovná a svislá analýza) v průběhu chladnutí, porovnání termovizního měření s měřením termočlánky, - typické rozložení intenzity záření z elektronického obvodu s umístěním jednotlivých analýz + foto, zjištěné hodnoty emisivity jednotlivých částí obvodu (kontakty, deska, čidlo), průměrná emisivita obvodu a chyba měření jednotlivých částí při uvažování této průměrné hodnoty. 2.6.2 Kontrolní otázky • Jaké jsou přednosti a omezení při měření termovizní kamerou ? • Které procesy a jejich parametry ovlivňují zjištění teploty při bezkontaktním měření termovizním systémem ? • Proč je vhodné doplnit termovizní měření i obrazem ve viditelném spektru ? • V kterých fázích technologie tepelného zpracování lze využít termovizní měření dynamického teplotního pole ? • Možnosti vyhodnocení nestacionárních procesů.
a
zpracování
výsledků
• Praktické způsoby řešení problému emisivity záření.
56
termovizních
měření
3 MĚŘENÍ TEPELNĚ-FYZIKÁLNÍCH VLASTNOSTÍ MATERIÁLŮ
Přehled tepelně-fyzikálních vlastností materiálů. Metody zjišťování objemových tepelných vlastností. Metoda plošného pulzního tepelného zdroje a HotDisk Thermal Constant Analyzer. Měření vlastností vzorků pevných a sypkých materiálů v závislosti na teplotě. Měření vlastností tenkých vrstev.
57
3.1 CÍL CVIČENÍ • Seznámit se s metodami měření tepelně-fyzikálních vlastností látek • Změřit tepelnou vodivost, měrnou objemovou tepelnou kapacitu a tepelnou difuzivitu vzorků pevných a sypkých materiálů při pokojové teplotě a v závislosti na teplotě metodou plošného pulzního tepelného zdroje (TPS). • Změřit tepelnou vodivost vzorků tenkých vrstev. 3.2 MĚŘENÍ OBJEMOVÝCH VZORKŮ METODOU TPS 3.2.1 Metoda plošného pulzního tepelného zdroje
Metoda se používá pro měření tepelné vodivosti, tepelné difuzivity a měrné objemové tepelné kapacity v širokém rozsahu teplot (30 až 1000 K). Umožňuje měřit vlastnosti pevných látek, tenkých vrstev, tenkých folií, kapalin a sypkých materiálů v rozsahu tepelné vodivosti 0,01 až 500 W/mK. Jedná se o kontaktní metodu, která vychází z předpokladu rovinného zdroje tepla umístěného v nekonečně velkém vzorku. Předpoklad rovinného zdroje je zajištěn minimální tloušťkou senzoru. Předpoklad nekonečně velkého vzorku je zajištěn umístěním senzoru mezi dva dostatečně velké vzorky vyrobené ze stejného materiálu (pro pevné látky) a vhodnou volbou doby trvání tepelného pulzu. Senzorem, který pracuje zároveň jako zdroj, prochází po předem zvolenou dobu elektrický proud. Následkem toho vzniká Jouleovo teplo. Takto vytvořený tepelný pulz ohřívá senzor a proniká do vzorku (Obr. 3.1). Poměr mezi teplem využitým k ohřevu senzoru a množstvím generovaného tepla dává informaci o tepelně fyzikálních vlastnostech zkoumaného materiálu.
vzorek
I (A)
t2 > t1 t1 senzor
t (s)
T (K) vzorek t (s)
Obr. 3.1: Schematické znázornění ohřevu vzorku při působení pulzu elektrického proudu do senzoru
58
Chování senzoru během experimentu vyjadřuje závislost jeho odporu na čase R(τ ) = R0 {1 + α R ∆T (τ )},
(3.1)
kde Ro je odpor senzoru před začátkem experimentu, αR je teplotní součinitel odporu, ∆T(τ) je střední hodnota přírůstku teploty senzoru. Proměnná τ je definována
τ=
t
; t ref
t ref
r2 = , a
(3.2)
kde t je čas měřený od začátku průchodu vyhřívacího proudu senzorem, tref je charakteristický čas, r je poloměr senzoru, a je tepelná difuzivita vzorku Řešením Fourier-Kirchhoffovy rovnice vedení tepla s uvažováním vnitřního plošného zdroje složeného ze soustředných kružnic, se dospěje po matematických úpravách k následující rovnici:
∆T (τ ) =
P0
π 3/ 2λ r
Fs (τ ) ,
(3.3)
kde Po je výstupní tepelný výkon senzoru, λ je tepelná vodivost vzorku, Fs(τ) je bezrozměrový čas. Vyjádřením ∆T(τ) z rovnice (3.1) a dosazením do rovnice (3.3) se získá vztah mezi tepelně fyzikálními vlastnostmi materiálu a měřeným odporem senzoru. Vlastnosti jsou tedy stanoveny řešením rovnice (3.3). Hodnota proměnné τ funkce Fs(τ) je získána iteračním procesem tak, aby závislost ∆T(τ) na Fs(τ) byla lineární. Tepelná vodivost λ je pak určena směrnicí přímky závislosti (3.3), tepelná difuzivita a z hodnoty proměnné τ (3.2) a tepelná objemová kapacita cpρ z rovnice cpρ =
λ a
.
(3.4)
3.2.2 Měření vlastností metodou HotDisk
Ke zjišťování tepelně fyzikálních vlastností materiálů metodou plošného pulzního zdroje se využívá HotDisk Thermal Constant Analyser fy HotDisk, Švédsko. Pracoviště ukázané na Obr. 3.2 se skládá z Hot Disk senzorů, měřicího proudového zdroje KEITHLEY 2400, multimetru KEITHLEY 2000, neúplného regulovatelného Wheatstonova můstku, notebooku s rozhraním PCMCIA / IEEE, analytického programu, přípravků na uchycení vzorků a laboratorní elektrické pece.
59
elektrická pec
regulace topení
220V
ventilátor držák vzorku a senzoru
přítlačný šroub tep. izolace TC 01 vzorek senzor vzorek TC 02
měřicí systém
napájení senzoru + měřené napětí
vyhodnocovací modul 220V Wheatstonův můstek
TC 01-02 měřicí ústředna
měřená teplota
zdroj napětí
220V
220V měřené vlastnosti
časová základna počítač
voltmetr
počítač 220V
220V
(a)
(b)
(c)
Obr. 3.2: Pracoviště měření vlastností metodou TPS - (a) schematické uspořádání, - (b) celkový pohled, - (c) vzorek a senzor v držáku
60
napájení měření
napájení měření
Obr. 3.3: Senzory HotDisk Senzory (viz.Obr. 3.3) jsou vyrobeny z tenkého kovového pásku, který je vložen mezi dvě tenké elektricky izolační folie. Pásek je vyroben z niklové folie (tloušťka 10 µm), protože nikl má po částech lineární teplotní součinitel odporu se známou teplotní závislostí v intervalu teplot od 30 K až po bod tání. Zápornou stránkou niklu je přeměna vlastností probíhající při teplotě Courieho bodu (358oC). Její vinou dochází k výraznější změně teplotního koeficientu odporu. Izolační folie jsou vyráběny z polyamidu Kapton (tloušťka 25 µm), který se používá od kryogeních teplot do 200oC a fylosilikátu Mica (tloušťka 0,1 mm) pro teploty vyšší (maximálně však 700oC). Senzory jsou vyráběny od poloměru 0,492 mm až 29,5 mm. Měřicí elektrický obvod je sestaven z regulovatelného Wheatstonova můstku, jehož jednu část tvoří senzor. Vyvážení můstku je měřeno přesným voltmetrem (KEITHLEY 2000). Obvod je napájen stejnosměrným proudem z regulovatelného proudového zdroje (KEITHLEY 2400). Oba dva přístroje jsou propojeny s počítačem přes rozhraní IEEE-488, které umožňuje přenos dat z přístrojů do počítače a řízení přístrojů počítačem. Pro standardní měření se potřebují dva vzorky ze stejného materiálu, senzor se vkládá mezi ně. Pokud je k dispozici jen jeden vzorek, je možné nahradit druhý vzorek tepelně-izolačním materiálem o známých tepelně-fyzikálních vlastnostech (měření je však méně přesné). Vzorky by měly mít rovný a hladký povrch. Postup měření objemových vzorků je následující: Volba senzoru Pro daný vzorek se volí co možná největší senzor při splnění podmínky, aby vzdálenost mezi krajem senzoru a krajem materiálu byla rovna poloměru senzoru (Available Probing Depth). Maximální teplota použití senzoru s izolací Kapton (žlutá barva) je 200°C, s izolací Mica (bílá barva) 700°C. 61
Sestava vzorků a senzorů Vzorky se senzorem mezi se umístí do držáku. Po vložení celé sestavy do krytu je nutné alespoň 10 minut počkat na vyrovnání teploty ve vzorku. Délka doby je závislá na tepelné vodivosti vzorku. Banánky senzoru se zasunou do čelních zdířek můstku, napájecí (dvoužilové) kabely jsou v krajních zdířkách, měřicí (jednožilové) mezi nimi, barva zdířek a banánků je shodná. Softwarové nastavení parametrů měření Spustí se program HotDisk Analysis a zvolí se New Experiment - list Standard. Pro měření je využíváno nastavení KEITHLEY Bridge. Nastaví se hodnoty následujících parametrů: Sample Indentity a Initial Temperature jsou čistě informativní údaje pro uživatele, Available Probing Depth zadá se nejmenší vzdálenost mezi krajem senzoru a krajem vzorku, Disk Type zvolí se druh izolace použitého senzoru (žlutý Kapton, bílá Mica), Radius of Disk vybere se poloměr použitého senzoru, TCR (Temperature Coeficient of Resistivity) - vloží se hodnota odpovídající teplotě měření z tabulky (ikona α[T]), popřípadě se hodnota získá lineární interpolací. Dále se nastaví Output of Power - výstupní výkon senzoru během měření a Measuring Time - celkový čas měření. Během této doby je uskutečněno vždy 200 měření odporu senzoru. Tyto dva parametry je možné volit třemi způsoby: - byl-li již materiál nebo jemu blízký měřen, použijí se stejné hodnoty, - pomocí funkce Wizard (ikona „kouzelná hůlka“) z nabídky 70 definovaných materiálů, - pomocí pravidla: čím menší vodivost vzorku, tím menší výstupní výkon a delší čas. Mělo by se začínat vždy s nižším výkonem, nezpůsobí se tak výrazný ohřev vzorku a je potřebná delší následná doba na vyrovnání teploty. Měření Měření se zahájí stiskem Single Measurement – měří se jen jednou, nebo Schedule Measurement – umožňuje zadat začátek měření a periodu mezi jednotlivými měřeními. Klikne se na Balance Bridge a otáčením kolečka (reostat) na čele můstku se posune ukazatel vyvážení můstku, zobrazený na monitoru, doprostřed vyznačené úsečky. Klikne se na Temperature Drift Recording – zaznamená se teplotní drift v senzoru (délka záznamu je 25 s). Klikne se na Transient Recording provede se vlastní měření. Výpočet materiálových vlastností Po ukončení měření se zkontroluje průběh teplotního driftu - střední hodnota musí být přibližně konstantní a rozptyl bodů od střední hodnoty by neměl přesáhnout 0,1 K. Jsou-li splněny tyto podmínky uloží se naměřená data (ikona disketa). Menu pro nastavení podmínek a způsobu výpočtu se zobrazí po kliknutí na ikonu s kalkulačkou. Zvolí se Time Correction a Calibrated Specific…, pak kliknutím na Fine-tuned Analysis se provede vlastní výpočet. Omezí se interval 62
uvažovaných bodů odebráním počátečních bodů. Počet odebraných bodů pro příslušnou dobu měření je uveden v Tab. 3.1. Následuje kontrola vypočtených výsledků - vypočtené výsledky se kontrolují dle následujících parametrů: Probing Depth hodnota musí být rovna zadané. Reguluje se odebíráním koncových bodů. Minimální počet uvažovaných bodů nesmí být menší než 40. Odříznutí se provede klikem na ikonu Select Points from Graph (sedmá ikona z leva), levým tlačítkem se určuje počáteční a pravým koncový bod uvažovaného intervalu. Po změně uvažovaného intervalu se provede nový výpočet. Tento postup se provádí až do té doby, než je hloubka vniku rovna zadané. Dalšími kontrolovanými parametry jsou Temperature Increase a Total to Charc. Time - vodítkem správnosti výsledku je barva žárovek (červená značí nevyhovující, zelená zcela v pořádku). Též je důležité sledovat hodnotu Mean Deviation, měla by být řádově pro senzor s izolací Kapton 10-5, s izolací Mica 10-4. Tab. 3.1: Maximální počet odebraných počátečních bodů v závislosti na době měření Doba měření (s)
Počet počátečních odebíraných bodů 15-20 (Mica 2x) 7-10 (Mica 2x) 3-6 (Mica 2x) 2-3 (Mica 2x) 1-2 (Mica 2x)
2,5 5 10 20 40
Měření vlastností fólií. Zařízení HotDisk umožňuje zjišťovat tepelně fyzikální vlastnosti tenkých folií s tloušťkou v intervalu 0,1 až 10 mm v rozmezí tepelné vodivosti 1 až 500 W/m.K. Měření vyžaduje dva vzorky testovaného materiálu a dva kusy izolačního materiálu. Senzor se vkládá mezi ně, tj. izolátor-vodivá vrstvasenzor-vodivá vrstva-izolátor. Pokud je k dispozici jen jeden vzorek, druhý vzorek se nahradí izolantem o známých tepelně fyzikálních vlastnostech, měří se však s větší chybou. Vzorky by měly mít co možná nejrovnější a nejhladší povrch. Velikost senzoru se volí dle kritéria: 0,03125 < h/r < 0,79386, kde h je tloušťka materiálu a r je poloměr senzoru. Postup měření je podobný jako u standardních vzorků s následujícími odlišnostmi. Při volbě nového experimentu se použije list Slab Sheets. V softwarovém nastavení je nutné vyplnit následující údaje: Sample Indentity a Initial Temperature - informativní údaje pro uživatele, Available Radial Probing Depth - nejmenší vzdálenost mezi krajem senzoru a krajem vzorku, Thickness of Slabs - přesně změřená tloušťka vrstvy, Notes on Insulation Material - přesný popis použitého izolačního materiálu, Disk Type - druh izolace použitého senzoru (žlutý Kapton, bílá Mica), Radius of Disk - poloměr použitého senzoru, TCR 63
(Temperature Coeficient of Resistivity) - hodnota odpovídající teplotě měření z tabulky (ikona α[T]), popřípadě se hodnota získá lineární interpolací. Tab. 3.2: Poloměr senzoru dle typu Typ C5840 C5465 C5501 5082 4921 4922 7280 C5599
Poloměr (mm) 0,492 3,200 6,394 6,675 9,734 14,65 14,65 29,40
Tab. 3.3: Tabulka časů, výkonů a senzorů pro měření tenkých fólií Tepelná vodivost (W/m.K)
Tloušťka vzorku (mm)
Poloměr senzoru (mm)
1,6 3,3 4,1 4,9 8,0 8,7 94,0 140,0
1,05 2,03 0,47 0,27 0,14 0,22 0,28 1,17
3,30 6,39 3,30 3,30 3,30 3,30 3,30 3,30
Celkový čas měření (s) 5 10 5 5 5 5 5 2,5
Výstupní výkon (W)
Interval uvažovaných bodů
0,30 1,00 0,30 0,15 0,08 0,15 0,50 2,00
10 – 150 10 – 120 10 – 150 10 – 150 10 – 150 10 – 150 20 – 50 20 – 50
Při zjišťování teplotních závislostí měřených vlastností materiálů až do vysokých teplot se vzorky ohřívají v elektrické peci. Pec se zapíná přepínačem OFEN. Řízení ohřevu probíhá automaticky podle zadaného programu. Program se skládá ze segmentů, každý segment je reprezentován: požadovanou dobou trvání a požadovanou koncovou teplotou. Zadávání programu Zvolí se číslo programu tlačítkem PROG. Pomocí tlačítka Ð a Ï se nastaví buď délka trvání segmentu v minutách nebo funkce skip, hold, end či číslo dalšího programu. Dobu trvání segmentu je vhodné zadat úměrnou rychlosti ohřevu vzorku. Význam funkcí: 64
Skip – pec najíždí co nejrychleji na zadanou teplotu, dojde zde však díky 100% výkonu k velkému překmitu teploty. Hold – setrvá na zadané teplotě dokud není vypnuta pec či přeskočeno do následujícího segmentu (přidržením tlačítka SELECT). End – ukončení programu. Číslo dalšího programu – slouží pro propojování jednotlivých programů. Teplota nastavená na posledním segmentu jednoho programu by se měla shodovat s teplotou nastavenou na prvním segmentu následujícího programu. Stiskem tlačítka Î se přejde na zadávání koncové teploty segmentu. Teplota se mění pomocí tlačítek Ð Ï. Pro řízení pece je hlavním ukazatelem teplota, není-li na konci segmentu dosažena požadovaná teplota, přechází program do režimu skip, ten trvá do té doby než je požadovaná teplota dosažena, pak se teprve přejde na další segment. Stiskem tlačítka Î se přejde na ovládání boční zásuvky. Tlačítky Ð Ï se zvolí zda má být na zásuvce v daném segmentu napětí či ne. Dalším stiskem tlačítka Î se přejde na zadávání dalšího segmentu. Po zadání celého programu se stiskne tlačítko START/STOP. Protože teplota elektrické pece při výdrži na požadované teplotě kolísá v rozmezí několika ºC, je pro zvýšení přesnosti měření vlastností pracoviště dále doplněno systémem měření teploty, který je podrobněji popsán v části 4.2.2. Termočlánky se měří teplota nad a pod vzorkem v průběhu celého ohřevu. Na obrazovce počítače je potom zobrazován průběh teploty. 3.2.3 Postup měření vlastností vzorků materiálů
Příprava experimentu - seznámit se s měřicím systémem a příslušenstvím - vyzkoušet funkčnost měřicího systému - vybrat vzorky pro měření - dohodnout postup a rozdělení prací v týmu pro měření Měření vlastností vzorku při pokojové teplotě - vhodně zvolit senzor pro měření tepelně fyzikálních vlastností vzorku s vyšší tepelnou vodivostí za pokojové teploty - upnout senzor a vzorek do držáku a zakrýt - počkat alespoň 10 minut - provést vlastní měření - naměřená data uložit Měření vlastností vzorku v závislosti na teplotě - vhodně zvolit senzor pro měření tepelně fyzikálních vlastností vzorku s vyšší tepelnou vodivostí v závislosti na teplotě pro teploty 200 a 270oC 65
- umístit sestavu senzor, vzorek držák do pece - naprogramovat průběh ohřevu pece - sledovat teplotu vzorku a po ustálení teploty provést měření - naměřená data uložit Měření vlastností sypkého materiálu - vhodně zvolit senzor pro měření sypkého materiálu za pokojové teploty - upnout senzor a vzorek do držáku a zakrýt - počkat alespoň 30 minut - provést vlastní měření - naměřená data uložit Měření vlastností tepelně izolačního materiálu - vhodně zvolit senzor pro měření materiálu s nízkou tepelnou vodivostí za pokojové teploty - upnout senzor a vzorek do držáku a zakrýt - počkat alespoň 30 minut - provést vlastní měření - naměřená data uložit Měření vlastností tenké fólie - změřit tloušťku folie - vhodně zvolit senzor pro měření tenké folie s dobrou tepelnou vodivostí za pokojové teploty, jako pozadí použít polystyren - upnout senzor a vzorek do držáku a zakrýt - počkat alespoň 10 minut - provést vlastní měření - naměřená data uložit - ukončit měření Zpracování naměřených dat - porovnat naměřené hodnoty tepelně fyzikálních vlastností jednotlivých materiálů s hodnotami uváděnými v literatuře - vynést do grafu závislost zjištěných vlastností na teplotě
66
3.3 POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ PÍSEMNÉHO REFERÁTU A KONTROLNÍ OTÁZKY 3.3.1 Obsah referátu
V části zvolené metody zpracování popsat experiment měření za pokojové a zvýšené teploty - celkové uspořádání, měřené vzorky, měřicí systém, postup měření a zpracování včetně odlišností při měření sypkého materiálu, tenké fólie nebo izolačního materiálu. V části výsledky a diskuse uvést v tabulkách naměřené hodnoty tepelněfyzikálních vlastností (tepelná vodivost, tepelná difuzivita měrná objemová tepelná kapacita) měřených vzorků a porovnání s tabulkovými hodnotami. 3.3.2 Kontrolní otázky
• Tepelně-fyzikální vlastnosti látek - procesy, veličiny. • Jaký je princip metody plošného pulzního tepelného zdroje ? • Kritéria pro volbu snímače HotDisk. • Odlišnosti měření pevných a sypkých látek, tenkých fólií metodou HotDisk. • Postup měření teplotních závislostí tepelných vlastností metodou HotDisk.
67
68
4 NEPŘÍMÉ MĚŘENÍ POVRCHOVÉ TEPLOTY A PŘESTUPU TEPLA
Procesy přenosu tepla při ochlazování v kapalinách. Nepřímé měření povrchové teploty. Laboratorní experiment ohřevu a ochlazování sondy - zjišťování přestupů tepla při kalení. Měření veličin oboru termomechaniky tekutin. Metody a přístroje měření rychlosti proudění, teploty, vlhkosti, tlaku a hluku. Konstrukce tepelných trubic a fyzikální principy jejich funkce. Laboratorní zjištění výkonové charakteristiky tepelné trubice na zkušební vzduchové trati.
69
4.1 CÍL CVIČENÍ
• Seznámit se s metodami měření povrchové teploty a přenosu tepla při tepelném zpracování materiálu. Provést experiment zjištění součinitele přestupu tepla. Analyzovat naměřené průběhy teplot termočlánky při ohřevu a chladnutí. Vyhodnotit průběh povrchové teploty, tepelného toku a součinitele přestupu tepla. • Seznámit se s metodami a přístroji pro měření veličin termomechaniky tekutin. Stanovit výkonovou charakteristiku tepelné trubice a podmínky měření na zkušební vzduchové trati. 4.2 MĚŘENÍ PŘESTUPU TEPLA PŘI KALENÍ 4.2.1 Přenos tepla při kalení
V okamžiku ponoření horké kovové součásti do kapalinové lázně se do kapaliny převede takové množství tepla, že se na ochlazovaném povrchu součásti odpařením z kapaliny vytvoří mezi povrchem součásti a kapalinou souvislá tenká vrstva páry – parní film. Tento stav se nazývá blánový (filmový) var. Teplo z povrchu kovu se do obklopující kapaliny parním filmem převádí přirozenou konvekcí a zářením. S chladnoucím povrchem součásti tloušťka filmu postupně klesá a dochází k poklesu tepelného toku. Vzhledem k relativně izolujícímu vlivu parního filmu je měrná tepelná přestupnost na povrchu poměrně nízká. Průběh křivky přestupu tepla je ve fázi filmového varu velice plochý a při klesající povrchové teplotě prochází svou minimální hodnotou. V technických podmínkách leží hodnoty tepelného toku pro vodu přibližně mezi 0,3 a 3 MW.m-2 a pro olej v rozsahu 0,3 až 1 MW.m-2. Režim filmového varu je nejvýraznější, když teplota chladící kapaliny je blízká bodu varu. Při podchlazení chladící kapaliny se doba trvání režimu filmového varu zkracuje. Souvisí to s tím, že na podchlazení kapaliny a proudění významně závisí mezní teplota stability filmového varu. Při větším podchlazení je přestup tepla určován jen proudovou a teplotní mezní vrstvou kapaliny, závisí tedy na podchlazení, tepelné vodivosti kapaliny, podmínkách proudění, viskozitě a geometrii. V hluboce podchlazené chladící kapalině se filmový var téměř nevyskytuje a hlavní režim je přechodový a bublinkový var. Vymizení filmového varu se vysvětluje intenzivnějším vydáváním tepla na vytvoření souvislého parního filmu vroucí vrstvy kapaliny u povrchu tělesa. Při tom se teplota povrchu tělesa snižuje na hodnotu, při níž se stává udržení filmového varu málo pravděpodobným. V případě ohřáté chladící kapaliny se na vytvoření vroucí vrstvy spotřebuje menší množství tepla, teplota povrchu tělesa se tím snižuje méně, takže zůstává nad mezí, při které může být filmový var ještě stabilní.
70
Pokles teploty povrchu součásti vede ke zmenšení tloušťky filmu a posléze i k efektu, že se začne místy narušovat jeho souvislost. Film se stává hydrodynamicky nestabilním a kapalina se dostává do bezprostředního styku s kovovým povrchem ještě o velmi vysoké teplotě. Tepelný tok trhaně roste. Odpařování na místech, kde došlo k proražení parní vrstvy, je velmi vysoké, čímž se vytvářejí větší parní bubliny. Ty zase mají větší vztlak, oddělují se od součásti a tím zvětšují nestabilitu filmu. Proces přenosu tepla přechází do fáze přechodového varu. V této fázi měrná tepelná přestupnost velice výrazně vzrůstá, zatímco povrchová teplota součásti klesá jen nepatrně o několik stupňů. Průběh křivky chladnutí se výrazně mění, stává se velmi strmým. Teplota, při níž přechází filmový var do bublinkového odpařování, se označuje jako Leidenfrostův bod. Leidenfrostova teplota záleží na stavu povrchu součásti a vlastnostech kapaliny. Návazně na režim přechodového varu, když vzrůstající hustota toku dosáhne maximální hodnoty, které se všeobecně označuje jako krize varu, probíhá intenzivní bublinkový var. Tato fáze je charakterizována rychlou tvorbou malých bublin vyvolanou nerovnostmi povrchu a nečistotami v kapalině. V důsledku vysoké hustoty tepelného toku je rychlost chlazení vysoká (u oceli přes 200 K.s-1). Povrchová teplota součásti se téměř skokem mění na hodnotu těsně nad bod varu chladící kapaliny. Tvorba bublin pak postupně ustává. Klesne-li povrchová teplota až k hodnotě, která je jen o něco vyšší, než je počáteční bod varu kapaliny, proces varu odpadá a přestup tepla se děje přirozenou nebo nucenou konvekcí. Tato část chlazení se označuje jako fáze konvekce. Hustota tepelného toku oproti fázi varu ostře klesá a je určena především proudovými poměry v kapalině. 10000 9000
α (W.m-2.K-1)
8000
bublinkový konvekce var
přechodový var
blánový var
7000 6000 5000 4000
krize varu
3000 2000 1000
Leidenfrostův bod
0 0
100
200
300
400
500
600
700
800
TPOV (°C)
Obr. 4.1: Typická závislost součinitele přestupu tepla na teplotě povrchu při kalení velkých výkovků do vody 71
Intenzita přenosu tepla z ochlazovaného povrchu do kapaliny se vyjadřuje hodnotou součinitele přestupu tepla. Jeho velikost se pro jednotlivé procesy odvodu tepla výrazně liší. Typická závislost součinitele přestupu tepla na teplotě povrchu při kalení velkých výkovků do vody je ukázána na Obr. 4.1. 4.2.2 Laboratorní zjišťování přestupů tepla při ochlazování v kapalinách elektrická pec regulace teploty
220V
měřicí systém
manipulační tyč
měřicí sonda
měřená teplota záznamová měřicí ústředna
termočlánky
počítač (OHŘEV) chladicí kapalina (OCHLAZOVÁNÍ)
kalicí nádrž
měřicí sonda ochranná podložka
(a)
(b)
(c)
Obr. 4.2: Pracoviště měření přenosu tepla při kalení - (a) schematické uspořádání, - (b) vytažení sondy z pece, - (c) chladnutí sondy v kalicí nádrži 72
Pracoviště měření přestupů tepla při kalení slouží k nepřímým měřením povrchové teploty, tepelného toku a přestupu tepla v systému materiál-vnější prostředí, a to při ohřevu a ochlazování. Pracoviště ukázané na Obr. 4.2 se skládá zejména z laboratorní elektrické pece a kalicí nádrže. Přestup tepla se měří pomocí speciálně navržené sondy. Měření teplot je zabezpečováno záznamovým měřicím systémem. Pracoviště je obvykle doplněno termovizním systémem, který se využívá k záznamu a analýze tepelných procesů v průběhu experimentu. Měření probíhá nejdříve při ohřevu sondy v peci. Po prohřátí na teplotě následuje přesun sondy z pece do přistavené nádrže s kalicí lázní. Manipulace se sondou se provádí ručně manipulační tyčí. závěs
12 / voda termočlánky 16 / 1.70
15 / 1.39
10 / 10.41
ochranná trubka
8 / 5.32
9 / 7.31 11 / 25.0 uzavírací část
1 / 1.14
7 / 3.63
5 / 10.28
6 / 1.20
3 / 5.02 2 / 3.07 4 / 7.25
měřicí část
13 / 1.50
14 / 1.69
Obr. 4.3: Měřicí sonda - schematické uspořádání v podélném a příčném řezu,
73
Sonda pro měření přestupů tepla (viz Obr. 4.3) má tvar děleného válečku s vhodně obvodově a po hloubce uspořádanými termočlánky. Toto uspořádání měřicích konců termočlánků umožňuje nepřímo měřit povrchovou teplotu, tepelný tok a přestup tepla, a to následným numerickým řešením rovinné tepelné úlohy. Z naměřených lokálních teplot v sondě se určí průběhy teploty, dále tepelného toku a přestupu tepla na povrchu sondy. Sonda je vyrobena z oceli a má průměr 50 mm a délku 120 mm. Měření teploty se provádí plášťovými termočlánky typu K o průměru 0,5 mm. Obvodové umístění termočlánků je na radiálách navzájem pootočených o násobky úhlu 15 stupňů. Měřicí místa jsou v hloubkách přibližně 1, 1.5, 3, 5, 7 a 10 mm a v ose sondy. Přesné hloubky a označení měřicích míst je uvedeno na Obr. 4.3. Do měřicí části sondy jsou termočlánky vyvrtány otvory s odstupňovaným průměrem, které jsou vedené mírně šikmo tak, aby jejich dna byla v různé stanovené hloubce pod válcovým povrchem. Termočlánky jsou vyvedeny přibližně ve směru izotermy. Geometrie byla navíc volena tak, aby měřicí místa termočlánků byla v požadované hloubce pod povrchem a zároveň dostatečné vzdálena od dělicí roviny sondy. To opravňuje uvažovat teplotní pole v místě měření jako dvourozměrné s minimálním vlivem vlastních sond. Měřicí část sondy je svařena s uzavírací částí, v jejíž ose je otvor pro vyvedení celého svazku termočlánků. Ochranná trubka brání vniku chladicí kapaliny do sondy při ponoření pod hladinu. Měřicí systém Agilent 34970A se používá pro měření teplot termočlánky. V oblasti zaznamenávání dat tento měřicí systém umožňuje: • přímé měření termočlánky a termistory, měření stejnosměrného a střídavého napětí a proudu, elektrického odporu, frekvence a periody; • odečet měřených veličin v požadovaném časovém kroku s možností uložení až 50 000 hodnot; • nezávislé nastavení měřených veličin jednotlivých kanálů, nastavení alarmů (varování při překročení stanovené hodnoty měřené veličiny nebo poklesu pod ni). V oblasti sběru dat a spínání signálů lze využít • přesnost multimetru 6 1/2 digitu, stabilitu měření a maximální potlačení šumu (chyb měření); • až 60 kanálů na jeden přístroj (120 jednosměrných kanálů); • frekvence čtení dat až 600 hodnot za sekundu na kanál, frekvence měření až 250 kanálů za sekundu; • možnost multiplexování a řady druhů spínání, totalizér, číslicový vstup a výstup, 16-kanálový analogový výstup; • rozhraní typu GPIB (IEEE-488) a RS-232.
74
K ovládání měřicího systému slouží softwarový balík HP BenchLink Data Logger. Umožňuje sběr, analýzu a archivaci naměřených dat a sledování procesu měření v reálném čase. Nastavení parametrů Po spuštění programu Agilent BenchLink Data Logger v úvodním dialogu potvrdit položku Create a new setup, otevře se dialog New Setup. V něm se vyplňuje popis měření (Name). V dolní polovině dialogu, označené Instrument Configuration, se rozvine menu Module pro slot označený 100 a vybere položka 16-Channel Red Multiplexer. Nastavení se potvrdí tlačítkem OK, zobrazí se list Scan Setup. Každý řádek listu představuje parametry měření pro jeden kanál, jehož adresa je zobrazena zcela vlevo (pro slot 100 jde o kanály 101–116). Ve sloupci Scan (vedle adres kanálů) se označí kanály, které budou sledovány. Pro každý z vybraných kanálů se rozvine dvojklikem na odpovídající pozici ve sloupci Function menu a v něm se vybere měřená veličina a způsob jejího měření (v tomto případě typ termočlánku). Dále se v hlavním menu zvolí položka Scan | Settings… a nastaví požadovaná délka intervalu mezi jednotlivými odečty hodnot. Nastavení se potvrdí tlačítkem OK. Měření Po zvolení Scan | Start Scan se zobrazí dialog Start Scanning - Scan Status s přehledem parametrů aktuálního měření (v případě potřeby je lze změnit tlačítkem Settings…). Měření se zahájí stiskem tlačítka Start. Sledování průběhu měření Po startu měření, se automaticky zobrazí místo listu Scan Setup list Graphics Setup 1 s oknem Strip Chart, v němž je možné přehledně sledovat průběh jednotlivých měřených veličin v reálném čase. V jednom okně Strip Chart může být sledováno nejvýše osm kanálů, v případě nedostatku lze ovšem přes položku menu Graphics | New4| Strip Chart otevřít nové okno pro sledování další osmice kanálů. Každý kanál, který má být sledován, je potřeba vložit pod číselné označení 1–8 ve střední části okna tím, že se dvojklikne na odpovídající pozici ve sloupci Channel Name a zvolí se jeho adresa. Pro odčítání hodnot z grafu (případně jejich rozdílu) je vhodné nastavit značku (Marker). Ta je zobrazena jako svislice v souřadnicovém systému. Pro každý kanál lze aktivovat kliknutím na odpovídající pozici ve sloupcích Marker: až dvě značky – každá z nich má přitom barvu shodnou s grafem pro kanál, jemuž přísluší. Pohyb značek se provádí tažením myší, příslušné hodnoty včetně jejich rozdílů v obou osách lze odečíst ve spodní části okna. Měřítko na svislé ose grafu lze kdykoliv uzpůsobit aktuálnímu rozsahu zobrazovaných veličin stisknutím tlačítka Autoscale v levém dolním rohu okna. Měřítko času lze upravit změnou údaje v poli Time/Div: taktéž v levém dolním rohu okna. 75
Ke sledování aktuální hodnoty jednoho kanálu slouží prvek Monitor umístěný na vodorovném panelu nástrojů. Jeho nastavení se provádí vedlejším tlačítkem (skrytý popis Monitor Channel Properties) tak, že se pomocí menu nastaví položka Monitor Channel na adresu sledovaného kanálu, zvolí se perioda obnovování Refresh Rate a potvrdí tlačítkem OK. Pro sledování většího počtu kanálů se vybere v menu položku Graphics | New4| Data Grid. Sledovaný kanál se danému číslu přiřadí dvojklikem na odpovídající pozici ve sloupci Channel a výběrem jeho adresy. Konec měření Měření se ukončí položkou menu Scan | Stop Scan. V následujícím dialogu je možné změnit popis naměřených dat (podrobnější popis lze provést v dialogu aktivovaném tlačítkem Properties…) a tato uložit tlačítkem OK pro pozdější zpracování, nebo vymazat tlačítkem Delete. 4.2.3 Postup měření teploty při kalení zkušební sondy
Příprava experimentu měření přestupu tepla při kalení - seznámit se s pracovištěm, pecí, sondami a měřicí ústřednou - vyzkoušet funkčnost termočlánků a měřicího systému Zkušební ochlazení sondy ve vodní nádrži - založit sondu do pece a ohřát na cca 100 ºC - zahájit měření chladnutí sondy - otevřít pec, vyjmout sondu a ponořit do vody - sledovat průběh teplot při chladnutí sondy ve vodě - měření ukončit při dochlazení sondy na teplotu 50 ºC - vytáhnout sondu z vody a osušit - prověřit záznam teplot Ochlazení sondy ze 700 ºC ve vodní nádrži - založit sondu do pece a zahájit ohřev na 700 ºC - ukončit měření ohřevu sondy při dosažení prohřátého stavu na 700 ºC, - zahájit měření chladnutí sondy - otevřít pec, vyjmout sondu a ponořit do vody - sledovat průběh teplot při chladnutí sondy ve vodě - měření ukončit při dochlazení sondy na teplotu 50 ºC - vytáhnout sondu z vody Ukončení experimentu - zkontrolovat záznam teplotního měření - osušit sondu - uklidit pracoviště
76
4.2.4 Vyhodnocení povrchové teploty a přestupu tepla
voda 12 Tvoda
povrch sondy 0
1
T0
αvoda
měřicí místa 7 T1
q0
q1
osa sondy 4
T2
q2
5 T3
11 T4
T5
h1 h2 h3
Obr. 4.4: Schéma označení veličin pro vyhodnocení povrchové teploty a součinitele přestupu tepla do vody Přehled veličin použitých v popisu vyhodnocení experimentu: T1, T2, T3, T4, T5 (K) Tvoda (K) qi (W.m-2) αvoda (W.m-2K-1)
- teploty uvnitř sondy - teplota vody - tepelný tok na plochu jednotlivými měřicími místy - součinitel přestupu tepla do vody
Tepelně-fyzikální vlastnosti sondy (ocel třídy 15) potřebné pro vyhodnocení: tepelná vodivost λ=40,7 W.m-1K-1, hustota ρ=7753 kg.m-3, měrná tepelná kapacita cp=608 J.kg-1K-1. Naměřené teploty Vykreslit grafy průběhů teplot v sondě T1, T2, T3, T4, a T5 spolu s průběhem teploty okolí Tvoda (před vložením do vody - teplota vzduchu) v závislosti na čase. Tepelné toky Z naměřených teplot vyhodnotit tepelné toky qi = λ
Ti +1 − Ti pro i = 1, …, 4. hi +1 − hi
(4.1)
Tepelný tok q0 se vypočítá lineární extrapolací z tepelných toků q1 a q2 podle vztahů q0 − q2 q1 − q2 = 2 1
⇒ q0 = 2q1 − q2 .
Vykreslit průběhy tepelných toků qi v závislosti na čase. 77
(4.2)
Vyhodnocení teploty ochlazovaného povrchu Neznámá povrchová teplota T0 se vypočítá z tepelného toku q0 vztahy q0 = λ
T1 − T0 h1
⇒ T0 = T1 −
q0 ⋅ h1
.
(4.3)
q0 . T0 − Tvoda
(4.4)
λ
Vykreslit průběhy teplot T0 až T5 v závislosti na čase. Součinitel přestupu tepla do vody Přestup tepla do vody je dán tepelným tokem q0 podle vztahu q0 = α voda (T0 − Tvoda ) ⇒ α voda =
Vykreslit do jednoho grafu průběh součinitele přestupu tepla do vody αvoda (pravá osa y) a tepelný tok q0 (levá osa y) v závislosti na čase. Vykreslit do dalšího grafu teploty T0, Tvoda, T0 – Tvoda v závislosti na čase. Do dalšího grafu vykreslit závislost součinitele přestupu tepla αvoda na teplotě povrchu T0. 4.3 MĚŘENÍ PŘENOSOVÉ CHARAKTERISTIKY TEPELNÉ TRUBICE 4.3.1 Měření rychlosti proudění
Rychlost proudění tekutin se měří anemometrem. Mechanický anemometr pracuje na principu měření počtu otáček lopatkového kola, které jsou úměrné rychlosti proudění tekutiny. Anemometr GVA0430, ukázaný na Obr.4.5, je přístroj pro měření rychlosti proudění a teploty vzduchu. Lopatková sonda je připojena k přístroji pomocí flexibilního kabelu, to umožňuje měřit i na nepřístupných místech. Displej anemometru zobrazuje současně rychlost proudění a teplotu měřené tekutiny. Přístroj je vybaven komunikačním rozhraním RS 232 pro připojení k PC. Přístroj umožňuje zobrazit rychlost proudění v m.s-1 nebo f.s-1 a teplotu v °C (Celsius) a °F (Ferenheit). Při měření rychlosti proudění lze nastavit výpočet statistické střední hodnoty v intervalu 2 vteřiny až 2 hodiny. Zároveň lze zobrazit nejvyšší a nejnižší hodnotu měřeného časového úseku. Další funkcí je výpočet průtoku, který je pomocí až osmi měřicích bodů průměrné hodnoty rychlosti proudění a zadaného průřezu klimatizačního kanálu společně vypočten a zobrazen na displeji přístroje v m3.s-1. Měřenou aktuální hodnotu lze na displeji zastavit funkcí Hold.
78
8
proudění tekutiny
lopatková sonda termočlánek
měřená rychlost ovládací prvky
(a)
(b)
Obr.4.5: Anemometr GVA0430 - (a) celkové schéma, - (b) detail ovládání Zahájení provozu Bateriový prostor, který je umístěn na spodní straně přístroje, se otevře a připojí baterie, příp. se překontroluje, zda je již baterie připojená. Po zapnutí přístroje pomocí tlačítka B se automaticky provede vnitřní test přístroje (zobrazení všech elementů displeje), po ukončení testu se na displeji zobrazí právě měřená hodnota. Měření rychlosti proudění a teploty vzduchu Po zapnutí se přístroj ihned uvede do režimu měření. V horním části LCD je zobrazena aktuální měřená hodnota rychlosti proudění vzduchu a ve spodní části aktuální měřená teplota. Automatické vypnutí přístroje V případě aktivování funkce vypnutí se přístroj automaticky vypne za 20 min. Při delších měřeních lze tuto funkci deaktivovat. Přidržením tlačítka D při zapnutí přístroje se po testu displeje zobrazí, mimo jiné, i nápis n. Tím je automatické vypínání vypnuto a přístroj se uvede do měřicího režimu. 4.3.2 Měření tlaku
Měření se provádí tlakoměrem kPa (viz. Obr.4.6) s piezoodporovým čidlem tlaku pracujícím na principu změny elektrického odporu s tlakem.
Nastavení přístroje Po zapnutí přístroje tlačítkem B se na displeji objeví údaj blízký nule. Před měřením je nutné pomocí knoflíku A nastavit nulu. Měření Ke vstupnímu nástavci přístroje se připojí hadice, jejíž druhý konec se vloží do měřeného prostoru. Na displeji se okamžitě objeví hodnota tlaku. Měřený tlak se
79
zobrazuje v jednotkách kPa a je relativní k atmosférickému tlaku. Po ukončení měření je potřeba přístroj vždy vypnout.
Obr.4.6: Tlakoměr kPa - (A - knoflík pro nastavení nuly na displeji přístroje, B - vypínač) 4.3.3 Měření vlhkosti
Měření se provádí pomocí teploměru RH82 (viz. Obr.4.7), který slouží jako kapesní přístroj pro rychlé měření teploty (rozsah -20 až 50 °C), relativní vlhkosti vzduchu (0 až 100 %) a rosného bodu. Čidlem teploty je termistor, čidlem vlhkosti kapacitní polymer.
(a)
(b)
Obr.4.7: Teploměr/vlhkoměr RH82 - (a) celkový pohled, - (b) ovládací prvky. 80
Postup měření Nejdříve se provede kontrola správně vložených baterií a sejme se kryt čidel. Přístroj se zapne tlačítkem ON/OFF, rozsvítí se celý displej a zobrazí se měřená hodnota teploty a relativní vlhkosti. Přidržením tlačítka HOLD se na displeji rozsvítí nápis HLD a zobrazený údaj je nastaven na právě měřenou hodnotu. Tato hodnota zde zůstane do stisku tlačítka RST. Přidržením tlačítka td se na displeji rozsvítí nápis td a zobrazí se relativní vlhkost a teplota rosného bodu. Dalším přidržením tlačítka td se přístroj přepne do režimu měření teploty a vlhkosti. Přístroj se vypne tlačítkem ON/OFF nebo automaticky po 20 minutách. 4.3.4 Měření hluku
Měření se provádí pomocí hlukoměru HHSL1 (viz. Obr.4.8), který je určen pro snadné a okamžité měření hladiny hluku. V případě dlouhých měření jej lze také připevnit na stativ. Hlukoměr umožňuje měřit A nebo C frekvenční rozsah, F nebo S časový rozsah a nejvyšší hladinu hluku. Čidlem hluku je 1/2" elektret kondenzátor.
(a)
(b)
. Obr.4.8: Hlukoměr HHSL1- (a) celkový pohled - (b) ovládací prvky
Ovládání přístroje Umístění ovládacích prvků na panelu přístroje je zobrazeno na Obr.4.8. Přístroj při nastavení vypínače A v poloze Lo měří v rozsahu 35-90 dB a v poloze Hi v rozsahu 75-130 dB. Při nastaveném přepínači B v poloze S se měří rovnoměrný hluk, v poloze F střední hodnota proměnlivého hluku. Je-li přepínač C v poloze 81
MAX, zobrazuje se nejvyšší hodnota hluku za celý průběh měření, v poloze RESET probíhá běžné měření. Přepínač D slouží k rozlišení dvou frekvenčních pásem. Pásmo A se používá pro běžná měření vedoucí ke zjištění úrovně hluku. Pásmo C se používá pro zjištění úrovně nízkých frekvencí obsažených v měřeném hluku. Je-li hodnota měřená v pásmu C vyšší než hodnota měřená v pásmu A, v měřené oblasti je vysoké množství nízkofrekvenčního hluku. 4.3.5 Tepelné trubice
Jsou konstrukční prvky sloužící k intenzifikaci přenosu tepla. Základní vlastností, pro kterou jsou tepelné trubice využívány, je jejich vysoká efektivní tepelná vodivost, která vlivem termodynamického procesu mnohonásobně převyšuje vedení tepla mědí stejného průřezu na danou vzdálenost. Další výhodné vlastnosti jsou nízká tepelná kapacita, nízká hmotnost, tvarová různorodost, vysoká sériovost výroby aj. Na Obr.4.9 je struktura a princip činnosti tepelné trubice. Ta představuje uzavřenou trubici z mědi, hliníku, bronzu, oceli aj., která je vakuována a potom zčásti naplněna vhodným teplonosným médiem. Náplň trubice se řídí podle teplotního rozsahu, ve kterém bude pracovat. Část trubice, na kterou jsou tepelně vázány elementy předávající ztrátové teplo se nazývá výparná část. Díky podtlaku, který je v trubici, dochází k vypařování a k varu teplonosného média ve výparné části při nižších teplotách, než při atmosférickém tlaku. tepelná trubice výparná část pohlcování tepla
kapilární soustava
kondenzační část odvod tepla
pára kapalina tepelný tok
Obr.4.9: Schéma kapilární tepelné trubice Vzniklé páry proudí vnitřním prostorem trubice do kondenzační části, kde kondenzují a předávají teplo vnějšímu prostředí. Návrat kondenzátu se uskutečňuje stékáním působením zemské gravitace nebo kapilárními silami. Kapilární soustava na vnitřním povrchu tepelné trubice je tvořena jemnými pravoúhlými nebo trojúhelníkovými drážkami, jemným sítem, sintrováním atp. Hladké gravitační trubice se, bez významnějšího nárůstu tepelného odporu, užívají pro sklon 15° až 90° od horizontální roviny. Kapilární soustavy se používají i pro obvod tepla shora dolů (antigravitační poloha) tedy úhel až -90°.
82
4.3.6 Zkušební trať pro měření charakteristik tepelných trubic
Trať slouží k určování výkonových charakteristik kapilárních tepelných trubic plněných vodou. Výkon trubice závisí na rozměrech trubice, velikosti teplosměnné plochy, sklonu trubice a rozdílu teplot výparného a kondenzačního konce. Výkonovou charakteristikou se rozumí závislost přenášeného tepelného výkonu v závislosti na rozdílu teplot mezi výparným a kondenzačním koncem. Trať umožňuje stanovit tuto charakteristiku pro různé hodnoty zbývajících parametrů. TC 10-13
U1 TC 08
TC 09
TC 14 kondenzační konec TT
topení nastavení sklonu TT
rychlost proudění
anemometr
8
studený vzduch
8 vysavač
tepelná trubice U2 horký vzduch topení TC 07
TC 06
výparný konec TT
TC 02-05
U1
TC
TC
TC 01
220V
komunikační modul
U2
U1
U1
měřené teploty
napájení měřicí moduly
řídicí počítač
datová a napájecí linka
regulace ventilátoru
regulace topení
220V
Obr. 4.10: Schématické uspořádání zkušební trati pro měření charakteristik tepelných trubic a měřicího systému Zkušební trať (viz. Obr.4.11) je tvořena smyčkou potrubí, kde v jedné větvi se tepelné trubici předává teplo a ve druhé větvi se z trubice teplo odvádí. Chladný vzduch přiváděný do potrubí odebírá teplo z kondenzačního konce trubice, načež je dále ohříván elektrickým topením a předává teplo výparnému konci trubice. Při tomto uspořádání byl k měření tepla přiváděného a odebíraného od trubice využit, při splnění určitých předpokladů, princip Thomasova válce. Vysavač je připojen k regulovatelnému zdroji napětí, jímž lze regulovat rychlost proudění vzduchu z vysavače. Tento proud vzduchu je hadicí přiveden do ústí zkušební tratě. Hned za ústím je vložena lopatková sonda anemometru. Anemometrem lze měřit rychlost proudění vzduchu, průtok aj. 83
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Obr.4.11: Zkušební trať - (a) schématické uspořádání, - (b) celkový pohled, (c) ovládací panel regulace rychlosti proudění vzduchu a topení, - (d) zdroj napětí a komunikační spojení měřicího systému, (e) elektrické topení, - (f) umístění tepelné trubice, - (g) vstup a výstup vzduchu. Za sondou anemometru následuje kondenzační konec tepelné trubice. Trubice je uložena do pouzdra s žebrováním, v němž jsou na čtyřech místech umístěné termočlánky. Termočlánky jsou uspořádány do jednoho závitu šroubovice po 84
obvodu trubice a tak tvoří čtyři měřicí místa TC10 až TC13. Stejně jsou termočlánky umístěny do shodného pouzdra pro výparný konec trubice a tvoří také čtyři měřicí místa TC02 až TC05 . Před žebrovaným pouzdrem s kondenzačním koncem trubice je měřicí místo TC01, kde se měří teplota před kondenzačním koncem trubice. V trubici zkušební tratě není laminární proudění, ale turbulentní, měření teploty vzduchu v jednom místě by tedy nebylo přesné. Proto je v měřicím místě vytvořen kříž z měděného drátu a na jeho ramena a do středu jsou připevněny termočlánky. Tyto termočlánky jsou zapojeny paralelně, čímž se vytvoří jedna hodnota tvořící aritmetický průměr všech pěti měřených teplot. Stejná měřicí místa jsou i za kondenzačním koncem trubice TC06 , před a za elektrickým topením TC07, TC08 a před a za výparným koncem trubice TC09, TC14. Před koncem vstupního ramene tratě je umístěno elektrické topení, také připojené na regulovatelný zdroj napětí, tj. lze regulovat ohřev proudícího vzduchu. Následuje smyčka potrubí. Stejné topení je umístěné i za smyčkou, tj. na začátku výstupního ramene tratě. Proudící vzduch lze ohřát až na přibližně 100 °C. K topné spirále je proud usměrněn dýzou, takže za topením je horký střed proudu v němž jsou ještě navíc přehřátá proudová vlákna, která přišla do bezprostředního styku s rozžhavenou spirálou. Proto je v druhém rameni tratě za topením umístěn rozviřovací člen, který vytvoří rovnoměrnější teplotní pole rozvířením proudu vzduchu. Zkušební trať končí výfukem zahřátého vzduchu, kde se měří jeho teplota. Přenos tepla tepelnou trubicí Výparný konec tepelné trubice je zahříván proudícím vzduchem, tj. je mu předáváno teplo. Toto teplo způsobí fázovou přeměnu náplně trubice - vypaří se. Páry se přirozenou konvekcí přesunou na druhý - kondenzační - konec trubice. Zde je trubice ochlazovaná studeným vzduchem, páry kondenzují a předávají tak teplo studenému vzduchu. Zkapalněná náplň stéká, příp. vzlíná zpět do výparného konce trubice. Trať umožňuje určit přenášený výkon pro tepelné trubice běžných průměrů a délek při libovolném náklonu. Konkrétní provedení trati umožňuje pracovat s trubicemi o průměru 5 až 20 mm; délky 70 až 300 mm. Rozsah pracovních teplot tratě od 20 do 90 °C plně pokrývá možnosti kapilárních vodou plněných trubic. Trubice tohoto typu a rozměru mohou přenášet výkony řádově desátek wattů. Elektrické topení musí krýt ztráty tepla z potrubí do okolí a umožňuje nastavení pracovní teploty. Z rozdílu mezi středními hodnotami povrchových teplot tepelné trubice, jež se určí pomocí paralelně zapojených termočlánků, na výparném a kondenzačním konci se určí teplo trubicí přenesené a následně přenesený výkon. Závislost přeneseného výkonu na rozdílu teplot výparného a kondenzačního konce trubice lze použít ke vzájemnému porovnání výkonů trubic a jako charakteristika pro praktické využití.
85
Měřicí systém je sestaven z modulů ADAM, jejichž popis je uveden v kapitole 1.5.2. Pro vyhodnocení výkonové charakteristiky tepelné trubice byl software rozšířen o okno Vyhodnocení (Obr. 4.13). 4.3.7 Vyhodnocení charakteristiky tepelné trubice
Přehled veličin (Obr. 4.12) použitých v popisu vyhodnocení experimentu:
T1, T2, T3, T4, T5, T6 (K) - teploty měřené uvnitř vzduchové trati S (m2) - plocha vzduchového kanálu v (m/s) - rychlost proudění Q (W) - výkon přenášený tepelnou trubicí Qv, Qk (W) - výkon přijímaný a vydávaný tepelnou trubicí Qt (W) - výkon topení Q0, ∆Q (W) - výkon na vstup a výstupu (Q0+∆Q) tratě Qz (W) - ztrátový výkon tratě Tepelně-fyzikální vlastnosti vzduchu potřebné pro vyhodnocení: hustota ρ=0,590 kg.m-3, měrná tepelná kapacita cp=1235 J.kg-1K-1. T1
T2
Q0+∆Q Q Q0 v
Qv
T6 Qt
Qk T5
S
T3
T4
Obr. 4.12: Schéma označení veličin pro vyhodnocení výkonu přenášeného tepelnou trubicí Výkon dodávaný topením Qt, výkon přebíraný trubicí (výparný) Qv, výkon odebíraný z trubice (kondenzační) a přírůstek výstupního výkonu tratě ∆Q jsou definovány vztahy
Qt = c p ⋅ ρ ⋅ S ⋅ v ⋅ (T6 − T5 )
(4.5)
Qv = c p ⋅ ρ ⋅ S ⋅ v ⋅ (T2 − T1 )
(4.6)
Qk = c p ⋅ ρ ⋅ S ⋅ v ⋅ (T4 − T3 )
(4.7)
86
∆Q = c p ⋅ ρ ⋅ S ⋅ v ⋅ (T3 − T1 )
(4.8)
Hodnoty všech uvedených výkonů jsou aktuálně zobrazovány měřicím softwarem (Obr. 4.13). Ručně je nutné zadat rychlost proudění vzduchu měřenou na vstupu do tratě.
Obr. 4.13: Panel vyhodnocení výkonové charakteristiky tepelné trubice 4.3.8 Postup měření na zkušební trati
Příprava experimentu - vyzkoušet funkčnost měřicího systému - prověřit jednotlivé přístroje - dohodnout postup a rozdělení prací v týmu Měření - zapnout vysavač - zapnout topení - zapnout jednotku ADAM 00 - spustit program mereni_tt.exe 87
- v programu stisknout Inicializace, pak Konfigurace, pak Kanály - zapnout anemometr - pomocí regulace vysavače a topení nastavit požadovanou rychlost proudění - nastavenou hodnotu rychlosti proudění zapsat do programu (volba Vyhodnocení, položka Měřená rychlost - V-vstup) - do programu zapsat obsah průřezu sondy anemometru - měření pustit tlačítkem Start - pomocí hlukoměru změřit úroveň hluku prostředí a na výstupu z tratě - pomocí kapesního vlhkoměru změřit teplotu a vlhkost vzduchu na vstupu do tratě - provést měření tlakoměrem - po ustálení zaznamenat hodnoty v okně Vyhodnocení - pro ukončení měření stisknout tlačítko Stop - ukončit program tlačítkem Konec - provést proměření charakteristiky tepelné trubice pro úhly -90, -45, 0, +45 a 90 ° - vypnout jednotku ADAM 00 - vypnout topení - vypnout vysavač - vypnout a uklidit přístroje
Vyhodnocení přenosové charakteristiky tepelné trubice - vykreslit naměřené teplotní průběhy a záznamy hodnot okna Vyhodnocení, tj. rozdíl teplot před a za topením, před a za kondenzačním a výparným koncem trubice, průměrné teploty kondenzačního a výparného konce trubice a vyhodnocení výkonů - k vyhodnocení charakteristiky tepelné trubice připojit naměřené podmínky experimentu (úroveň hluku, teplota a vlhkost výstupního vzduchu z trati, teplota okolí).
4.4 POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ PÍSEMNÉHO REFERÁTU A KONTROLNÍ OTÁZKY 4.4.1 Obsah referátu
V části zvolené metody zpracování popsat: - experiment měření přestupů tepla při kalení - celkové uspořádání, měřený objekt jeho ohřev a ochlazování, měřicí systém, postup měření a vyhodnocení, - experiment měření tepelných trubic - celkové uspořádání, zkušební trať, měřicí systém, postup měření a vyhodnocení.
88
V části výsledky a diskuse uvést: - naměřené teploty ve zkušební sondě při ochlazování s popisem časového průběhu experimentu, dále vyhodnocené tepelné toky, povrchovou teplotu a součinitel přestupu tepla podle postupu 4.2.4. Objasnit průběhy jednotlivých veličin. - naměřené teploty v jednotlivých místech tratě a trubice. Do tabulky souhrnně vyjádřit zjištěné hodnoty přenášených výkonů. 4.4.2 Kontrolní otázky
• Procesy přenosu tepla při ochlazování ohřátých těles v kapalinách. • Kdy a proč se k měření povrchové teploty používá nepřímé metody měření ? • Praktický postup nepřímého měření povrchové teploty. • Princip činnosti tepelné trubice a její vnitřní uspořádání. • Co je přenosová charakteristika tepelné trubice a jak se měří ?
89
90
5 MECHANICKÁ MĚŘENÍ
Seznámení s měřením deformací a mechanických napětí pomocí elektrických odporových tenzometrů. Postup lepení tenzometrů. Způsob zapojení do měřicího obvodu. Měření na nosníku konstantní pevnosti. Zbytková napětí a jejich měření. Odvrtávací metoda semidestruktivního měření zbytkových napětí. Vyhodnocení napětí z naměřených deformací v okolí otvoru po odvrtání.
91
5.1 CÍL CVIČENÍ
• •
Seznámit se s měřením deformací a mechanických napětí elektrickými odporovými tenzometry. Na nosníku konstantní pevnosti určit vliv různých způsobů zapojení tenzometrů do Wheatstonova můstku. Seznámit se s odvrtávací metodou měření zbytkových napětí. Na odvrtaném nosníku s tenzometry provést experimentální ověření vztahů pro průběh napětí v okolí neprůchozího otvoru a stanovit tzv. kalibrační koeficienty.
5.2 MĚŘENÍ DEFORMACÍ A MECHANICKÝCH NAPĚTÍ 5.2.1 Tenzometry a jejich použití
K nejčastěji používaným čidlům deformací patří elektrické odporové tenzometry. Rozdělují se na drátkové, fóliové a polovodičové. Tenzometry jsou pevně spojeny s povrchem součásti (viz. Obr. 5.1) a při zatížení se deformují spolu s ním. Základní charakteristikou elektrických odporových tenzometrů je změna odporu R o dR v závislosti na deformaci ε podle vztahu
k0 =
dR / R
ε
(5.1)
kde k0 je citlivost tenzometru. Přesnost měření je značně závislá na správném přilepení příp. přivaření snímače k měřenému povrchu. Postup lepení je zpravidla udáván přímo výrobcem a závisí na typu tenzometru, lepidla apod.
Obr. 5.1: Tenzometr nalepený na povrch materiálu
92
R1
R2 Uout
R4
R3
Uin
Obr. 5.2: Zapojení tenzometrů do Wheatstonova můstku Nejběžnější měřicí zapojení tenzometrů je do tenzometrického (Wheatstonova) můstku na Obr. 5.2, kde R1 až R4 představují tenzometry, Uin napájecí napětí můstku a Uout výstupní napětí. Podle typu zapojení, tj. počtu aktivních tenzometrů, platí různé vztahy pro závislost změny výstupního signálu na měřené deformaci. Pro U (5.2) um = out U in jsou odpovídající vztahy uvedeny v Tab. 5.1. Tab. 5.1: Výstupní signál tenzometrického můstku v závislosti na zapojení.
plný můstek
aktivní všechny tenzometry
půlmost kompenzační
aktivní R1, R2
půlmost nekompenzační
aktivní R2, R4
čtvrtmost
aktivní R1
k0 [ε 1 − ε 2 + ε 3 − ε 4 ] 4 k 0ε 1 − k 0 ε 2 um = − 4 + 2k 0ε 1 + 2k 0ε 2
um =
k 0 ε 2 + k 0 ε 4 + k 02 ε 2 ε 4 um = 4 + 2k 0 ε 2 + 2k 0 ε 4 + k 02 ε 2 ε 4
um =
k 0ε 1 4 + 2 k 0ε 1
Optimální zapojení je do plného tenzometrického můstku nebo kompenzačního půlmostu, které vykazují lineární chování a sousední větve navzájem kompenzují rušivé vlivy. Zapojení se používá v případech, kdy oba tenzometry měří stejné deformace opačného směru tj. ε 1 = −ε 2 resp. ε 1 = ε 3 = −ε 2 = −ε 4 .
93
5.2.2 Měření na nosníku konstantní pevnosti
Experiment měření deformace a napětí je prováděn na zatěžovaném vetknutém nosníku konstantní pevnosti. Pracoviště skládající se z nosníku s nalepenými tenzometry, zatěžovacího zařízení, měřicí ústředny a řídicího počítače je na Obr. 5.3. Toto kalibrační zařízení umožňuje provádět experimenty měření deformací s nosníky různých velikostí a materiálů. Základní rám tvoří protáhlý podstavec ve tvaru "U". Jeden konec je mírně vyvýšený a slouží k uchycení zkušebního nosníku. Ten se připevní k základnímu rámu pomocí přítlačné desky a zajistí šrouby. Druhá strana rámu je konstruována tak, aby na něj bylo možné nasunout zatěžovací rám do požadované polohy nad nosníkem a tuto polohu fixovat. Vlastní zatěžování nosníku se provádí pomocí trnu se závažím. Horní část trnu je opatřena závitem, na který je našroubováno základní závaží. Na ně se pak již bez závitu nasazují další závaží. nosník konstatní pevnosti závaží
svorkovnice měřicí ústředna
zatěžovací trn tenzometry
řídicí počítač 220V
rám
220V
(a)
(b)
(c)
Obr. 5.3: Kalibrační zařízení pro měření deformací a napětí -(a) schématické uspořádání, -(b) měřicí ústředna Spider8, -(c) nosník konstantní pevnosti s nalepenými tenzometry upevněný v rámu
94
část konstantní pevnosti
část konstantní šířky
L1
L2
b1
b2
vetknutí
tenzometry
F
x
0
h
zatěžovací síla
Obr. 5.4: Nosník částečně konstantní pevnosti
Předmětem měření je nosník částečně konstantní pevnosti (viz. Obr. 5.4). Jedná se nosník obdélníkového průřezu o konstantní výšce h rozdělený na část L2 o konstantní šířce b2 (působiště zatěžovací síly) a část L1 o konstantní pevnosti (konstantní napětí σx). Počátek souřadného systému je zvolen na volném konci, na který působí síla F ve směru osy y. V x-ové vzdálenosti L1+L2 je nosník vetknutý a jeho šířka je b1. Aby byla v části L1 dodržena podmínka konstantní pevnosti při konstantní výšce nosníku, musí platit
L +L 2b b = 1 1 2 L 2
(5.3)
Potom pro velikost napětí na povrchu v části L1 platí
σx =
12 F ⋅ L2 h ⋅ , b2 h 3 2
σy =0.
(5.4)
Vztah mezi napětím σ a poměrnou deformací ε (část konstantní pevnosti) je pak za předpokladu lineární pružnosti
σ = E ⋅ε ,
(5.5)
kde E je modul pružnosti. Měření deformace/napětí se provádí tenzometry. Na horní i spodní povrch jsou nalepeny dva tenzometry. Umístění tenzometrů umožňuje zkoušet vliv různého zapojení (celý most, půlmost, čtvrtmost) na přesnost a stabilitu měření. Zapojení tenzometrů na měřicí ústřednu Spider8 je podle schématu na Obr. 5.5.
95
8 - výstupní signál (-) R1
8 - výstupní signál (-)
5 - napájecí napětí (-)
R1
R4
5 - napájecí napětí (-) 15 - výstupní signál (+)
R2
(a)
6 - napájecí napětí (+)
R2
(b)
R3
6 - napájecí napětí (+)
(c) Obr. 5.5: Schéma zapojení tenzometrického můstku na ústřednu SPIDER 8 resp. svorkovnici - (a) částečné, - (b) úplné zapojení
Tenzometry jsou k měřicí ústředně připojeny přes svorkovnici. Pro zapojení jsou využity 4 (viz. Obr. 5.5b - plný most, půlmost, čtvrtmost) resp. 3 kontakty (viz.Obr. 5.5a půlmost - kompenzační, čtvrtmost). Na Obr. 5.5(c) je vstup pro vodiče snímačů tj. tenzometrů do svorkovnice pro jeden kanál (jeden tenzometrický můstek) s označením využitých kontaktů. Ze svorkovnice je pak veden stíněný kabel ukončený odpovídajícím konektorem (15-pin konektor Sub-D) zapojeným do tenzometrického modulu SR55 měřicí ústředny. Digitální měřicí ústředna Spider 8 představuje multifunkční zesilovač a A/D převodník pro měření elektrických napětí, proudů, odporů, deformací, teplot a dalších veličin. Ústředna je modulární - v základním provedení obsahuje 4 moduly SR55 pro tenzometrické nebo indukční měření. Lze ji rozšířit o další moduly stejného typu nebo o moduly pro měření teplot (termočlánky), napětí, proudů a odporů (mosul SR01). Každý modul, tj. kanál, má vlastní A/D převodník s vzorkovací frekvencí 1 až 9600 Hz. Celkový počet modulů je limitován 8. Lze však kaskádovitě spojit až 8 přístrojů Spider 8 a tím dosáhnout plných 64 kanálů. Kromě měřicích kanálů je ústředna vybavena samostatným digitálním I/O portem, PC/MASTER portem pro připojení řídicího počítače nebo předchozího přístroje SPIDER 8, PC/SLAVE portem pro připojení následujícího přístroje SPIDER 8 nebo k výstupu na tiskárnu a sériovým rozhraním RS232 pro alternativní připojení
96
řídicího počítače. Ústředna nemá vlastní ovládací prvky, je kompletně řízena pomocí ovládacího softwaru v řídicím počítači. K ovládání měřící ústředny lze použít více programů. Jedním z používaných softwarů je Conmes Spider. Pomocí něho lze provádět nastavení kanálů a způsobu komunikace, kalibraci kanálů, vlastní měření a vyhodnocení měřených dat v závislosti na instalovaných komponentech měřicí ústředny. Postup použití programu je na Obr. 5.6. kalibrace
START
nastavení komunikace (portu)
konfigurace - hlavní menu
načtení dat ze souboru
měření
vyhodnocení a export dat
Obr. 5.6: Postup použití programu Conmes Spider Inicializace Po spuštění programu se objeví úvodní okno a uživatel je vyzván k nastavení způsobu komunikace - paralelní port, sériový port a parametry přenosu (závislé na HW počítače). V případě volby "Ignorovat" nebude navázáno s ústřednou spojení a další krokem bude načtení a vyhodnocení již naměřených dat. Nastavení parametrů - konfigurace V menu pro konfiguraci kanálů se nastavují parametry přenosu dat - frekvence vzorkování, typ filtru, frekvence filtru, příp. další parametry (počet vzorků na kanál, doba měření, počet desetinných míst, apod.). Některé z nich lze měnit i v průběhu měření. Dále se nastavují parametry jednotlivých kanálů: označení a typ snímače, citlivost, filtr, offset. Měření Část (panel) měření umožňuje provést konfiguraci a spustit měření. Vlastní měření se spouští tlačítkem Start/Stop. Po ukončení měření se program automaticky přepne do části vyhodnocení dat. Vyhodnocení a uložení naměřených dat Panel vyhodnocení je obdobný jako panel měření. Přibývají zde položky pro práci se soubory (ukládání, export, ...), práci s osami (měřítka, výseky, ...) a analýzu dat
97
(volitelná komponenta podle verze programu). Po vyhodnocení a uložení měřených dat lze zvolit návrat zpět do části měření, konfiguraci kanálů nebo načtení a analýzu dat uložených v souboru. 5.2.3 Postup měření na nosníku a vyhodnocení
Postup měření - vložit nosník do kalibračního rámu, - zapojit tenzometry do plného mostu a zkontrolovat ohmmetrem zapojení, - změřit deformace pro pět různých závaží (m1 - m5), - odlehčit nosník, - zopakovat postup pro zapojení do kompenzačního půlmostu a čtvrtmostu, - odpojit měřicí systém, vyjmout nosník z rámu. Postup vyhodnocení - podle vztahu (5.4) spočítat teoretické napětí v nosníku pro zvolená závaží, - z tenzometry naměřené hodnoty um vyhodnotit deformace podle odpovídajícího vztahu v Tab. 5.1 a napětí podle (5.5) s odpovídající hodnotou modulu pružnosti, - vyhodnotit absolutní a relativní chybu vzhledem k teoretické hodnotě napětí, - porovnat jednotlivá zapojení. 5.3 MĚŘENÍ ZBYTKOVÝCH NAPĚTÍ
Zbytkové napětí je definováno jako napětí, které se vyskytuje v materiálu bez působení vnějšího zatížení. Vzniká v důsledku technologie výroby a následného zpracování materiálu. Vyskytuje se prakticky ve všech technických materiálech a výrazným způsobem ovlivňuje jejich vlastnosti. Pro zjišťování zbytkových napětí se používají různé techniky založené na odlišných fyzikálních principech. Jedna z nejpoužívanějších experimentálních metod je semidestruktivní odvrtávací metoda, založená na měření uvolněných zbytkových napětí v okolí vyvrtaného otvoru. Mezi další metody patří rentgenová a neutronová difrakce - použití rtg. nebo neutronového záření pro měření deformace mřížky způsobené zbytkovým napětím; nebo metoda průhybu - měření průhybu tenkého pruhu materiálu, způsobeného nerovnoměrným rozložením napětí po jeho tloušťce. Žádná z uvedených příp. dalších používaných technik přitom není univerzální, každá má svoje uplatnění pro určité typy úloh. 5.3.1 Odvrtávací metoda semidestruktivního měření zbytkových napětí
Zjišťování zbytkových napětí odvrtávací metodou je založeno na měření napětí, které se v materiálu uvolní vytvořením malého otvoru. Pomocí tenzometrické růžice se zjišťuje deformace v okolí otvoru vzniklá tímto uvolněním (viz Obr. 5.7). Vlastní výpočet napětí je pak proveden pomocí částečně empirických vztahů vycházejících z analýzy napěťového stavu v okolí kruhového otvoru. 98
45°
45°
θ
tenzometr 3
tenzometr 1
před odvrtáním
po odvrtání tenzometr
poloměr vyvrtaného otvoru
hlavní poloměr růžice – polohy tenzometrů
odvrtaný materiál
měřený materiál se zbytkovým napětím
tenzometr 2
(a)
(b)
Obr. 5.7: Schéma měření zbytkových napětí odvrtávací metodou - (a) 45° tenzometrické růžice (ASTM typ), - (b) deformace otvoru po odvrtání při tahovém zbytkovém napětí v materiálu
Napjatost v okolí kruhového otvoru lze za určitých podmínek - průchozí otvor, homogenní izotropní materiál, elastická oblast deformace - vyjádřit analytickými vztahy. Řešení, které provedl G. Kirsch v r. 1898 a které bylo mnohokrát prokázáno měřením, vychází z možnosti zjednodušení úlohy na 2D. Předpokládá se, že malý otvor v dostatečně velké desce zatížené počátečním (zbytkovým) napětím vyvolá pouze lokální změnu napětí v blízkém okolí otvoru. Odečtením počátečního napětí od napětí vzniklého po vyvrtání otvoru se dostane výsledná změna napětí, která odpovídá uvolněnému napětí. Úplný postup vede ke vztahu
(
) (
)
ε r = A σ x + σ y + B σ x − σ y cos(2θ )
(5.6)
pro radiální deformaci způsobenou uvolněným napětím. σx a σy jsou hlavní napětí, koeficienty A, B jsou definovány vztahy A=− B=−
1 +ν 1 2E R
1 +ν 2E
3 4 1 − 1 +ν R2 R4
(5.7) (5.8)
kde E a ν jsou Youngův modul pružnosti a Poissonova konstanta a R je definováno jako R=r/ra, kde ra je poloměr otvoru, r je vzdálenost od středu otvoru a θ je směr hlavního napětí od směru tenzometru 1 (po směru hodin). V rovnicích (5.7) a (5.8)
99
je přitom zanedbána konečná velikost tenzometrů. Řešení rovnice (5.6) pro tenzometrickou růžici na Obr. 5.7, tj. pro úhly θ=0, θ=45° a θ=90° je
σ x, y =
ε 3 + ε1 4A
m 1
(ε 3 − ε1 )2 + (ε 3 + ε1 − 2ε 2 )2 4B ε 3 + ε1 − 2ε 2 ε ε − 3 1
θ = arctan 2
(5.9) (5.10)
kde ε1, ε2, ε3 jsou deformace měřené tenzometry 1-3. Uvedené vztahy odpovídají průchozímu otvoru a výše uvedeným podmínkám. Ve většině případů se měření provádí na otvoru konečné hloubky, kdy koeficienty A, B nelze vyjádřit podle (5.7) a (5.8). V takovém případě je nutné použít koeficienty A , B , jejichž hodnota je zjišťována experimentální nebo numerickou kalibrací. Kalibrační koeficienty jsou většinou uváděny v bezrozměrovém tvaru a=
2 EA 1 +ν
b = 2 EB .
(5.11)
5.3.2 Měření zbytkových napětí
Zařízení-pracoviště pro zjišťování zbytkových napětí odvrtávací metodou ukázané na Obr. 5.8 se skládá z mechanické části odvrtávacího zařízení (SINT2), elektronické (řídící) části odvrtávacího zařízení (SINT1), digitální měřicí ústředny (SPIDER 8), řídicího počítače (PC) a kompresoru. Základní část pracoviště tvoří elektronická a mechanická část odvrtávacího zařízení firmy Hottinger Baldwin Messtechnik (HBM). Mechanická část zajišťuje vlastní odvrtávání měřeného vzorku. Odvrtávacím nástrojem je frézka konického tvaru poháněná přes vysokootáčkovou turbinku stlačeným vzduchem (kompresor). Odvrtávací zařízení je téměř kompletně - s výjimkou horizontálního nastavení polohy a hrubého nastavení vertikální polohy - ovládáno pomocí řídicího počítače. Propojení kompresoru, mechanické části zařízení (tlakový vzduch + datový kabel) a řízení jednotlivých operací - jemné nastavení vertikální polohy, přívod tlakového vzduchu apod.) zajišťuje elektronická část zařízení, která přes DAQ Card komunikuje s řídicím programem. Řídicí program (Sint-RSM) zároveň komunikuje s měřicí ústřednou a zaznamenává měřené deformace v závislosti na hloubce otvoru. Program Eval-RSM slouží k vyhodnocení vlastních zbytkových napětí z měřených deformací a k exportu příp. úpravě dat.
100
SINT 2 mechanická část odvrtávacího zařízení
mikrometr
mikroskop se zaměřovacím křížem mikrometr
nastavení horizontální polohy
nastavení vertikální polohy
kompresor
tlakový vzduch
tlakový vzduch
8 nastavení vodorovné polohy
SINT 1 elektronická část odvrtávacího zařízení
8 220V
frézka poháněná turbínkou
220V měřicí ústředna
tenzometr řídicí počítač vzorek materiálu
svorkovnice 220V
220V
Obr. 5.8: Pracoviště měření zbytkových napětí odvrtávací metodou 5.3.3 Experimentální analýza napětí v okolí odvrtaného otvoru
Pro měření zbytkových napětí odvrtávací metodou je důležitá analýza napěťovědeformačního pole v okolí kruhového otvoru. Předmětem cvičení je proto experimentální ověření vztahů pro napětí v okolí otvoru konečné hloubky. Napětí je vloženo až po odvrtání otvoru, narozdíl od měření zbytkového napětí, které je v materiálu přítomné již před odvrtáním. Pro zjednodušení se zanedbává vliv změny napětí po hloubce. Za předpokladu, že měřený vzorek je dostatečně velký, vede odvození vztahů pro napětí v okolí otvoru k obdobnému vztahu pro radiální deformaci jako v případě vyjádření zbytkového (uvolněného) napětí (5.6)
101
(
)
)
(
ε r = Ao σ x + σ y + Bo σ x − σ y cos(2θ )
(5.12)
Kalibrační koeficienty Ao, Bo jsou v tomto případě odlišné od koeficientů A, B uvedených ve vztahu (5.6) a charakterizují vliv otvoru daného průměru a hloubky v určité vzdálenosti při konstantním napětí. Měření se provádí na nosníku konstantní pevnosti, který je zatěžován v kalibračním zařízení pro měření deformací a napětí (Obr. 5.3). Na nosníku schématicky ukázaném na Obr. 5.9 je nalepena tenzometrická růžice a vyvrtán otvor. vetknutí
část konstantní pevnosti
část konstantní šířky
L1
L2 b2
tenzometr
0
π/4 zatěžovací síla odvrtaný otvor
x
F h
b1
π/2 tenzometrická růžice
0
Obr. 5.9: Nosník částečně konstantní pevnosti s tenzometrickou růžicí a odvrtaným otvorem 5.3.4 Postup měření a vyhodnocení na odvrtaném nosníku
Postup měření - upevnit odvrtaný nosník do kalibračního zařízení, - zapojit tenzometry z růžice do čtvrtmostu, zkontrolovat zapojení ohmmetrem, - změřit deformace nosníku v okolí otvoru v úhlech 0, π/2, π/4 pro šest různých závaží, - odpojit měřicí systém a vyjmout nosník z rámu, - uklidit pracoviště. Postup vyhodnocení - vypočítat teoretická napětí v nosníku pro zvolená zatížení podle (5.4), - pro první zatížení určit hodnoty kalibračních koeficientů podle (5.12) z teoretické hodnoty napětí v nosníku a změřených deformací pro dva různé úhly, - pro dalších pět zatížení určit teoretické hodnoty deformací v okolí otvoru na základě známého zatížení (napětí podle (5.4)) a zjištěných kalibračních koeficientů podle (5.12)) a porovnat je s hodnotami naměřenými. 102
5.4 POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ PÍSEMNÉHO REFERÁTU A KONTROLNÍ OTÁZKY 5.4.1 Obsah referátu
V části zvolené metody zpracování popsat: princip tenzometrického měření, použití kalibračního zařízení - nosníku konstantní pevnosti, postup provedení experimentů na neodvrtaném a odvrtaném nosníku a jejich vyhodnocení. V části výsledky a diskuse uvést: - v případě měření na neodvrtaném nosníku: naměřené deformace a napětí pro zvolená zatížení a zapojení tenzometrů, porovnání výsledků jednotlivých zapojení mezi sebou a s teoretickou hodnotou - v případě měření na odvrtaném nosníku: naměřené deformace a napětí pro zvolená zatížení, vypočtené hodnoty kalibračních koeficientů, porovnání naměřených deformací s teoretickými. 5.4.2 Kontrolní otázky
• Jaký je vztah mezi napětím a deformací za předpokladu lineární pružnosti ? • Elektrické odporové tenzometry a postup měření. • Způsoby zapojení tenzometrů v měřicím obvodu. • Nosník konstantní pevnosti a způsob ověřování tenzometrického měření napětí. • Princip měření zbytkových napětí odvrtávací metodou. • Význam kalibračních koeficientů při určení napětí z měřených deformací v okolí otvoru.
103
104
6 PRŮMYSLOVÝ EXPERIMENT
Průmyslové experimenty se liší od měření v laboratorních podmínkách. Cvičení si proto klade za cíl seznámit se zvláštnostmi průmyslového experimentu. Jako příklad je uvedeno měření teploty vsázky v dávkových a průběžných pecích a použití měřicích systémů s vnitřní pamětí a telemetrickou komunikací s obsluhou. Praktická část cvičení je zaměřena na zkoušku odolnosti tepelné box-bariéry ochranného krytu měřicího systému.
105
6.1 CÍL CVIČENÍ
• Seznámit se s měřicím systémem s telemetrickou komunikací pro dlouhodobá měření teploty v dávkových pecích a s měřicím systémem s vnitřní pamětí pro měření teploty v průběžných pecích. • Provést laboratorní zkoušku tepelné odolnosti vnitřní vrstvy tepelné box-bariéry (TBB) ochranného krytu měřicího systému. • Vyhodnotit průběhy teplot a tepelných toků do vnitřku box-bariéry, vyjádřit závěry o fyzikálních mechanismech tepelné ochrany měřicího elektronického systému a zhodnotit experiment z pohledu jeho průběhu, dosažení žádaných výsledků a jejich zpracování. 6.2 MĚŘENÍ V DÁVKOVÝCH PECÍCH 6.2.1 Kalibrační měření dávkových pecí
Průmyslové dávkové pece se používají v ocelárnách k současnému ohřevu několika rozměrných kusů vsázky. Studená vsázka se zaváží do studené pece. Pec se pak řízeně vytápí podle zadaného ohřevového režimu. Cílem je postupný ohřev vsázky na požadovanou teplotu. Po ohřevu obvykle následuje kování nebo kalení. Cílem kalibračního měření dávkové pece je stanovit nebo upřesnit parametry ohřevu pro optimalizaci ohřevových režimů. Jedná se zejména o doby prodlev na teplotě, tj. určení časů prohřátí vsázky na požadované teplotě v celém objemu. Výsledkem vlastního měření a vyhodnocení je: • průběh teploty vsázky a pece při určitém ohřevovém režimu, • intenzita ohřevu vsázky ve vazbě na měřenou teplotu pecní atmosféry, • přesnost měření teploty pece pecními termočlánky. Znalost uvedených skutečností je nutná pro vytvoření věrohodného počítačového modelu ohřevu vsázky, který je používán k návrhu náhřevových režimů pro vsázky různých rozměrů a materiálů. Kalibrační měření spočívá v provedení vlastního měření teploty pecní atmosféry a zkušební vsázky (povrch, podpovrch, tepelný střed) při jejím ohřevu. Další částí je vyhodnocení naměřených průběhů teplot a stanovení hledaných parametrů ohřevu. Teplota zkušební vsázky a okolní pecní atmosféry je měřena termočlánky. Termočlánky jsou umístěny v měřicí sondě, která zabezpečuje dobrý kontakt v měřicích místech, přesně definovanou polohu měřicích míst a vyvedení termočlánků podél izoterm teplotního pole ohřívané vsázky. Termočlánkové vedení je od vsázky vedeno pecí v tepelně izolačním pouzdru k měřicí ústředně, který je v ochranném krytu vně pece. Princip měření je ukázán na Obr. 6.1.
106
komorová pec
mobilní telefon
hořáky
sonda s termočlánky
pecní termočlánky vsázka měřicí systém v terénu
operátor mobilního připojení k internetu
měřená teplota 220V tep. izolace termočlánkového vedení
měřicí moduly
řídicí počítač
napájení
mobilní telefon
e-mailová schránka měřicího systému
komunikační modul
datová a napájecí linka
laboratoř
měřená teplota
počítač
Obr. 6.1: Měření teploty vsázky v peci pomocí měřicího systému s telemetrickou komunikací 6.2.2 Měřicí systém s telemetrickou komunikací
V průmyslových podmínkách je obvykle měřicí systém vystaven zvýšenému tepelnému a mechanickému zatížení a v průběhu experimentu, bohužel, i nezodpovědnému lidskému faktoru. Protože experimenty obvykle trvají až několik dní, je potřeba zabezpečit informovanost obsluhy o průběhu experimentu a stavu měřicího systému i při její nepřítomnosti na místě měření. Používá se proto měřicí systém s dálkovou telemetrickou komunikací s uživatelem. Tento systém řízený počítačem sestává z měřicího podsystému, který provádí měření a záznam dat, a
107
z komunikačního podsystému, který zabezpečuje informační spojení s obsluhou. Schématické uspořádání jednotlivých částí systému je na Obr. 6.1 Měřicí podsystém sestává z měřicích modulů ADAM, jejichž vlastnosti a způsob zapojení jsou uvedeny v části 1.5.2. Moduly ADAM 4018M slouží jako převodníky analogového signálu napětí termočlánku na digitální teplotu. Sběr dat z jednotlivých kanálů je softwarově řízen z řídicího počítače prostřednictvím komunikačního modulu ADAM 4520 (konvertor RS-232/RS-485). Ovládací panel softwaru je ukázán na. Obr. 6.2, umožňuje inicializaci propojení s měřicími
Obr. 6.2: Ovládací panel softwaru pro měření
Obr. 6.3: Ovládací panel softwaru pro mobilní komunikaci
108
moduly, nastavení parametrů měření a jejich zápis do vnitřní paměti jednotlivých modulů, sběr naměřených teplot z jednotlivých kanálů a jejich záznam do souboru. Ovládání programu je velice podobné uvedenému v části 1.5.2. a tlačítka se používají v pořadí Inicializace, Konfigurace, Kanály, Start, Stop. Komunikační podsystém představuje programově řízené mobilní připojení k internetu. Využívá se mobilního telefonu Nokia CardPhone, který má podobu PCMCIA karty. Vytvořený software, jehož ovládací panel je ukázán na Obr. 6.3, zabezpečuje správu telefonického spojení s operátorem mobilního připojení k internetu. Tlačítkem Inicializace se vyhledá mobilní připojení k síti a nastaví se parametry přenosu. Stiskem Opakované posílání se zahájí opakované odeslání emailů s aktuálním stavem měření na zadané adresy. 6.2.3 Příprava a provedení experimentu
Předpříprava na místě měření - prověřit možnosti použití měřicího systému (teplota v peci, doba ohřevu vsázky, napájení, zabezpečení proti zcizení či poškození) - zajistit zkušební vsázku a další přípravky pro měření - zvolit měřicí místa ve vsázce - připravit vsázku a měřicí sondy pro vložení termočlánků Příprava v laboratoři - zajistit a zkalibrovat termočlánky - vyzkoušet a zkalibrovat měřicí systém - nastavit a vyzkoušet komunikační systém - připravit měřicí systém a další příslušenství k převozu na místo měření Příprava na místě měření - dohodnout postup a rozdělení prací v pracovním týmu - instalovat termočlánky do sond a do vsázky - zavést termočlánkové vedení k měřicí ústředně - nastavit parametry a vyzkoušet funkčnost měřicího a komunikačního systému - prověřit jednotlivé termočlánky Měření - vložit studenou vsázku do pece - zahájit záznam měřených teplot a mobilní komunikaci - uzavřít ochranný kryt měřicího systému - probíhá automatické měření při němž je obsluha na dálku pravidelně informována o jeho stavu - otevřít ochranný kryt měřicího systému - ukončit měření
109
Po ukončení na místě měření - zajistit záznamy o průběhu ohřevu z řídicího systému pece - dochladit vsázku na pokojovou teplotu - prohlédnout stav vsázky po ohřevu a vyjmout měřicí sondy s termočlánky - připravit měřicí systém a příslušenství k převozu zpět z místa měření Vyhodnocení v laboratoři - analyzovat naměřené průběhy teplot, vyloučit případné hrubé chyby měření - vytvořit počítačový simulační model ohřevu vsázky - vyhodnotit dynamické teplotní pole ve vsázce, tepelné toky a přestupy tepla - porovnat údaje pecního řídicího a optimalizačního systému s výsledky měření a provést jejich úpravu 6.3 MĚŘENÍ V PRŮBĚŽNÝCH PECÍCH 6.3.1 Kalibrační měření průběžných pecí
Cílem kalibračního měření je stanovit nebo upřesnit parametry ohřevu v průběžné peci pro správnou funkci systému optimálního řízení ohřevu. Jedná se zejména o : • rozložení teploty podél pece a přesnost stávajícího termočlánkového měření teploty pecní atmosféry, • intenzita ohřevu ve vazbě na měřenou teplotu pecní atmosféry, • přesnost pyrometrického měření teploty povrchu vsázky. Znalost uvedených skutečností je nezbytná pro vytvoření věrohodného počítačového modelu ohřevu vsázky, který je součástí systému řízení pece. Kalibrační měření spočívá v provedení vlastního měření teploty zkušební vsázky (povrch, podpovrch, tepelný střed) a teploty okolní pecní atmosféry při průchodu pecí. Další částí je vyhodnocení naměřených průběhů teplot a stanovení hledaných parametrů ohřevu. Teplota pecní atmosféry je měřena pecními termočlánky umístěnými v jednotlivých zónách pece. Povrchová teplota vsázky je v určitém místě zóny měřena pecním pyrometrem. Teplota zkušební vsázky a okolní pecní atmosféry je měřena termočlánky, které jsou od vsázky vedeny k měřicímu záznamovému systému, který je v ochranném krytu tvořeném tepelnou box-bariérou (TBB) a pohybuje se spolu se vsázkou průběžnou pecí. Princip měření je ukázán na Obr.6.4. 6.3.2 Měřicí systém s vnitřní pamětí
K měření teploty se používá miniaturních měřicích modulů ADAM 4018M, jejichž vlastnosti a způsob zapojení jsou uvedeny v části 1.5.2. Při měření v odpojeném 110
režimu se měřené hodnoty zaznamenávají přímo do paměti měřicího modulu. Přenos dat z modulu do řídícího počítače lze provést až po opětovném připojení modulu k datové lince. Ovládací panel softwaru pro měření v odpojeném režimu je ukázán na Obr.6.5. Ovládání programu je podobné jako u softwaru pro měření v připojeném režimu. pecní termočlánky
pecní pyrometry
průběžná pec
tep. box-bariéra hořáky
termočlánky
měřicí systém s vnitřní pamětí
(B) vsázka
měřicí systém s vnitřní pamětí
baterie
řídicí systém v terénu
(A,C)
záznamový modul
měřená teplota
baterie
komunikační modul řídicí počítač
Obr.6.4: Způsob měření vsázky v průběžných pecích pomocí měřicího systému s vnitřní pamětí (v připojeném režimu - nastavení (A), přenos dat po vyjmutí z pece (C), v odpojeném režimu - měření v peci (B)) Inicializace systému Pro inicializaci měřícího systému je potřeba připojit moduly ADAM k napájení a datovou linku připojit na některý z COM portů řídicího počítače. Stisknutím tlačítka Inicializace se provede softwarová kontrola propojení. Nastavení parametrů měření Tlačítkem Parametry se provede zápis zvolených parametrů měřicího modulu do jeho paměti. Jedná se o adresu, přenosovou rychlost a typ vstupu. Tlačítkem Kanály se v modulu aktivují zvolené vstupní kanály a vzorkovací perioda.
111
Obr.6.5: Ovládací panel softwaru pro měření v odpojeném režimu Monitorování měřených teplot Tlačítkem Run se spustí zobrazování měřených hodnot se zvolenou vzorkovací periodou v ms. Tlačítkem Stop lze zobrazování přerušit, což je nutné učinit při nastavování parametrů měření do paměti modulu. Monitorování je také nutné přerušit po odpojení měřicího modulu datové sběrnice. Záznam měřených teplot Záznam do paměti měřicího modulu se zahájí stiskem tlačítka Start. V tom okamžiku se z paměti modulu vymažou všechny předešlé zaznamenané hodnoty. Běh záznamu je indikován zobrazeným textem "Probíhá záznam !". Zobrazuje se počet zaznamenaných vzorků (vzorkem se zde rozumí měřená hodnota jednoho kanálu v jednom časovém okamžiku), doba záznamu a čekání na záznam dalšího vzorku. Zobrazován je rovněž stav zaplnění paměti. Při běhu záznamu je pak možné odpojit modul ADAM 4018M od datové linky, vložit jej do ochranného krytu a provést kalibrační měření v peci. Po vyjmutí z pece se modul opět připojí k datové lince. Záznam se ukončuje stiskem tlačítka Stop. Přenos dat Po ukončení záznamu (lze i v průběhu měření) je nutné přenést zaznamenaná data z paměti měřicího modulu do paměti počítače. Stiskem Přečti se přečte obsah paměti modulu a je možné prohlížet jednotlivé zaznamenané hodnoty. Přenos dat do souboru v řídicím počítači proběhne po stisku Ulož data. Obsah vytvořeného datového souboru se zobrazí. Teprve po uložení dat je možné zahájit nový záznam.
112
6.3.3 Ochranný tepelně izolační kryt
Úkolem ochranného krytu je během pobytu v peci zabezpečit, aby teplota záznamového elektronického systému uvnitř krytu nepřesáhla maximální povolenou provozní teplotu. Konstrukce krytu musí být proto navržena jako tepelná box-bariéra (TBB), která má za hlavní funkci bránit v přenosu tepla do vnitřku TBB, v níž je uložen měřicí systém. Používá se čtyřvrstvá struktura tepelné bariéry: - 1. vrstva je z tepelně izolačního materiálu Sibral, který má malou pohltivost tepelného záření a malou tepelnou vodivost. Úkolem 1. vrstvy je bránit průtoku tepla do 2. vrstvy. - 2. vrstva je tvořena vodou. Úkolem 2.vrstvy je snížit účinek tepla proteklého 1. vrstvou, tj. snížit růst teploty velkou tepelnou kapacitou vody, zejména díky výparnému teplu, a odvádět teplo ve formě páry ven zpět do pece. - 3. vrstva je opět tvořena izolačním materiálem Sibral, který má malou tepelnou vodivost, jehož úkolem je bránit průchodu tepla z 2. do 4. vrstvy. - 4. vrstva je z oceli a slouží ke snížení účinků tepla proteklého 3. vrstvou. Teplo se využije na ohřev oceli, která má poměrně velkou tepelnou kapacitu, tak aby teplota měřicího systému nepřekročila maximální provozní teplotu. Vytvořený kryt o rozměrech - výška 270 mm, šířka 350 mm, a délka 610 mm zabezpečí, aby teplota uvnitř nepřesáhla 70 ºC a to během cca 2 h v peci o teplotě až 1300 ºC. Schématické uspořádání jednotlivých částí krytu je ukázáno na Obr.6.6. Základem krytu je ocelový plášť vodní nádrže z plechu o tloušťce 2 mm. V horní části jsou umístěny dva otvory ∅ 10 mm pro odvod páry. Horní plocha nádrže je skosená. Tloušťka vodní vrstvy je na bocích 50 mm resp. 15 mm a nahoře 15 až 25 mm. Vnitřní prostor je ze spodu uzavřen víkem o tloušťce 5 mm. Vnější izolační vrstva je tvořena rohoží tepelně izolačního materiálu sibral tloušťky 25 mm okolo vnějšího pláště vodní nádrže a víka. Vnitřní izolační vrstvu tvoří rohože tloušťky 25 mm, které volně vyplňují prostor uvnitř vodní nádrže okolo vnitřní schránky, ve které je umístěn záznamový modul. K naplnění vodní nádrže studenou vodou před vložením krytu do pece a k rychlému ochlazení krytu po vyjmutí z pece slouží jednoduchý systém vodního plnění. Jeho schéma je ukázáno na Obr.6.6. Přívodní část se skládá z plnicí nádrže (objem cca 1,5 litru) spojené hadicí s ocelovou trubkou, která se zasune do jedné z trubic pro odvod páry. Na druhou trubici odvodu páry se nasune ocelová trubka prodloužená hadicí, která tvoří odvodní část systému. Podle potřeby je možné zaměnit plnicí nádrž za přímé připojení na rozvod užitkové vody u pece.
113
plnicí nádrž
ochranný kryt
vnější izolační vrstva přívodní potrubí
vodní nádrž
odvodní potrubí
vnitřní izolační vrstva záznamový modul vnitřní schránka
termočlánky víko manipulační podložka
Obr.6.6: Ochranný kryt záznamového měřicího systému 6.3.4 Příprava a provedení experimentu
Postup přípravy a provedení experimentu se v mnohém podobá postupu měření dávkových pecí uvedeném v předchozí části. Při předpřípravě na místě měření je nutné navíc prověřit možnosti použití měřicího systému s ohledem na parametry ochranného krytu (teplota v peci, doba ohřevu vsázky, rozměry pro vstup a výstup vsázky a měřicího systému) a zajistit přípravky na transport měřicího systému vně a uvnitř pece. Vlastní měření pak probíhá následovně: - zahájit záznam měřených teplot a odpojit modul od řídicího počítače - uzavřít ochranný kryt - vložit studenou vsázku s měřicím systémem do pece - vyjmout ohřátou vsázku s měřicím systémem na druhé straně pece - vychladit a otevřít ochranný kryt - připojit záznamový modul k řídicímu počítači a přenést data - ukončit měření 6.4 ZKOUŠKA TEPELNÉ BOX-BARIÉRY OCHRANNÉHO KRYTU
Předmětem laboratorního cvičení je tepelná box-bariéra (TBB) ochranného krytu zařízení pro měření v průběžných pecích. Uzavřený kryt je umístěn na plošném zdroji tepla. Přes víko ochranného krytu se ohřívá voda ve vnitřní nádrži a prohřívá se vnitřní tepelná bariéra. Zvolené uspořádání má na vnitřní část TBB podobný účinek jako ohřev v peci. 114
6.4.1 Měřicí systém
Teplota se měří neplášťovanými termočlánky typu K ve zvolených místech TBB. V Tab.6.1 je uveden seznam měřicích míst, jejich poloha je ukázána na Obr.6.7. Měřicím systémem s vnitřní pamětí se měří teplota uvnitř TBB, tj. modulem ADAM 4018M v odpojeném režimu tak, jak se používá při měření v průběžné peci. Teplota vnější i vnitřní části TBB se měří pomocí měřicího systému s telemetrickou komunikací tj. dvěma moduly ADAM 4018M v připojeném režimu. Uspořádání měřicího systému je na Obr.6.7. laboratoř 1
laboratoř 2
220V horkovzdušná pistole
termočlánky TC 27 TC 28 regulace topení
ochranný kryt s vodou a vnitřní TB
TC 25 TC 11
e-mailová schránka měřicího systému
TC 21 TC 22
TC 12 měřená teplota
TC 23 TC 17 TC01 TC 24
TC13
TC14
TC 15
počítač
TC 16 TC 26 vařič TC01
TC 11-17 TC 21-27
záznamový modul baterie
220V měřená teplota
měřicí napájení moduly
datová a napájecí linka
řídicí počítač komunikační modul
Obr.6.7: Schématické uspořádání laboratorní zkoušky TBB
115
mobilní telefon
Tab.6.1: Seznam měřicích míst označení TC01 TC11 TC12 TC13 TC14 TC15 TC16 TC17 TC21 TC22 TC23 TC24 TC25 TC26 TC27 TC28
popis vnitřek TBB - záznamový modul vnitřní TB - nahoře vně vnitřní TB - nahoře uvnitř vnitřní TB - z boku vně vnitřní TB - z boku uvnitř vnitřní TB - dole vně vnitřní TB - dole uvnitř vnitřek TBB - záznamový modul měření hladiny na vnějším plášti vodní nádrže měření hladiny na vnějším plášti vodní nádrže měření hladiny na vnějším plášti vodní nádrže měření hladiny na vnějším plášti vodní nádrže pára na výstupu z vodní nádrže zdroj tepla ohřívající víko a vodní nádrž okolí vnější plášť působení horkovzdušné pistole
ADAM 00 01 01 01 01 01 01 01 02 02 02 02 02 02 02 02
6.4.2 Postup měření ohřevu ochranného krytu
Před a během měření se seznámit se zařízeními pro měření v dávkových a průběžných pecích a jejich použitím v železárnách.
Příprava experimentu - nastavit parametry a vyzkoušet funkčnost měřicího systému - prověřit jednotlivé termočlánky - dohodnout postup a rozdělení prací v týmu pro měření Měření - uzavřít tepelnou box-bariéru - zahájit měření záznamovým systémem - naplnit zčásti vodní nádrž (3 l vody) - zahájit měření systémem s mobilní komunikací - zapnout ohřev - sledovat teplotu uvnitř TBB, - ukončit ohřev po 2 hodinách - vychladit vnitřní vodní nádrž - ukončit měření systémem s mobilní komunikací - otevřít kryt a připojit záznamový modul - přenést data z paměti modulu do počítače - ukončit měření záznamovým modulem 116
6.4.3 Vyhodnocení tepelně izolačních schopností krytu
Vykreslení zaznamenaných teplotních průběhů v grafech. Diskuse tvaru jednotlivých průběhů - fyzikální objasnění naměřených jevů. Ohřev vnitřku TBB TC01 a TC17 měří teplotu uvnitř ochranného krytu. - Z trendu nárůstu teploty TC01 a TC17 určit, kdy by pravděpodobně došlo k překročení povolené provozní teploty měřicího systému 70 ºC. - Jak se změní nárůst teploty TC01 a TC17 v průběhu vychlazování vodní nádrže a otevírání krytu po vypnutí zdroje tepla ? Ohřev vodní nádrže TC21 až TC24 měří teplotu na vnějším plášti vodní nádrže, TC25 teplotu odcházejících par - Z průběhu jednotlivých teplot TC21 až TC24 určit dobu, kdy vodní hladina klesla na úroveň termočlánku. Dále určit postup klesání vodní hladiny v závislosti na čase. Odhadnout čas úplného vyvaření vody v nádrži. - Z průběhu TC25 analyzovat postup úniku páry z nádrže v závislosti na čase zejména ve vazbě na postup vodní hladiny. Teplotní gradient na vnitřní TB TC11 až TC16 měří teplotu na vnějším a vnitřním povrchu vnitřní TB ochranného krytu. Určit teplotní gradient na vnitřní TB v průběhu experimentu. T −T out in [K.m-1], L
kde Tout je teplota na vnějším povrchu TB, Tin teplota na vnitřním povrchu TB, L tloušťka TB. Diskutovat, ze kterého směru přichází dovnitř nejvíce tepla.
Zpracování naměřených dat - vykreslit naměřené teplotní průběhy (zdroj, vnější plášť vodní nádrže, vnitřní TBB, měřicí systém) - analyzovat vypařování vody z nádrže a výšku hladiny - objasnit způsob průniku tepla do vnitřku TBB 6.5 POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ PÍSEMNÉHO REFERÁTU A KONTROLNÍ OTÁZKY 6.5.1 Obsah referátu
V části zvolené metody zpracování popsat laboratorní zkoušku tepelné box-bariéry - celkové uspořádání, měřený objekt a jeho ohřev, měřicí systém, postup měření a vyhodnocení. 117
V části výsledky a diskuse uvést naměřené teploty v průběhu ohřevu rozdělené do grafů podle měřené oblasti (zdroje tepla, vnější povrch, vodní nádrž a vnitřek TBB) a objasnit jejich průběh, dále z těchto dat vyhodnotit tepelně izolační schopnosti krytu podle postupu v 6.4.3. 6.5.2 Kontrolní otázky
• Postup přípravy a provedení experimentu v průmyslových pecích. • Využití měřicího systém s vnitřní pamětí při měření teploty pohybujících se předmětů. • Přínosy využití měřicího systému s telemetrickou komunikací s obsluhou při dlouhodobých měřeních. • Fyzikální procesy využívané u vysokoteplotní tepelné box-bariéry.
118
7 ZPRACOVÁNÍ VÝSLEDKŮ EXPERIMENTU Průběh experimentu tepelného zpracování celokovaného rotoru. Přenos tepla v oblasti bublinového varu. Rozměrová analýza a teorie podobnosti. Vytvoření kriteriální rovnice. Postup počítačového zpracování výsledků. Bezrozměrový popis procesů přenosu tepla při kalení. Určení přestupů tepla.
119
7.1 CÍL CVIČENÍ
• Seznámit se s rozměrovou analýzou a způsobem odvození podobnostních kritérií z rozměrové matice. Provést rozměrovou analýzu tepelného procesu kalení. Převést získaná podobnostní kritéria na již zavedená, jejich fyzikální význam. Kriteriální rovnice. • Seznámit se s fyzikálními procesy přenosu tepla při ochlazování těles v tekutině, s typickou závislostí součinitele přestupu tepla, veličinami ovlivňujícími proces ochlazování. Seznámit se s rozsáhlým experimentem kalení rotorů a ukázkou počítačového zpracování. Samostatně provést počítačové zpracování dat. 7.2 EXPERIMENT KALENÍ TURBINOVÉHO ROTORU 7.2.1 Výzkum tepelného zpracování rotorů
Provedení nákladného experimentu s reálným celokovaným rotorem při jeho tepelném zpracování vyplynulo z naléhavosti upřesnit okrajové podmínky při počítačové simulaci termomechanického procesu a potřeby úprav technologického režimu tepelného zpracování vedoucí ke značné úspoře energie. Jednalo se o výzkum tepelného zpracování rotorů turbogenerátorů a turbin 500 a 1000MW, který byl prováděn v osmdesátých letech v podniku ŠKODA. Vyvstala zde úloha spolehlivého zjištění přestupu tepla mezi kaleným rotorem a kalicí lázní. Úlohu nebylo možné řešit jinak než provedením experimentu na pokusném rotoru. Experiment zahrnoval měření celkem 9 různých alternativ tepelného zpracování ocelového rotoru. U každé alternativy se měřily teploty v rotoru a ve vnějším prostředí (peci, kalicí lázni, vychlazovací jámě) způsobem, který je dále popsán. Počet a rozložení měřicích míst byl podřízen požadavku řešení nepřímých tepelných úloh. Z důvodu velkého počtu měřených alternativ, a dlouhodobého střídavého zatížení teplotních sond bylo nutno věnovat zvláštní pozornost zajištění spolehlivosti měření. Zvláštnost experimentu je tudíž v rozsahu měření řady různých alternativ tepelného zpracování, dále v podřízenosti experimentu následnému počítačovému experimentu sloužícímu k určení nelineárních a časově proměnných okrajových podmínek, případně i tepelně fyzikálních parametrů materiálu rotoru. Cílem experimentu bylo vedle zmíněného určení teplot rotoru a okrajových podmínek též objasnění složitých termomechanických procesů v materiálu rotoru. Jedná se o určení vnitřních napětí po kalení a popouštění, případně o určení změn tepelně fyzikálních parametrů oceli rotoru s teplotou. Součástí řešení bylo i experimentální ověření navržené numerické metody zjišťování vnitřních zbytkových napětí, dále využití navržených algoritmů a programů pro řešení vnější a vnitřní nelineární tepelné úlohy při vyhodnocování experimentu. Protože 120
experiment je svým rozsahem i záměry ojedinělý, a stěží bude možno podobný opět provádět v blízké budoucnosti, je nutno maximálně využít získaných informací i k zobecnění výsledků na podobné tepelně zpracovávané výkovky či odlitky. 7.2.2 Přenos tepla v oblasti bublinového varu
Při analýze přenosu tepla při bublinovém varu se ukázalo [7.1], že jediným mechanismem nelze vysvětlit proces přenosu tepla v celé oblasti bublinového varu. Byly prováděny pokusy rozdělit režim bublinového varu do několika oblastí, přičemž každá oblast by byla charakterizována specifickým mechanismem přenosu tepla. Dospělo se k názoru, že bublinový var ve velkém objemu lze rozdělit do tří hlavních režimů [7.2-7.4], jak naznačuje Obr. 7.1.
10
režim vodního filmu (makrovrstvy)
6
2. přechodová oblast 5
režim interference
qS
1. přechodová oblast
(W.m-2) 105
režim jednotlivých bublin
5
10
20
30
40
50
Ts-Tsyt (K)
Obr. 7.1: Závislost hustoty tep. toku na rozdílu teploty povrchu a teploty sytosti podle Bhata a kol. [7.4] Jedná se o - laminární oblast (režim jednotlivých bublin) - turbulentní oblast (režim interference) nebo též parní hřibovitá oblast - oblast vodního filmu (režim makrovrstvy) s malými přechodovými oblastmi ležícími mezi nimi.
121
Konvenčním představám se zvláště vymyká oblast poslední, režim při vysokých tepelných tocích v blízkosti kritické hodnoty, přibližně mezi 0,6.qkr až qkr. V této oblasti existuje na teplém povrchu kovu pod rostoucí hmotou páry tenká vrstva kapaliny nazývaná makrovrstva. Kde qkr je kritický tepelný tok při krizi varu, kdy dochází k přechodu od bublinového varu k varu přechodovému a posléze k varu filmovému. Většina existujících korelací popisujících přenos tepla v oblasti bublinového varu ve velkém objemu neuvažuje rozdílné charakteristiky naznačených oblastí režimu bublinového varu. Korelace vycházejí ze zjednodušeného modelu, vyjadřují se ve tvaru závislosti bezrozměrových parametrů a zpravidla shrnují experimentální data získaná v celém režimu bublinového varu. Rohsenowem [7.5] byla navržena korelace ve tvaru Ku −1 = a. Reb . Pr c
(7.1)
Hodnoty parametrů a, b, c jsou pak určovány experimentálně pro jednotlivé fáze bublinového varu. Přijme-li se názor, že režim bublinového varu lze členit do několika oblastí, pak je nasnadě, že jediný korelační vztah může ztěží správně popsat přenos tepla ve všech oblastech. Ukazuje se proto nezbytné hledat vztahy, které by respektovaly rozdílné charakteristiky každé oblasti. Bhat a kol. [7.2-7.4] dospěli k průběhu závislosti hustoty tepelného toku na teplotním spádu na povrchu horké součásti Obr. 7.2 (křivka 3). V průběhu je zřejmá změna směrnice, jasně naznačující nezbytnost oddělených korelací. Je obtížné stanovit přesně hranici mezi režimem interference a makrovrstvy a rozsah jednotlivých režimů, nicméně přibližná hraniční hodnota byla udána 0,57.qkr. Výše uvedené korelace jsou omezené na oblast bublinového varu a neobjasňují teplotní spád, při němž hustota tepelného toku dosahuje maxima, kdy dochází ke kritickému varu a přechodu z bublinového do filmového varu. Pro jednotlivé varianty byla jako charakteristická veličina popisující termokinetický proces zvolena [7.1] a z experimentálních dat vyhodnocena relace Reynoldsova a Kutateladzeho čísla. Tato relace naznačuje možnost uplatnění jednotné korelace. Ukazují však jednak na nezbytnost rozdělení režimu bublinového varu do dvou oblastí a dále pak se v nich jeví posun dat do rozdílných oblastí Kutateladzeho čísel, což zřejmě pochází z rozdílných teplotních spádů mezi povrchem součástí a teplotami lázní. Postupně bylo tedy ověřováno, zda lze Reynoldsova a Kutateladzeho kriteria uvést do jednoznačné závislosti některými jednoduchými kombinacemi s Prandtlovým číslem, které respektuje teplotu chladicí lázně. Konkrétními hodnotami a, b, c ve vztahu (7.1) nebylo ovšem možné popsat celý režim bublinového varu. Bylo zjištěno, že platnost rovnice je omezena na tu oblast, kde součin Kutateladzeho a Prandtlova čísla je menší (nebo větší) než 34. Při dosažení této hranice přestává rovnice s určenými koeficienty platit, a pro oblast kde součin je větší (či menší) než 34 je nutno znovu nalézt novou sadu koeficientů a, b, c. 122
102 7 5 3
2
Re (-)
1
101 7 5 3
100 3
7 5
1 podle Rohsenowa
3
2 podle Kutateladze 3 podle Bhata
10-1
10-2
3
5
7
10-1
Ku-1 (-)
Obr. 7.2: Přenos tepla v oblasti bublinového varu ve velkém objemu (závislost Re na Ku-1) [7.2-7.7]
V literatuře uváděná hranice 0,57.qkr mezi dvěma oblastmi bublinového varu se ve Škoda Plzeň nepotvrdila. Naopak jednoznačnou hranicí se ukázala být hodnota komplexu Pr . Ku = 34. 7.2.3 Pracoviště tepelného zpracování
Rotory se tepelně zpracovávají na pracovišti vertikálního tepelného zpracování. Rotor je při něm ve svislé poloze zavěšen na jeřábovém závěsu. Ohřev na požadovanou teplotu probíhá v hlubinné elektrické peci. Ochlazování pak podle
123
žádané rychlosti chladnutí probíhá v peci, na vzduchu, v olejové nebo vodní kalicí nádrži. Schématické uspořádání pracoviště je ukázáno na Obr. 7.3. Experiment byl prováděn na rotoru s průměrem těla 961 mm z oceli ČSN 16431 o hmotnosti 26 t, jehož celková délka činila 9145 mm (délka těla 3260 mm). Schéma rotoru je ukázáno na Obr. 7.4. Teplota byla měřena plášťovanými termočlánky NiCr/Ni o průměru 1 mm zabudovanými do termočlánkových sond. K měření teplot uvnitř rotoru bylo použito celkem 11 těchto sond. Návrh jejich umístění vycházel z požadavků řešení nepřímých úloh. Sondy byly vyrobeny z materiálu získaného vývrtem rotoru. Na Obr. 7.4 je ukázka geometrie sondy o průměru 20 mm a způsob instalace termočlánků do sondy. Termočlánky byly zasunuty do radiálních otvorů v sondě. Z nich byly vedeny tak, aby po zasunutí sondy do rotoru byl měřicí konec přitlačován a zaručen tak dobrý dotyk s kovem sondy. Ke zmenšení tepelných odporů vzduchových mezer byly při montáži sond použit grafitový tmel. Do každé sondy byl také zabudován jeden termočlánek o průměru 2 mm, jehož měřicí konec byl vysunut 15 mm nad povrch rotoru. Ten byl určen k měření teploty vnějšího prostředí, zejména teplot kalicích lázní. K měření teplot v rotoru bylo použito celkem 11 termočlánkových sond. Čtyři sondy byly radiálně zavedeny do těla rotoru, vždy po dvou v jedné rovině, do čelních ploch vždy dvě axiální sondy a do čepových částí rotoru tři radiální sondy. Schématické uspořádání měřicích sond v rotoru je na Obr. 7.4. Poloha měřicích míst v sondách vychází z požadavku na řešení vnější nepřímé úlohy zjištění povrchové teploty a povrchového tepelného toku. Vzdálenosti měřicích míst od povrchu rotoru jsou uvedeny pro jednotlivé sondy v Tab. 7.1. Celkem bylo do 11 sond v rotoru zabudováno 66 termočlánků. V každé sondě byly termočlánky uloženy v povrchových drážkách a z nich pak vedeny do středního vývrtu rotoru. Z vývrtu byly vyvedeny pancéřovou hadicí po povrchu závěsného zvonu do referenční jednotky. Termočlánkové vodiče ze sond na čelech těla byly do vývrtu vedeny montážními otvory, které byly po montáži zaslepeny kolíky. Proti vniknutí vody či oleje byl vývrt zabezpečen přírubou s azbestovou ucpávkou. Referenční termočlánková jednotka byla izolována vůči okolnímu prostředí a umístěna na nosníku ve vzdálenosti cca 3,5 m od osy rotoru. Teploty srovnávacích spojů v jednotce byly měřeny dvěma kompenzačními termočlánkovými členy. Na nosník byly přichyceny i vlastní přívodní stíněné kabely, které byly vedeny do měřicího vozu. Délka kabelů byla asi 100 m, z nichž asi 15 m v blízkosti rotoru bylo chráněno pancéřovou hadicí. Vlastní měřicí systém (Obr. 7.3) včetně prostředků analogového a číslicového záznamu byl na pracovišti umístěn v měřicím voze.
124
pracoviště tepelného zpracování
referenční termočlánková jednotka
jeřábový závěs
prodlužovací vedení
horní víko
odtok horké kapaliny
termočlánky
rotor
rotor
topné spirály chladicí kapalina
dolní víko elektrická pec
vtok studené kapaliny
kalicí nádrž
měřicí vůz
ruční řízení měřicí ústředna programové řízení
analogový záznam
číslicový záznam
Obr. 7.3: Měření na pracovišti tepelného zpracování turbinových rotorů
125
∅ 410
∅ 567
1
∅ 961
5
3
∅ 565
8
9
2
11
4
6
10
7 3260
7310
termočlánky sonda vývrt v ose rotoru
tělo rotoru
Obr. 7.4: Schéma uspořádání měřicích sond a umístění v rotoru
Tab. 7.1: Umístění termočlánků v rotoru
sonda č. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
∅ rotoru (mm)
vzdálenost termočlánků od povrchu (mm) 1 -15 -15 -15 -15 -15 -15 -15 -15 -15 -15 -15
2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
3 9 9 6 6 9 9 9 9 6 6 9
4 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 126
5 75 115 75 75 75 75 75 75 75 75 115
6 132 210
7
210 210 210 210
407 407 407 407
210
410 567 800 800 961 961 961 961 800 800 565
7.2.4 Průběh experimentu
Rozsah prací spojených s přípravou a provedením experimentu je zřejmý z následujícího popisu. Příprava experimentu začala již na počátku roku 1981, když se podařilo odkoupit od závodu Hutě vadný rotor turboalternátoru 60 MW. V druhé polovině roku 1981 byl vypracován plán experimentu. Rok 1982 byl převážně věnován návrhu termočlánkových sond, technické dokumentaci k nim a zadání výroby sond do dílen. V roce 1983 probíhala výroba termočlánků a jejich ověřování. Do poloviny roku 1984 se prováděla montáž termočlánků do sond a dále zavedení těchto sond do rotoru. Přitom bylo nutno řešit řadu dílčích problémů jako je vyvedení termočlánkového kabelu středem rotoru, jeho ochranu před vysokou teplotou, chladicím médiem i mechanickým poškozením. A: ochlazování z 640 °C v peci
D: kalení do oleje
20 h
640 °C
13 h
860 °C
Tini
Tini 0 10
30
90
119
h
0
pec topí
29
h
36 olej
pec
vypnuta
víko otevřeno
B: ochlazování z 640 °C na vzduchu, dochlazení vodou 13 h
640 °C
16
E: chlazení na vzduchu z kalicí teploty 12 h
860 °C
Tini
Tini 0 12
25
pec
66 vzduch
72 jáma
76
h
0
voda
20
32
80
pec
C: ochlazování z 420 °C v jámě
vzduch F: kalení do vody 15 h
860
°C 3h
640
h
°C
Tini
Tini 0
6 9 pec
26
h
0 4
28
40
55
pec
jáma
Obr. 7.5: Přehled měřených alternativ ochlazování
127
61 voda
h
Vlastní experiment probíhal ve velké kalírně závodu Kovárny v době od 1.1.1984 do 22.10.1984. Program měření zahrnoval celkem 9 různých alternativ ohřevu a tepelného zpracování, jež přicházejí do úvahy u rotorů turbín a turboalternátorů. Na Obr. 7.5 je uveden přehled jednotlivých řešených alternativ ochlazování. Každá zahrnuje fázi ohřevu s vyrovnáním teplot a dále různé způsoby ochlazování. Ve cvičení se použijí k vyhodnocení naměřená data z alternativy F: kalení rotoru do vody (55 h ohřev v peci s 15 h výdrží na teplotě 860 ºC, následné ochlazení ve vodní kalicí nádrži) a dále z alternativy D: kalení do oleje (29 h ohřev na 860 ºC s prodlevou na teplotě 13 h, následné ochlazení v olejové kalicí nádrži. 7.2.5 Výsledky měření
Výsledkem měření jsou časové průběhy teploty uvnitř rotoru a okolní tekutiny. Z nich jsou počítačovou simulací vyhodnoceny průběhy povrchové teploty rotoru, povrchového tepelného toku a součinitele přestupu tepla z povrchu do chladicí tekutiny. Na Obr. 7.6 jsou např. ukázány výsledky naměřené na sondě č.5 při kalení do vody. 500
7000
450
6000
400
250
4000 3000
200 150
2000
100 1000
50 0 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 4500
t (s)
Obr. 7.6: Časové průběhy teplot povrchu a chladicí kapaliny a součinitele přestupu tepla naměřené při kalení do vody na sondě č.5
128
-1
teplota povrchu teplota vody součinitel přestupu tepla
-2
T (°C)
300
α (W.m K )
5000
350
7.3 VYHODNOCENÍ EXPERIMENTU 7.3.1 Teorie podobnosti
Zkoumaný proces je obvykle charakterizován řadou fyzikálních veličin, jejichž přesný účinek často není znám. Použitím teorie podobnosti a rozměrové analýzy lze [7.8] - určit bezrozměrová kritéria a snížit tak počet nezávisle proměnných při experimentu, zjednodušit tím řešení a provést zobecnění výsledků, - získat funkční závislosti zejména v případech, kdy nejsou známy bližší informace o fyzikální podstatě zkoumaného jevu nebo jeho matematický popis, - získat vztahy pro převod fyzikálních veličin do jiné základní soustavy jednotek měření. Příklad: Uvažujme proces prohřevu tělesa válce charakterizovaný teplotou T v jeho ose v průběhu času t z rovnoměrné teploty T0 při skokovém zvýšení povrchové teploty na T1. Je známo, že průběh teploty je ovlivněn poloměrem válce r a tepelně-fyzikálními vlastnostmi - tepelná vodivost λ, tepelná kapacita cp, a hustota ρ. Schématický nákres úlohy je ukázán na Obr. 7.7.
λ, cp, ρ tepelné vlastnosti materiálu hledaný průběh T(t) teploty v ose
T1 teplota povrchu počáteční teplota T0 r poloměr válce
Obr. 7.7: Schéma definice úlohy prohřevu válce
Funkční závislost teploty v ose válce lze vyjádřit vztahem
)
(
T = f λ , c p , ρ , r,T ,T , t , 0 1
129
(7.2)
kde výsledek ovlivňuje sedm parametrů. Lze ovšem zjistit, že stejný proces lze popsat bezrozměrovým vztahem Θ = f (Fo) ,
(7.3)
kde jako nezávisle proměnná vystupuje jen jeden parametr. Θ je bezrozměrová teplota a Fo je Fourierovo číslo vyjadřující bezrozměrový čas procesu T −T 0 , Fo = λ ⋅ t (7.4) Θ= T −T cpρ r2 1 0 Z toho vyplývá, že na zkoumaný proces prohřevu tělesa mají kvalitativně stejný vliv materiálové vlastnosti, rozměry tělesa a čas procesu. Například dvojnásobné zvýšení velikosti tělesa má na průběh teploty stejný vliv jako čtyřnásobné snížení tepelné vodivost, apod.
Nechť je tedy zkoumaný proces obecně ovlivňován N rozměrovými fyzikálními veličinami ve tvaru rovnice
)
(
f x , x ,..., x = 0 N 1 2
(7.5)
Pro bezrozměrový popis se používají jednak jednoduchá kritéria (bezrozměrová veličina vyjadřující poměr mezi dvěma rozměrově stejnými veličinami) a jednak složená kritéria (bezrozměrová veličina vyjadřující vazbu mezi několika rozměrově různými veličinami). Popis zkoumaného procesu lze provést místo N rozměrovými veličinami n-r bezrozměrovými složenými kritérii Π a N-n jednoduchými kritérii P ve tvaru rovnice
)
(
φ Π1, Π 2 ,..., Π n−r , P1, P2 ,..., PN −n = 0 ,
(7.6)
kde n je počet rozměrově rozdílných veličin působících v procesu a r počet základních rozměrů. Postup vytvoření kritérií je následující. Rozměr každé z veličin se vyjádří pomocí základních jednotek SI ve tvaru a a a x = Y 1 j ⋅ Y 2 j ⋅ ... ⋅ Y rj , (7.7) r j 1 2 kde Y jsou základní jednotky SI a a1j,a2j,…arj jsou neznámé exponenty. Exponenty všech veličin se uspořádají do rozměrové matice A tak, aby v prvních N-r sloupcích byly exponenty odpovídající směrodatným veličinám (veličiny, které mají být obsaženy ve výsledných kritériích pouze jednou)
130
x 1
x
... x
x ... ... x N −r N −r +1 N Y a11 a12 ... ar , N −r a1, N −r +1 ... ... a1N 1 (7.8) Y a21 a22 ... ar , N −r a2, N −r +1 ... ... a2 N 2 A= = [As Az ] ... ... ... ... ... ... ... ... ... Yr ar1 ar 2 ... ar , N −r ar , N −r +1 ... ... arN 2
Z matice řešení B
x 1
x
Π 1 1 Π 0 2 B= ... ... Π N −r 0 B = − AsT AT z 1
x
2 0 1 ... 0
...... ...... ...... ......
x N −r N −r +1 0 b2, N −r +1 0 b2, N −r +1 ... ... 1 br , N −r +1
...
... x
... ... ... ... ... ... ... ...
N b 1N b 2 N = I B , ... 1 b rN
(7.9)
−1
se určí přímo jednotlivá kritéria ve tvaru
b b b Π i = x i1 ⋅ x i 2 ⋅ ... ⋅ x iN . N 1 2
(7.10)
Podrobný postup transformace s příklady je uveden v [8]. Matematický popis procesu pak lze pomocí bezrozměrových kritérií vytvořit ve formě kriteriální rovnice ve tvaru e e e e ⋅ Π 2 ⋅ Π 3 ⋅ ... ⋅ Π N −r +1 = 1 (7.11) N −r 1 1 2 kde ei jsou neznámé parametry, které se určí z experimentálních dat následujícím postupem. Rovnice (7.11) se nejdříve zlogaritmuje do tvaru lineární rovnice
( )
( )
( )
(
)
log e + e ⋅ log Π + e ⋅ log Π + ... + e ⋅ log Π = 0 (7.12) N −r N −r +1 1 2 1 3 2 a pak se metodou nejmenších čtverců vypočítají hledané parametry. 7.3.2 Postup určení kritérií podobnosti pro kalení
Prvním krokem rozměrové analýzy je vytvoření rozměrové matice ze seznamu veličin ovlivňujících zkoumaný proces. Přehled veličin ovlivňujících tepelný 131
proces kalení, fyzikálně popsaný v části 4.2.1, je uveden v Tab. 7.2 včetně rozměrů jednotlivých veličin a jejich vyjádření pomocí základních jednotek SI. Výsledná rozměrová matice je v Tab. 7.3. Postupem uvedeným v části 7.3.1 se vytvoří matice řešení (matice kritérií). Její tvar je v Tab. 7.4. Vytvořená kritéria K1 až K12 se posléze převedou na kritéria již zavedená, jejichž seznam je uveden v Tab. 7.5.
Tab. 7.2: Přehled veličin popisu tepelného procesu kalení t q α TS-TL
jednotka L s 0 -2 W.m 0 -2 -1 W.m .K 0 K 0
M 0 1 1 0
T 1 -3 -3 0
Θ 0 0 -1 1
λL cp,L ηL ρL-ρG g l σ λS cP,S ρS L TS*-TL*
W.m-1.K-1 J.kg-1.K-1 Pa.s kg.m-3 m.s-2 J.kg-1 N.m-1 W.m-1.K-1 J.kg-1.K-1 kg.m-3 m K
1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0
-3 -2 -1 0 -2 -2 -2 -2 -2 0 0 0
-1 -1 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 1
veličina
ozn.
čas plošná hustota tepelného toku součinitel přestupu tepla rozdíl teplot vody a povrchu kaleného materiálu tepelná vodivost vody měrná tepelná kapacita vody dynamická viskozita vody rozdíl hustot vody a vodní páry tíhové zrychlení měrné skupenské teplo vypařování povrchové napětí na rozhraní voda-pára tepelná vodivost kaleného materiálu měrná tepelná kapacita kaleného materiálu hustota kaleného materiálu charakteristická délka rozdíl kalicí teploty a teploty vody
1 2 -1 -3 1 2 0 0 2 -3 1 0
Tab. 7.3: Rozměrová matice q
α TS-TL λL cp,L ρL-ρG ηL
l
σ
λS
cp,S g
L
ρS
t TS*-TL*
L
0
0
0
1
2
-3
-1
2
0
1
2
1
1
-3
0
0
M
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
0
0
T
-3
-2
0
-3
-2
0
-1
-2
-2
-3
-2
-2
0
0
1
0
Θ
0
0
1
-1
-1
0
0
0
0
-1
-1
0
0
0
0
1
132
Tab. 7.4: Matice kritérií q
α TS-TL λL cp,L ρL-ρG ηL
l
σ
λS cp,S
g
L
ρS
t TS*-TL*
K1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-3
-1
3
0
K2
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-3
-1
3
1
K3
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-1
K4
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
-4
-1
3
1
K5
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
-2
0
2
1
K6
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
-1
0
0
K7
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
-2
-1
1
0
K8
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
-2
0
2
0
K9
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
-3
-1
2
0
K10
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
-4
-1
3
1
K11
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
-2
0
2
1
K12
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
-1
0
2
0
Tab. 7.5: Přehled zavedených kritérií pro oblast přenosu tepla při kalení název jednoduchá kritéria
definice TS − TL
Θ=
*
TS − TL λ Λ= S λL c p ,S C= c p ,L
Kirpičevovo číslo
Fo =
Ki =
poměrná teplota *
poměr. tepelná vodivost poměr. tepelná kapacita
ρS ρ L − ρG
poměrná hustota
λS t c p ,S ⋅ ρ S L2
Bezrozměrový čas neustáleného vedení tepla. Vztah mezi časem procesu, tepelně fyzikálními vlastnostmi a rozměry tělesa. Poměr intenzit vnějšího a vnitřního sdílení tepla. Okrajová podmínka 2. druhu. Bezrozměrová plošná hustota tepelného toku.
R=
složená kritéria Fourierovo číslo
fyzikální význam
(
qL *
λ S TS − TL
*
)
133
Biotovo číslo
Bi =
Nusseltovo číslo
Nu =
Prandtlovo číslo
Pr =
Reynoldsovo číslo Re =
Kutateladzeho číslo Kirkbridovo číslo
αL λS
αL λL η L c p ,L λL
σ q η L l g (ρ L − ρ G )
Ku =
1 2
l c p ,L (TS − TL ) 1
α K= λL
3 η 2L g (ρ − ρ )2 L G
Poměr mezi intenzitou přestupu tepla a vedením v pevné látce. Okrajová podmínka 3. druhu. Poměr mezi intenzitou přestupu tepla a vedením v tekutině. Vyjadřuje vazbu rychlostního a teplotního pole (hydrodynamické a tepelné mezní vrstvy) Poměr sil setrvačných k vazkým. Základní kritérium hydrodynamiky. Poměr skupenského tepla vypařování a tepelné kapacity tekutiny. Vyjadřuje přestup tepla při kondenzaci páry
7.3.3 Postup vyhodnocení experimentu
Po provedení rozměrové analýzy následuje sestavení kriteriální rovnice a určení neznámých parametrů z naměřených dat. Postup počítačového zpracování je připraven v prostředí Microsoft Excel. Vstupní analýza Pro určení kriteriální rovnice a vyhodnocení experimentu je potřeba zjistit časový průběh povrchové teploty a tepelného toku a teploty okolí jako výsledek experimentu a z nich určit součinitel přestupu tepla. Provede se vykreslení grafů: povrchová teplota (čas), tepelný tok (čas), součinitel přestupu tepla (čas), tepelný tok (povrchová teplota), součinitel přestupu tepla (povrchová teplota). Dále je třeba nalézt tepelně-fyzikální vlastnosti tekutiny a zformulovat kritéria podobnosti pro tepelný popis procesu kalení. Bezrozměrové vyjádření výsledků měření Výsledky měření se převedou do bezrozměrového vyjádření tj. určí se Fourierovo číslo, poměrná povrchová teplota, Biotovo a Kirpičevovo číslo. Potřebné vztahy jsou uvedeny v Tab. 7.5. Dále se provede grafické vykreslení jejich vzájemných závislostí: poměrná povrchová teplota (Fourierovo číslo), Kirpičevovo číslo (Fourierovo číslo), Biotovo číslo (Fourierovo číslo), Kirpičevovo číslo (poměrná povrchová teplota), Biotovo číslo (poměrná povrchová teplota.
134
Určení kriteriální rovnice Podle navrženého tvaru kriteriální rovnice (7.1) se napočítají hodnoty Prandtlova, Kutateladzeho a Reynoldsova čísla. Zjistí se rozlišení oblastí podle součinu Kutateladzeho a Prandtlova čísla. Vstupní data se oříznou na větší oblast, zde Ku.Pr < 34. Po zlogaritmování se kriteriální rovnice dostane do tvaru lineární rovnice Y = A+ B⋅ X +C⋅ X 1 2
(8.13)
Ze znalosti vektorových veličin Y, X1 a X2 se metodou nejmenších čtverců aplikovanou v makru UpravTo určí skalární veličiny A, B a C. Z nich se pak zpětným převodem dostanou koeficienty a,b,c požadované k určení kriteriální rovnice. Porovnání výsledků kriteriální rovnice s naměřenými daty Výsledky získané z kriteriální rovnice se porovnají se všemi naměřenými daty. Do grafu se vynese závislost aRebPrc na Ku-1. První křivka jsou data z kriteriální rovnice s použitím nalezených koeficientů
y
krit _ rov
c , = a ⋅ Rebmer ⋅ Prmer
(8.14)
druhá křivka jsou naměrená data −1 , ymer = Ku mer
(8.15)
na ose x je Kumer-1. Následuje porovnání výsledků kriteriální rovnice s naměřenými daty v rozměrovém tvaru. Jedná se o závislosti tepelného toku a součinitele přestupu tepla na povrchové teplotě. Provede se vykreslení závislostí jako na Obr. 7.8, kde jsou vidět odchylky v oblastech filmového varu (Ku-1 > 0.6 - povrchová teplota nad 350 °C) a přirozené konvekce (Ku.Pr > 34 - pokles povrchové teploty pod 100 °C), které samozřejmě nejsou kriteriální rovnicí pro bublinkový var popsány. Použití kriteriální rovnice Kriteriální rovnice je bezrozměrovým vyjádřením popisu procesu, v tomto případě přenosu tepla při kalení do vody. Představuje zobecnění výsledků a lze ji použít na všechny fyzikálně podobné procesy. Porovnání výsledků z kriteriální rovnice s naměřenými daty je tedy provedeno pro přenos tepla při kalení do oleje, který byl při experimentu také měřen. Graficky jsou proto vyneseny závislosti tepelného toku a součinitele přestupu tepla na povrchové teplotě podobně jako na Obr. 7.9. Dobrá shoda je zde zjištěna pro oblast platnosti kriteriální rovnice, tj. Ku.Pr < 34.
135
7000 Ku.Pr > 34
6000
α (W.m-2K-1)
5000
oblast filmového varu
4000 3000 2000 z naměřených dat 1000
z kriteriální rovnice
0 0
100
200
300 TS
400
500
(°C)
Obr. 7.8: Porovnání závislostí přestupu tepla na povrchové teplotě získaných z kriteriální rovnice a z naměřených dat při kalení do vody
3500 z naměřených dat
3000
z kriteriální rovnice α (W.m-2K-1)
2500 2000 1500 1000 Ku.Pr > 34
500 0 0
100
200
300
400
500
600
TS (°C)
Obr. 7.9: Porovnání závislostí přestupu tepla na povrchové teplotě získaných z kriteriální rovnice a z naměřených dat při kalení do oleje 136
7.3.4 Postup laboratorního cvičení
Seznámení se základy modelování - rozměrová analýza - rozměrová matice - odvození podobnostních kritérií z rozměrové matice Analýza procesů přenosu tepla při kalení materiálu - fyzika procesů přenosu tepla - součinitel přestupu tepla - veličiny ovlivňující proces ochlazování Rozměrová analýza procesů přenosu tepla při kalení materiálů - sestavit rozměrovou matici - vytvořit matici řešení - převést vytvořená kritéria na již zavedená - objasnit význam jednotlivých kritérií Seznámení s provedeným experimentem kalení rotoru - charakteristika experimentu - příprava experimentu - termočlánkové sondy - řešené alternativy - poloha měřicích míst v experimentálním rotoru Analýza přenosu tepla v oblasti bublinového varu při chlazení velkých strojních součástí - rozdělení oblasti bublinového varu - Rohsenowa korelace pro bublinový var - návrh kriteriální rovnice popisující bublinový var Počítačové zpracování výsledků měření - shrnutí provedených experimentů - termofyzikální vlastnosti vody, oleje a rotoru - přehled podobnostních kritérií a veličin v nich použitých - zadání úlohy - zpracování naměřených dat - grafy závislostí rozměrových veličin - grafy závislostí bezrozměrových veličin - vytvoření kriteriální rovnice - makro pro nalezení koeficientů v kriteriální rovnici - použití kriteriální rovnice – naměřená data pro kalení do vody v. data z kriteriální rovnice odvozené pro kalení do vody - použití kriteriální rovnice – naměřená data pro kalení do oleje v. data z kriteriální rovnice odvozené pro kalení do vody 137
7.4 LITERATURA
[7.1] Froněk V., Kovařík J.: Přenos tepla v oblasti bublinového varu při chlazení velkých strojních součástí ve vodě, interní výzkumná zpráva VZVÚ 0095, Škoda k.p., Plzeň, 1988, 41 s. [7.2] Bhat A.M., Prakash R., Saini J.S.: On the mechanism of macrolayer formulation in nucleate pool boiling at high flux., Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 26, No.5, 1983, s.735-740. [7.3] Bhat A.M., Prakash R., Saini J.S.: Heat transfer in nucleate pool boiling at high heat flux., Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 26, No.6, 1983, s.833-840. [7.4] Bhat A.M., Saini J.S., Prakash R.: Heat transfer correlation for high heat flux region in nucleate pool boiling. J. Inst. Eng. Mech. Eng. Div., Vol. 66, No.1, 1985, s. 20-24. [7.5] Rohsenow W.N, Hartnett J.P.: Handbook of heat transfer, McGraw - Hill Book Company, Inc. 1973. [7.6] Kreith F.: Principles of heat transfer, 2. vyd. International textbook company, 1965, 620 s. [7.7] Heat exchanger design handbook. Vol.2, Hemisphere Publishing Corp. 1983. [7.8] Kuneš J., Franta V., Vavroch O.: Základy modelování, SNTL Praha, 1989
7.5 POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ REFERÁTU A KONTROLNÍ OTÁZKY 7.5.1 Obsah referátu
V části zvolené metody zpracování popsat: - experiment kalení rotoru - celkové uspořádání, měřený objekt a způsob jeho tepelného zpracování, měřicí systém, - postup vyhodnocení - provedení rozměrové analýzy procesu kalení, postup řešení, výsledky vyhodnocení a závěr s hodnocením. V části výsledky a diskuse uvést - naměřená data použitá pro vyhodnocení, - sestavenou rozměrovou matici a výslednou matici kritérií, - komentované průběhy povrchové teploty, tepelného toku a přestupu tepla v rozměrovém a bezrozměrovém vyjádření podle postupu 7.3.3. U každého grafu objasnit zobrazená data, zejména pak v grafech korelace naměřených dat a
138
kriteriální rovnice a v grafech použití kriteriální rovnice pro kalení do vody a pro kalení do oleje. 7.5.2 Kontrolní otázky
• Přínosy využití teorie podobnosti a rozměrové analýzy při vyhodnocení experimentů. • Bezrozměrová kritéria podobnosti a postup jejich určení. • Kriteriální rovnice a její vztah k experimentálním výsledkům.
139
140
8 POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ REFERÁTŮ Doporučená forma a obsah referátu. Údaje uvedené na titulním listu. Struktura a obsah jednotlivých částí referátu. Uvedený vzor lze případně přizpůsobit charakteru příslušného laboratorního cvičení.
141
ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI Fakulta aplikovaných věd, Katedra fyziky
ŠKOLNÍ ROK: 200X/200X
SEMESTR: ZIMNÍ
ROČNÍK: 4
LABORATORNÍ CVIČENÍ z předmětu Speciální měření ve fyzikálních technologiích
číslo cvičení
SMST – XX NÁZEV CVIČENÍ
Skupina: Členové:
A označení skupiny Josef Novák vedoucí skupiny zodpovědný za zpracování referátu Martin Student Pavel Posluchač Zdeněk Divák
Datum: Místo:
dd.mm.rrrr datum cvičení Laboratoř KFY nebo Laboratoř NTC-TTP
Plzeň
142
-2-
Obsah: 1.
CÍL CVIČENÍ .......................................................................................... 3
2.
ZVOLENÉ METODY ZPRACOVÁNÍ ................................................. 3
3.
VÝSLEDKY A DISKUSE ...................................................................... 3
4.
ZÁVĚR .................................................................................................. 3
5.
LITERATURA ........................................................................................ 3
143
-3-
1. CÍL CVIČENÍ Jasné vymezení cíle cvičení s případnou charakteristikou dílčích úkolů. 2. ZVOLENÉ METODY ZPRACOVÁNÍ Stručná a jasná charakteristika zvolených metod řešení - popis měřicího systému (princip, uspořádání), průběhu experimentu a metody vyhodnocení. 3. VÝSLEDKY A DISKUSE Popis získaných výsledků a jejich objasnění. Jde o nejdůležitější část práce. Předpokládá se pečlivý výběr a provedení obrázků a tabulek. Všechny musí být v textu komentovány. V grafech musí být uveden popis veličin na osách a jednotky. Naměřené a vyhodnocené průběhy jednotlivých veličin v grafech by měly být v textu fyzikálně objasněny. Tab.1: Popis tabulky
Obr.1: Popis obrázku nebo v grafu zobrazených veličin 4. ZÁVĚR Stručné zhodnocení dosažených výsledků a splnění cíle cvičení. 5. LITERATURA [1] Veškeré citované zdroje musí být uvedeny standardním způsobem.
144
