Měření ve fyzikálních technologiích

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