Экспериментальное определение температур

Экспериментальные методы необходимы для оценки адекватности результатов теоретических исследований, а также для решения задач, возникающих при исследованиях тепловых процессов:

– определение мощности источников тепловыделения, законов распределения плотности тепловых потоков или общего количества выделенной теплоты;

– определение локальной температуры, т. е. температуры на небольшом участке объекта;

– определение средней температуры на поверхностях объектов и в зонах их контакта;

– выявление законов распределения температур на поверхностях объектов и в зонах их контакта;

– определение температурного поле внутри объекта.

Средства измерения температур контактным методом [3.9]:

– термопары различного конструктивного исполнения;

– термопреобразователи электрического сопротивления, зависящего от температуры;

– термоиндикаторы, изменяющие свой цвет, коэффициент отражения или другие оптические характеристики при изменении температуры;

– волоконно-оптические датчики, в которых оптические характеристики световолокна зависят от температуры;

– термотранзисторы, использующие зависимость напряжения эмиттер-база кремниевых транзисторов от температуры.

К средствам измерения температуры бесконтактным методом относятся:

– инфракрасные преобразователи температуры, в которых энергия излучения объекта преобразуется в электрический сигнал;

– тепловизоры, использующие в качестве приемиков излучения инфракрасные пирометры;

– ультразвуковые термометры, параметры отраженных импульсов звука в которых зависят от температуры объекта.

В термопарах используется явление, заключающееся в том, что в замкнутой цепи из разнородных металлических проводников, температура спаев которых различна, возникает электрический ток. Электродвижущую силу в такой цепи называют термоэлектродвижущей силой (термо ЭДС).

Применяют три вида термопар: искусственные, полуискусственные и естественные.

Искусственная термопара состоит из двух проводников, в полуискусственной термопаре в качестве одного из проводников служит заготовка или инструмент. В естественной термопаре оба проводника, образующие спай, являются элементами технологической системы, например, инструмент и заготовка, которые при обработке находятся в таком плотном контакте, что место контакта мало отличается от спая.

Естественные термопары часто используют для измерения средней температуры на поверхности соприкосновения инструмента с обрабатываемой заготовкой или со стружкой (температуры резания). Заготовка и инструмент, служащие элементами термопары, в процессе резания находятся в контакте, нагретом до высокой температуры (рис. 3.4). Заготовка 1 от патрона, а резец 2 от резцедержателя изолируются диэлектрическими прокладками 7 и 3. В заготовку 1 ввернут стержень 5, диаметр которого меньше диаметра отверстия в шпинделе, изолированный текстолитовой втулкой 6. На конце стержня установлен токосъемник. Возникающая термо ЭДС поступает на регистрирующий прибор 4.

Если от токосъемника к регистрирующему (измерительному) прибору сигнал передается через усилитель с большим входным сопротивлением, в качестве токосъемника может быть использована пробка с шариковым подшипником малого диаметра: провод от вращающейся заготовки подводится к наружному кольцу подшипника, а сигнал снимается с неподвижного внутреннего кольца [3.4].

При исследованиях, не требующих высокой точности, заготовка не изолируется от станка, полагая, что роль дополнительной термопары ничтожна. Поэтому провод можно присоединять к любой точке станка.

При тарировании термопары устанавливается соответствие показаний регистрирующего прибора, фиксирующего напряжение, и значения температуры.

Рис. 3.4. Схема измерения температуры резания методом естественной термопары: 1 – заготовка; 2 – резец; 3 – прокладка; 4 – измерительный прибор;

5 – стержень; 6, 7 – изолирующие втулки

Для этого спай термопары помещают в среду, температура которой известна, и фиксируют показания измерительного прибора, соответствующие разным температурам. Строят тарировочный график, по которому показания прибора переводятся в значение температуры.

Одним из методов тарирования является помещение резца и заготовки (или стержня из этого же материала) в металлическую ванну (из свинца, олова, сурьмы), подогреваемую каким-либо источником теплоты. В ту же ванну помещают контрольную термопару, протарированную ранее. При подогреве и охлаждении ванны через определенные промежутки времени контрольной термопарой регистрируют ее температуру и показания регистрирующего прибора. По полученным результатам строят тарировочный график зависимости электрического напряжения, фиксируемого измерительным прибором, от температуры термопары (рис. 3.5). Пример тарировочного графика приведен также на рис. 6.4.

Рис. 3.5. Тарировочный график