Magas-hőmérsékletű gázáramba épített hőmérők hősugárzás és hővezetés okozta hőmérsékletmérési hibáinak bemutatása 1. A mérés célja A hőmérő és a környezete közötti hősugárzási és hővezetési hőcsere következtében fellépő érzékelési hibáinak mérése állandósult állapotban a következő esetekre: 1.1. A védőtok hővezetése okozta jelzési hibák bemutatása higanyos hőmérő alkalmazásakor. 1.2. Hősugárzás okozta jelzési hibák bemutatása termoelemekkel az alábbi esetekre: a., az érzékelő alakjának, b., az érzékelő felületi minőségének (ε emissziós tényezőjének) c., az ernyőzés és az ernyő minőségének, (ε tényezőjének) hatása a jelzési hibára 2. A mérőberendezés leírása Az 1. ábra a mérőberendezés vázlatát mutatja. A függőleges helyzetű cső alsó részében van elhelyezve a levegőt szállító ventilátor, a villamos fűtőellenállás és a keverő. A keverőből homogén hőmérsékletű levegő áramlik a cső felső részében kialakított mérőszakaszba. A mérőszakasz nagyobb átmérőjű helyén a részben szigeteletlen csőfalba három higanyos hőmérő van beépítve. Az 1. jelzésű hőmérő a védőtok nélkül. 2. jelzésű acél védőtok, csőfaltól szigetelve, olajtöltettel, a 3. jelzésű acél védőtok, csőfalba hegesztve, hosszú kiálló védőcsővel, olajtöltettel, a 4. jelzésű a 3. szerinti de kiálló védőcső lecsavarozva, a jelzési hibák bemutatására (1-4 hőmérők). A csőfalba hegesztett védőtok rácsavarozható kiálló védőcsővel is használható. A legfelső kisebb átmérőjű szigetelt csőszakaszba tokozás nélküli kétszeres ernyőzésű higanyos hőmérőt szereltünk. Ezzel az 5. hőmérővel állapítjuk meg a referenciahőmérsékletet. A készülékhez közel, a kilépő levegősugárba egymást váltva 8 db különböző kialakítású termoelem helyezhető (6-13 termoelemek). A termoelemek hőmérséklet érzékelői a környezeti hőmérsékletű tárgyakkal sugárzási kölcsönhatásban vannak. Az adatok egy erre a célra kihelyezett feszültségmérőről olvashatók le.
1. ábra BME, Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
BME, Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék 3. A mérés végrehajtása A 1. táblázat a higanyos hőmérők, A 2. táblázat a termoelemek jellemzőit és mérési eredményeit tartalmazza. Nagyon fontos, hogy a leolvasásokat a hőegyensúly beállását kivárva végezzük. A higanyos hőmérőket azonos időben leolvassuk, majd a 3.,vagy a 4., beépítési módnak megfelelően le-, vagy felcsavarozzuk a kiálló védőcsövet és az új esetre vonatkozó leolvasást a hőegyensúly beállása után - érdemes a termoelemes mérés végén - végezzük el. Termoelemeknél minden egyes esetben és itt különösen azért, mert a kimutatható jelzési hibák jóval kisebbek, mint a higanyos hőmérőknél a 3. vagy a 4. beépítési módra való áttérésnél. 4. Segítség a mérés kiértékeléséhez A jelzési hiba: t ti t5 ahol: t - jelzési hiba t i - mért hőmérséklet t5 - referencia hőmérséklet A higanyos hőmérőknél elsősorban a hővezetés útján elvezett hőmennyiség befolyásolja a jelzési hibát. A hővezetést viszont a védőtok beépítése és geometriája határozza meg, hűtőbordaként viselkedik, így a mérési pontban eltérő hőmérsékletet mérünk a referenciához képest. A berendezés fala acélból készült, melynek jó hővezető képessége van, ezért nagyban befolyásolja a védőtok és a csőfal kapcsolata az elvezetett hőmennyiséget. A gyakorlatban a beépítéseknél törekszenek a minél jobb hőszigetelésre a két elem között. A geometriai kialakítást elsősorban a mérendő közeg tulajdonságai határozzák meg. A termoelemekről távozó hőmennyiség elsősorban a hősugárzásból adódik, melyet az alábbi összefüggéssel számítható ki. ahol: elvezetett hőmennyiség feketeségi fok (abszolút fekete test: ) Stefan-Boltzmann állandó T 0 termoelem hőmérséklete T w a termoelem körüli fal hőmérséklete A 0 termoelem felülete
Az összefüggésből kiindulva a jelzési hiba csökkentésére több lehetőség adódik: A feketeségi fok csökkentése a termoelem felületi minőségének változtatásával érhető el (pl.: fényesítés). A termoelem felületének csökkentése. A termoelem körüli fal hőmérsékletének növelése. Erre egy általánosan használt módszer az árnyékolás alkalmazása, melynél egy ernyőt húzunk a termoelem köré. Az ernyő hőmérséklete - mivel szintúgy a gázáramban van magasabb, mint a helyiség falának hőmérséklete, így csökkentve az sugárzásos hőáramot. Az árnyékolás felületéről is távozik sugárzás útján hőmennyiség a helyiség falai felé, ezért a mért gázhoz képest alacsonyabb hőmérsékletű. Második ernyő beépítésével csökkenthető ez a veszteség. Az ernyő felületének minősége is befolyásolja a hőveszteséget ugyanolyan módon, mint a termoelemeknél. termoelem ernyő
5. Mérés kiértékelése A mellékelt táblázatban megadott utasítás szerint elvégezzük a számításokat. A táblázat utolsó oszlopa a jelzési hibát adja. Értékelje szövegesen a mért jelzési hiba okát az alábbi felsorolásban jelölt hőmérőpárok között. Ezen párok között csak egy-egy jellemzőben (beépítés, alak, felületi minőség, ernyőzés) van eltérés. Elképzelhető, hogy a jelzési hiba egyes pároknál nem az elvártak szerint alakul mérési hiba miatt. Melyek ezek a párok? Higanyos hőmérők: (1. és 2.) Termoelemek: (6. és 7.) (1. és 3.) (8. és 9.) (1. és 4.) (8. és 10.) (11. és 12.) (11. és 13.) 1. táblázat Higanyos hőmérők Mérőhely Mért hőmérséklet t i Referencia hőmérséklet t 5 Jelzési hiba Δt=t i t 5 1. Védőtok nélkül 2. Acél védőtok, csőfaltól szigetelve, olajtöltettel 3. Acél védőtok, csőfalba hegesztve, hosszú kiálló védőcsővel, olajtöltettel 4. A 3. szerinti, de kiálló védőcső lecsavarozva
2. táblázat Termoelemek Mérőhely leírása Hőmérs. Tényező [ o C/mV] Termo fesz. E [mv] Hőmérs. E t i Higanyos hőmérő t 5 Jelzési hiba Δt=t i -t 5 6. Csupasz termoelem kis méretű gömb alakú érzékelő 18,001 7. Csupasz termoelem nagyméretű gömb alakú érzékelő 18,001 8. 1,5mm köpeny termoelem, fényes 9. 3mm köpeny termoelem, fényes 23,43 10. 1,5mm köpeny termoelem, kormozott 11. 1,5mm köpeny termoelem, egyernyős, fényes króm ernyő 12. 1,5mm köpeny termoelem, egyernyős oxidált vörösréz ernyő 13. 1,5mm köpeny termoelem, kéternyős, fényes króm ernyők