Методика определения погрешности измерения температуры с помощью термопар в элементах конструкций из неметаллических функционально неразрушаемых материалов Боровкова Татьяна Владимровна
Диссертация - 15у.е., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников
Автореферат - 6 у.е., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников
Боровкова Татьяна Владимровна. Методика определения погрешности измерения температуры с помощью термопар в элементах конструкций из неметаллических функционально неразрушаемых материалов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.07.07 / Боровкова Татьяна Владимровна; [Место защиты: Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана]. - Москва, 2008. - 181 с. : ил. РГБ ОД, 61:08-5/85
Содержание к диссертации
стр.
Введение 4
Глава 1. Состояние проблемы определения методических
погрешностей при измерении температуры термопарами
и постановка задачи исследования 11
Методические погрешности измерения температуры элемента конструкции или образца материала, непрозрачного для излучения 11
Методические погрешности измерения температуры частично прозрачных образцов материала 21
Погрешности измерения температуры потока горячего газа 24
Постановка задачи исследования 26
Выводы по главе 1 28
Глава 2. Теория расчета методических погрешностей
с использованием термопар 29
Физическая и математическая модели расчета методической погрешности измерения температуры 29
Алгоритм расчета погрешности и выбор контрольных точек 35
Оценка принимаемых допущений 48
Упрощенная математическая модель расчета 58
Исследование точности расчета погрешности 60
Выводы по главе 2 68
Глава 3. Погрешности измерения температуры термопарами, устанавливаемыми внутрь элемента конструкции различными
способами 69
3.1 Влияние тсплофизических свойств материалов, плотности
теплового потока и неточности расположения термопарного
датчика на величину искажения температурного поля при
установке термопары в паз 69
стр.
3.2 Влияние на погрешность измерения температуры анизотропии
свойств материала 83
Конечно-элементная модель 84
Методика проведения расчетов 88
Результаты расчетов 90
3.3 Методические погрешности измерения температуры,
возникающие при использовании «пробок» для установки
термопары в материал 100
Глава 4. Методика определения погрешности
измерения температур поверхности элементов конструкций в
реальном времени испытания и экспериментальная проверка
полученных в работе результатов 121
4.1. Уточнение граничных условий при моделировании
испытаний системы «элемент конструкции - термопара»
в условиях конвективного и радиационного нагрева 121
4.2. Расчет методической погрешности измерения температуры
в режиме реального времени при проведении эксперимента 138
4.3. Сравнение результатов расчетного и экспериментального
исследований погрешности измерения температуры при испытаниях на
стендах с инфракрасным нагревом 150
Исследование погрешностей определения температуры элемента конструкции из стеклопластика при помещении термопары в паз и под накладкой 150
Исследование погрешности определения
температурного поля в керамическом материале 160
Основные результаты работы и выводы 167
Список литературы 170
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения
точности термопарных измерений температуры при проведении тепловых
испытаний элементов конструкций летательных аппаратов (ЛА). Проблема
достоверности результатов, получаемых при проведении испытаний,
является центральной в процессе подготовки эксперимента и тесно связана с методикой проведения измерений. Термопарные датчики широко применяются для определения температур нагреваемых поверхностей элементов конструкций ЛА и образцов материалов. При этом в условиях проведения серийных промышленных испытаний способ установки термопар в конструкцию является компромиссом между удобством, надежностью проведения эксперимента и стремлением снизить методические погрешности измерения температуры. Достаточно часто, например, при проведении ресурсных испытаний, отсутствует возможность заделать термопару в>
материал на этапе изготовления элемента конструкции. В этом случае может
применяться установка термопары непосредственно на нагреваемую поверхность конструкции или в паз, прорезанный в материале. Однако технология таких способов установки датчиков предусматривает наличие дополнительных слоев материалов: в пазу термопара находится под слоем шпаклевки, а слой лакокрасочного покрытия выравнивает оптические свойства области размещения датчика и остальной нагреваемой поверхности. Как правило, на практике, показания термопарного датчика, установленного в конструкцию одним из этих способов, служат для определения температуры нагреваемой поверхности без дополнительного пересчета для учета методической погрешности измерения.
При создании методики определения температуры поверхности по показаниям заглубленного датчика актуальной задачей является также количественная оценка влияния конструктивно - технологических особенностей его установки в элементы конструкций (установка «в паз»,
5 «под накладкой», наличие клея, лака и пр.) на точность измерения температуры.
Существенным обстоятельством, обеспечивающим повышение качества теплового эксперимента, служит возможность своевременного учета возникающих погрешностей определения температуры в реальном времени. Практическая реализация указанной возможности может быть достигнута введением в программу управления стендом радиационного нагрева ф>пкциональных зависимостей величины погрешности от основных искажающих факторов. Использование таких зависимостей, получаемых в результате предварительного исследования условий теплового эксперимента, сулит значительное уменьшение опасности перегрева ответственной конструкции.
Помимо стендов радиационного нагрева при тепловых испытаниях на практике часто применяются установки, обеспечивающие конвективный нагрев конструкции. В этом случае кроме методической погрешности, связанной с технологией установки термопары в конструкцию, возникает необходимость определения температуры потока для построения точной модели расчета температурного поля при нагреве поверхности конвективным потоком. Температура потока может быть определена датчиками различных типов, среди которых термопарные датчики не являются самыми точными. В то же время, они оказываются наиболее предпочтительными температурными датчиками, которые могут проводить измерение температуры высокоскоростного газового потока, содержащего агрессивные компоненты и твердые частицы. В такой ситуации актуальной является необходимость разработки методики определения погрешности измерения температуры термопарами в защитных металлических чехлах.
Цель работы. Основной целью диссертационной работы является разработка методики определения погрешности измерения температуры с помощью термопар, установленных в конструкции из неметаллических функционально неразрушаемых материалов, позволяющей повысить
точность экспериментального определения температурного поля конструкции с учетом технологических особенностей установки термопар. Функционально иеразрушаемый неметаллический материал - это такой материал, который позволяет сделанной из него конструкции выполнять свои функции, несмотря на воздействие окружающей среды, изменяющее его
свойства.
Исходя из этого в диссертации поставлены и решены следующие задачи.
Анализ состояния проблемы определения методических погрешностей при измерении температуры термопарами.
Разработка уточненной математической модели элемента конструкции с термопарой, помещенной в паз со стороны нагреваемой поверхности, с учетом технологических условий фиксации датчика и обеспечения постоянства оптических свойств поверхности.
З.Расчетно-теоретическое обоснование допущений и разработка упрощенной математической модели температурного поля системы «элемент конструкции —термопара в пазу».
4. Исследование погрешности измерения температуры термопарами, устанавливаемыми внутрь изотропного материала различными способами (в паз на поверхности конструкции, в паз в глубине конструкции, с помощью «пробок»), с учетом технологических условий установки датчика.
Исследование погрешности измерения температуры термопарами, размещаемыми внутри конструкции из анизотропного материала, с учетом технологических особенностей установки датчика.
Разработка метода расчета погрешности измерения температуры термопарами, устанавливаемыми внутрь конструкции, в режиме реального времени при проведении эксперимента.
Разработка метода расчетно-экспериментального уточнения граничных условий при моделировании испытаний системы «элемент
7 конструкции - термопара» в условиях конвективного и радиационного нагрева.
Объектом настоящего исследования является элемент конструкции летательного аппарата (ЛА) с размещенной в нем термопарой, а основным предметом исследования - методическая погрешность измерения температуры. Под термином «элемент конструкции» в работе понимается ее часть, выполненная из того же материала и работающая в тех же условиях теплового нагружения, размеры которой существенно больше области, в которой имеет место искажение температурного поля.
Известно, что основной теплофизической характеристикой материала является его температуропроводность. Для материалов конструкций, рассматриваемых в работе классов ЛА, значение этого параметра в основном-изменяется в диапазоне 10" -И0" м /с.
В качестве основного класса ЛА рассматриваются сверхзвуковые крылатые противокорабельные ракеты типа «БраМос» с характерными для них материалами, темпом и уровнем нагрева.
Методы исследования. В работе использованы метод элементарных балансов, метод конечно-элементного моделирования, аналитические методы определения температурных полей в конструкции и методы статистического анализа.
Степень достоверности полученных результатов обеспечивается тщательным анализом допущений, принимаемых при разработке физико-математической модели расчета температурного состояния объекта исследования, сравнением результатов расчета с данными эксперимента, тестовых задач и исследований, выполненных другими авторами.
Научная новизна. В диссертации разработана новая методика определения погрешности измерения температуры термопарами в элементах конструкции летательных аппаратов из неметаллических функционально неразрушаемых материалов, включающая в себя:
разработку физической и математической моделей объекта исследования, учитывающих конструктивно-технологические особенности установки термопары в элемент конструкции;
количественную оценку допущений, используемых при создании упрощенных моделей расчета погрешностей определения температуры;
выбор контрольных точек для определения погрешности измерения температуры в соответствии с задачами эксперимента;
метод определения температуры на поверхности исследуемой конструкции в режиме реального времени эксперимента.
Также разработан метод определения погрешности измерения
температуры торможения высокоскоростного потока газа,
взаимодействующего с поверхностью конструкции.
Практическая значимость диссертации заключается в разработке алгоритмов и методов расчета, которые позволяют проводить моделирование температурного поля в системе «элемент конструкции - термопара» с учетом конструктивно-технологических особенностей установки термопар, исследовать и оценивать упрощающие допущения моделей расчета с точки зрения их вклада в величину методической погрешности.
Разработан метод, позволяющий в режиме реального времени учитывать полученные данные о величине методической погрешности в системе автоматического управления стендом радиационного нагрева.
Результаты исследований используются в учебном процессе кафедры «Космические аппараты и ракеты - носители» (СМ-1) МГТУ им. Н.Э. Баумана, в исследовательской деятельности НИИ Энергомашиностроение МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также на предприятии ВПК «НПО машиностроение».
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
1. Методика определения методической погрешности измерения
температуры в элементах конструкции ЛА из неметаллических
функционально неразрушаемых материалов с учетом технологических
особенностей установки термопарного датчика.
-
Метод расчета погрешности измерения температуры в реальном масштабе времени, используемый в системе автоматического управления стендом радиационного нагрева.
4. Метод расчетно-экспериментального определения температуры
торможения высокоскоростного потока газа при испытаниях конструкции в
условиях конвективного нагрева.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы сообщались на
XXI Международной конференции «Математическое моделирование в механике сплошных сред. Методы граничных и конечных элементов.» (Санкт-Петербург, 2005 г.),
Международной научной конференции «Ракетно-космическая техника. Фундаментальные и прикладные проблемы механики.» (Москва, 2006 г.), International Conference on Mathematical Modeling and Computational Physics (Slovakia, Tatranska Strba, 2006 г.),
- XXXI Академических чтениях по космонавтике (Москва, 2007 г.).
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинаре
аспирантов кафедры СМ-1 факультета Специального машиностроения МГТУ им. Н.Э. Баумана и научном семинаре «Теплофизические проблемы в ракетно-космической технике».
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 3 научных статьях, изданных в реферируемых журналах, а также в материалах конференций и научно-технических отчетах.
10 Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 184 страницы, в том числе 151 страница текста, 84 рисунка и 10 таблиц. Список литературы содержит 87 наименований.