2高溫氣體溫度的測量

1、“高溫氣體溫度的測量”教學實驗指導書教學實驗編號：(可不填)教學實驗名稱：高溫氣體溫度的測量 (中文)Temperature measurement of high temperature gas (英文)學分/學時：4學時適用專業(yè)：發(fā)動機、工程熱物理、宇航、氣動、汽車專業(yè)先修課程和環(huán)節(jié)：傳熱學、流體力學、熱工測試技術(shù)；一、實驗目的1 .實際使用熱電偶對高溫空氣的溫度進行測量；2 . 了解用熱電偶測量高溫氣體溫度存在哪些誤差及減小這些誤差的方法；3 .結(jié)合已經(jīng)學過的傳熱學和測試技術(shù)知識，自行設(shè)計實驗方案， 提高測量精度。二、實驗內(nèi)容及基本原理高溫氣體溫度的準確測量是熱工領(lǐng)域里科研和生產(chǎn)中的一個

2、技術(shù)難題。本實驗臺是根據(jù)熱電偶測量溫度的原理和測試技術(shù)課程中關(guān)于溫度測量的相關(guān)知 識而建立的。用裸露熱電偶直接測量管道內(nèi)溫度比較高的透明氣體溫度時，由于熱電偶與管壁之間存在輻射換熱，使得所測溫度與實際溫度存在很大差別。設(shè)氣體與熱電偶之間的對流換熱流為 Q,熱電偶與管壁的輻射換熱流 Qr與它自身的儲熱熱流Qs、導熱的熱流Q7,之和為Q2 (Q2 =Qr+Qs+Q九)，當Q=Q2也 即達到了所謂的熱平衡時，熱電偶所指示的溫度就是所測得的空氣溫度，它與氣 流的真實溫度有很大差別。(1)通過對流換熱，高溫空氣對熱電偶測量端 (節(jié)點)的加熱熱流為：Q1 =：ATg -Tj(1)(2)熱電偶測量端與周圍管

3、壁的輻射換熱:44Qr - nA。Tj -Tw(3)熱電偶測量端沿引線的導熱：dT小、Q,=-f(3)dx(4)熱電偶測量端的儲熱：dTg，八Qs =mc(4)d .其中：a熱電偶與高溫空氣的對流換熱系數(shù)； 與一熱電偶測量端表面積；Tj 熱電偶測量端的溫度；部一系統(tǒng)黑度(由于熱電偶測量端的表面積遠小于被它“看 見”的管壁面積，%接近熱電偶材料的表面黑度 君)；仃一玻爾茲曼常數(shù)；Tw 壁面溫度；九一熱電偶測量端材料導熱系數(shù)；f 熱電偶引線的橫斷面積。實際上，由于用熱電偶測溫時，深入到高溫氣體中的引線相對于測點來說比較長，沿熱電偶引線的導熱熱流 Q；可以忽略。當測量氣流的溫度不變且熱電偶 /u測點

4、達到熱穩(wěn)定時，熱電偶測量端的儲熱熱流 Qs = 0,故有：Q1 = Q2 = Qr(5)grj則TgT4j -T4w Tj(6)Ct可以看出，只有當黑度6為零或?qū)α鲹Q熱系數(shù)a為無窮大或管壁溫度等于氣體溫 度時，才有Tg=Tj。但實際上黑度名不可能為零，a也不可能為無窮大，由于存 在熱損失，管壁溫度也不可能等于氣體溫度，因此，熱電偶的指示溫度永遠不會 等于氣流的真實溫度，用裸露熱電偶測量高溫氣體溫度時誤差總是存在的。本實驗只提供高溫空氣環(huán)境，要求學生自行設(shè)計實驗方案對所提供的高溫空氣的溫度(<550 C)進行測量，并與實驗臺提供的準標準值進行比較，優(yōu)秀的測 試方案將在以后的科研中采用。三、

5、實驗使用的儀器設(shè)備及實驗裝置實驗臺由四大部分組成，分別為進氣部分、加熱部分、測量部分、尾氣處理部分。如圖1設(shè)備總體圖所示。整個實驗臺由光滑的不銹鋼圓管制成， 除進氣段和實驗段外其余部分均被絕 熱箱體包裹?？諝庥晒娘L機引入，其流量可以通過翻板閥來進行控制，空氣加熱后進入實 驗段，學生在實驗段對其溫度進行測量，實驗段出口的高溫空氣進入引風降溫管 路，與冷空氣混合后排向大氣。加熱段內(nèi)有加熱電阻絲和絕緣陶瓷圓管，加熱量約為 3kW具體數(shù)值由電壓 和電流表讀取。? ?在？ U1 ? ?a ? ? 士? e ? ?圖1實驗臺總體圖? e ?e 1圖2學生測點安裝示意實驗臺有兩個實驗段，開設(shè)兩個學生測點，分

6、別為“學生測點 1”和“學生 測點2"，兩個學生可以同時在不同的實驗段進行實驗。在實驗段上開有 M20的 螺紋孔，在與其配合的螺柱上開有 65的通孔，學生自制的測溫裝置將被夾裝在這里，如圖2 所示。實驗室提供條件因為本實驗為學生自主實驗，要求學生根據(jù)學過的基本知識進行高溫氣體溫度測量，故實驗室只提供如下測試元件、儀表和相關(guān)實驗材料：測試類：NiCr-NiSi熱電偶、XST系列單輸入通道數(shù)字式智能儀表、數(shù)字電流表、 數(shù)字電壓表。工具類 ： 鉗子、剪刀、扳手、臺鉗、什錦挫、鑷子、螺絲刀、點焊機等。消耗品類：0.1mm厚不銹鋼帶、直徑4mm銹鋼管、直徑3mm!管等。四、具體實驗步驟1) 了

7、解實驗設(shè)備。2) 自行設(shè)計實驗方案，制作測試元件。3) 起動風機，調(diào)節(jié)到合適風量。4) 接通加熱電源，對空氣進行加熱，注意觀察儀表上數(shù)字的變化情況。5) 給定額定加熱功率，當每5 分鐘溫度變化不超過1 度時，可以認為實驗臺達到了熱穩(wěn)定狀態(tài)，開始記錄實驗數(shù)據(jù)。6) 改變加熱功率，空氣溫度也發(fā)生相應(yīng)的變化，按第5 步驟重新進行實驗。要求測試不同功率時標準測點與學生測點的不同溫度值。7) 實驗結(jié)束后，先關(guān)閉加熱電源，并持續(xù)通風十分鐘左右，待實驗臺 溫度降下來后才可以關(guān)閉鼓風機。整理實驗臺，將設(shè)備恢復到原來的狀態(tài)。五、實驗要求根據(jù)所學基本知識和實驗室提供的條件，自行設(shè)計實驗方案進行高溫空氣溫度測量。并

8、給出最終測試結(jié)果，與實驗臺提供的準標準值Ts進行比較，然后，將Tsi與Tj,i和(或)Ts,2與Tj,2畫到同一張坐標紙上進行比較。六、實驗準備及預習要求本實驗是綜合實驗，要求學生根據(jù)所學專業(yè)知識并根據(jù)實驗指導要求，實驗前充分了解實驗原理，并能提出一到兩種設(shè)計方案，希望廣大同學發(fā)揮聰明才智，好的設(shè)計方案將被采用并得到一定的獎勵。七、 注意事項1. 實驗過程中，嚴禁身體的任何部分接觸實驗臺的測量段，防止燙傷！2. 實驗過程中，嚴禁改變測量段的標準測點的任何布置！八、思考題1. 熱電偶測溫的誤差來源都有哪些？如何減小這些誤差？2. 在實驗中忽略了熱電偶導熱的影響，為什么可以這樣做？如何判斷熱電偶沒有和實驗臺的管壁接觸？3. 測點 1 與測點 2