книги / Тепловые процессы в технологических системах

промежуточного проводника игра­ ет материал заготовки, а роль компонентов термопары—два резца,

изготовленных из различных материалов и одновременно работаю­ щих с одинаковыми режимами резания. Если принять, что мате­ риал инструмента незначительно влияет на температуру контакт­ ных поверхностей, то можно полагать, что оба инструмента рабо­ тают при одинаковой температуре резания, что удовлетворяет поставленному выше условию.

В устройстве применены геометрические подобные резцы / (основной) и 4 (вспомогательный), изготовленные из различных материалов. В схему входит также токосъемник 6, двухпозицион­ ный переключатель 7, измерительный прибор 9 и вычислительное устройство 8. Градуирование производят в несколько этапов. Вначале в патроне токарного станка закрепляют образец 2 из

легкообрабатываемого материала, например алюминия, темпера­ тура 0х плавления которого известна и введена в память вычисли­ тельного устройства 8. Переключатель 7 установлен в положение а.

Скорость резания интенсивно форсируют, непрерывно повышая частоту вращения шпинделя станка до тех пор, пока в зоне реза­ ния материал обрабатываемого образца не начнет плавиться. ТермоЭДС Elt возникающая в этот момент времени, фиксируется измерительным прибором 9 и вводится в вычислительное устрой­ ство 8. Считаем, что градуировочный график двухрезцовой термо­

пары описывается линейным законом типа / (0) = Л0. Если эта закономерность введена в память ЭВМ, то по значению Elt полу­

ченному на первом этапе градуировки, и 0j машина определяет величину А и тем самым описывает зависимость Е — f (0).

Второй этап градуировки состоит в том, что в патрон станка вместо образца 2 устанавливают заготовку 3 из материала, подле­

жащего обработке. При каком-либо режиме резания, используя двухрезцовую естественную термопару, измеряют термоЭДС Ег,

по которой вычислительное устройство определяет температуру 02 (номера этапов на рис. 4.8 показаны стрелками и римскими циф­ рами). Далее с помощью сервоустройства 5 вспомогательный ре­ зец 4 быстро отводится, а переключатель 7 ставится в положение Ь. Основной резец 1 продолжает точение на прежнем режиме. Те­ перь (на третьем этапе) измерительный прибор 9 фиксирует новое значение термоЭДС Е3. Несмотря на то, что температура резания 0а не меняется, величина Е3 не равна Е3, поскольку измерение про­ изводится новой (основной) естественной термопарой «резец 1 — заготовка». Значение Е3 вводится в вычислительное устройство,

в памяти которого хранится значение 02, что позволяет полностью определить искомую линейную зависимость Е = <р (0) для основ­

ной термопары. Для надежности результатов каждый из этапов

В. В. Цоцхадзе, рассматривая электронные явления, возникаю­ щие в естественных термопарах, получил теоретическим путем формулу

справедливую для любрй пары металлов, находящихся в контакте. При градуировании естественной термопары теоретически доста­ точно провести два опыта с измерением 0 и Е (рассмотренным

выше методом или каким-либо другим), чтобы определить коэф­ фициенты £ и С и конкретизировать уравнение градуировочной кривой.

Естественные термопары очень часто применяют для измерения температуры на поверхности соприкосновения тел, одно из которых неподвижно, а другое перемещается (вращается). В связи с этим возникает задача о замыкании цепи термоЭДС, в которой имеются подвижные детали. Такие задачи возникают, например, при из­ мерении с помощью естественной термопары температур на кон­ тактных поверхностях инструмента с заготовкой при обработке металлов резанием, давлением, шлифованием и т. д.

Для передачи термотока от перемещающихся компонентов термопрр применяют устройства двух типов: скользящие токо­ съемники и жидкометаллические (ртутные) контакты. Схемы устройства обоих типов показаны на рис. 4.9 применительно к измерению температуры резания при точении. Скользящий токо­ съемник 10 устанавливают на одну из поверхностей заготовки 9

и прижимают к ней с силой, достаточной для получения надеж­ ного контакта. Провод 11 подключают к контакту Ь переключа­ теля 16, что позволяет через измерительный прибор 15 и провод­ ник 14, прикрепленный к стержню 12, режущую пластину 13

и заготовку замкнуть цепь термотока. Другой вариант цепи начи­ нается от проводника 8, прижатого кулачком 7 патрона 6 к по-

Рис. 4.9. Измерение температуры естественной термопарой

верхности заготовки 9. Проводник 8 соединен с гибким тросиком 4, проходящим через отверстие 5 в шпинделе станка. Тросик 4 припаян к медному стержню 3, который опущен в ртуть 2, налитую в медную ванночку 1. Последняя укреплена неподвижно на корпусе станка. Провод 17, припаянный к ванночке 1, подведен к контакту а. Цепь термотока замыкается при соответствующем положении переключателя 16 через измерительный прибор 15, проводник 14, стержень 12, пластину 13 и заготовку 9.

В связи с наличием в цепи тока, генерируемого естественной термопарой, дополнительных деталей и проводников, важно обеспечить условия, когда в этой цепи не возникают наразитные ЭДС, искажающие результат измерения. Паразитные ЭДС могут быть следствием дополнительных термопар, возникающих в из­ мерительной цепи, или наводок от других токов, циркулирующих в системе. Дополнительные термопары могут, например, возник­ нуть на поверхности соприкосновения скользящего токосъемни­ ка 10 с нагретой заготовкой 9 или между стержнем 12 и пласти­ ной 13. Поэтому контакт токосъемника изготовляют из того же материала, что и заготовка 9, а токосъемный стержень 12 — из материала пластины 13. Для уменьшения влияния паразитных термоЭДС стержень 3 имеет малый диаметр. Тогда скорость его

трения о ртуть и температура на поверхности их соприкосновения невелики, а значит, невелика термоЭДС этой термопары.

Примером компенсации погрешностей, возникающих вслед­ ствие посторонних наводок, служит устройство для измерения температуры резания при плазменно-механической обработке металлических материалов [А. с. 1312408 (СССР) ]. Мы уже от­ мечали в П. 4.1, что при плазменном нагреве заготовка и плазмо­

трон включены в общую электрическую цепь. Ток в этой цепи, как показывают расчеты и эксперименты [20], интерферирует о током естественной термопары, что приводит к погрешностям,

к центру заготовки увеличивает до необходимого уровня частоту вращения двигателя 14, а с ним и шпинделя станка. Это позво­

ляет поддерживать оптимальную температуру на контактных поверхностях резца в течение всего процесса обработки.

Результаты применения автоматического регулятора, осно­ ванного на использовании термоЭДС естественной термопары, ири обработке дисков из жаропрочного титанового сплава рез­ цом с пластиной твердого сплава ВК8 показаны на рис. 4.11. Если частота вращения шпинделя не регулировалась (кривая 2), температура резания по мере перемещения резца к центру (на рис. 4.11 L — расстояние, измеренное по торцу диска) уменьша­

лась. Изменение температуры Вызывало немонотонное изменение силы Pz в зоне скоростей резания, где пластическое деформиро­

вание материала заготовки затруднено. Появление и исчезновение нароста на передней поверхности резца, также связанное с уров­ нем температуры на контактных поверхностях инструмента, при­ водило к различной высоте микронеровностей Rz на различных

участках торцовой поверхности диска. Эти негативные явления были устранены при автоматическом поддержании оптимальной температуры (кривые 1).

Термоиндикаторы. Термоиндикаторы — это вещества, реаги­ рующие на температуру поверхностей, на которые они нанесены. По принципу действия термоиндикаторы можно разделить на че­ тыре группы (см. рис. 4.1).

Химические термоиндикаторы под влиянием нагрева до опре­ деленной температуры резко меняют свой цвет в связи с химиче­ ским взимодействием веществ, входящих в их состав. Изменение может быть необратимым (после охлаждения индикатора прежний цвет не восстанавливается) либо обратимым. Цветовых переходов может быть один или несколько, т. е. индикатор может менять цвет только один раз по достижении определенной температуры или приобретать различную окраску при разных температурах. Термохимические индикаторы, которые выпускает промышлен­ ность в виде красок, лаков или карандашей, наносят тонким слоем на поверхность нагреваемого тела. По ходу или по окончании термического цикла (см. п. 2.5) визуально наблюдают за измене­ нием цвета индикатора или фотографируют окрашенные участки тела. Это дает наглядное представление о температурном поле на поверхности тела; если термоиндикатор нанесен на поверхность разъема пригнанных друг к другу частей образца, то можно судить о температурном поле внутри него.

Современные термохимические индикаторы позволяют судить о температуре поверхности тел в достаточно широком диапазоне с погрешностью до 10 %. При необходимости исследовать темпе­ ратурное поле объекта с большой точностью применяют термоинди­ каторы плавления. Последние представляют собой тонкие пленки чистых металлов, температура плавления которых известна. Пленки напыляют на поверхность тела, температуру которого

надо изучить. Пленки толщиной 3—5 мкм наносят в порядке, обратном возрастанию их температуры плавления. Если приме­

то первой на поверхность твердого тела должна быть напылена пленка из меди, а последней — из олова. По окончании теплового процесса по контурам областей оплавления пленок можно судить об изотермах температурного поля в твердом теле.

Следующую группу термоиндикаторов представляют вещества, которые в определенном интервале температур переходят в жидко­ кристаллическое состояние. Они обладают свойством при незна­ чительном изменении температуры изменять свою структуру и цвет. В области существования жидкого кристалла индикаторы, состоящие, например, из метилбензаля-/г-аминбеизола-/г-окси- бензоната, в пределах температур 174— 177 °С изменяют свой цвет от красного до фиолетового, проходя через ряд оттенков. Вне этой области индикатор бесцветен.

Люминесцентные термоипдикаторы являются разновидностями люминофоров, которые в зависимости от температуры изменяют яркость свечения или цветовой фон.

Преимущества термоиндикаторов следующие. Из-за малой тол­ щины они практически не меняют теплофизическую обстановку в изучаемом объекте, как это имеет место, например, при приме­ нении искусственных или полуискусственных термопар. Они не требуют никаких дополнительных устройств и приборов, включае­ мых в цепь датчика температуры. Результаты измерения не зави­ сят от посторонних электромагнитных полей или других помех, поэтому нет необходимости в особых фильтрах или экранах.

Вместе с тем термоиндикаторы как средство измерения темпе­ ратур в технологических системах ограничены в применении и имеют недостатки. Прежде всего отметим, что термоиндикаторами невозможно измерить температуру на контактных поверхностях тел, т. е. там, где она нас, как правило, больше всего интересует. Определенные трудности в обработку результатов измерений вно­ сит то, что термоиндикаторы фиксируют наибольшую температуру термического цикла на данном участке тела, т. е. изотермы, полу­ ченные сих помощью, соответствуют различным моментам времени.

4.3. БЕСКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР

В течение ряда лет ведется поиск if усовершенствование средств, позволяющих определить температуру компонентов тех­ нологических систем дистанционно, без непосредственного сопри­ косновения датчика с поверхностью, температура которой кон­ тролируется. Успехи техники регистрации инфракрасного излу­ чения создали условия, благодаря которым бесконтактные способы измерения находят все более широкое применение в практике технологических экспериментов.

температурам. Площадь участка, с которого прибор может принять сигнал, не более 0 , 0 4 x 0 , 0 7 мм2. Это дает возможность не только определить наибольшую температуру на контактной пло­ щадке между инструментом и материалом заготовки, но и судить о законе распределения температур на этой площадке.

Аналогично устроены приборы для измерения температуры ра­ диационным методом в том случае, если требуется определить температуру тел, непрозрачных для инфракрасного излучения. В этом случае оптическая система прибора фокусируется непосред­ ственно на поверхность, температура которой измеряется. Если деталь вращается, то прибор выдает сведения о средней темпера­ туре участка, на который сфокусирован его луч.

В последние годы созданы бесконтактные приборы, так назы­ ваемые тепловизоры, позволяющие наблюдать температурное поле

действием теплового излучения. В качестве температурно-чув­ ствительных веществ используют жидкие кристаллы, люмино­ форы, полупроводниковые пленки и т. д. Прибор позволяет путем калибровки по телам с заранее известной температурой оценить температуры, которым соответствует тот или иной цвет наблюдае­ мого поля на телевизионном экране. Отечественная промышлен­ ность выпускает тепловизоры «Радуга» и «Янтарь», предназначен­ ные для наблюдения меняющихся во времени температурных по­

методах измерения температур. К ним относится, например, акустический. От генератора акустических колебаний импульс звука определенной длины волны Лх направляют на объект, температуру которого измеряют. Исследования показывают, что отраженный импульс имеет длину волны Л2, зависящую от темпе­ ратуры поверхности, от которой он отразился. Направляя отра­ женную волну через фильтр в анализатор, определяют разность А = Л, — Л.г и по ней судят о температуре поверхности твердого тела.

Представляет интерес пневматический метод измерения темпе­ ратур в твердых телах [А. с. 630054 (СССР)]. В основу метода по­ ложен эффект изменения динамической вязкости воздуха в пнев­ матическом дросселе в зависимости от температуры его стенок. Для измерения температуры в твердом теле (например, в режущем инструменте) просверливают тонкое сквозное отверстие. К одной стороне отверстия под постоянным давлением подают воздух. При повышении температуры стенок отверстия вязкость воздуха в нем изменяется, что приводит к увеличению перепада давлений воз­ духа на входе и выходе. Этот перепад измеряют с помощью чув­ ствительной мостовой пневматической схемы и по градуировочной функции (которая, кстати, имеет линейный характер) судят по температуре в данной области твердого тела.

Несмотря на прогрессивность идей, заложенных в современных бесконтактных методах измерения температур, они вследствие технических трудностей осуществления пока не могут конкури­ ровать с контактными способами, в частности с термопарами в тех­ нологических экспериментах. Однако эти методы очень быстро совершенствуют и развивают, в связи с чем можно ожидать, что их будут шире применять при экспериментальном изучении тепло­ вых процессов в технологических системах.

Вопросы для самопроверки к пп. 4.1—4.3

1. Какие контактные методы измерения средней температуры на поверх­ ности твердого тела можно применять? Сопоставьте их преимущества и недостатки.

2. Как можно определить общую мощность тепловыделения в процессах механической обработки? Какие измерения при этом необходимо выполнить?

3.Сформулируйте основные .законы, относящиеся к ЭДС термотока. Какие практические выводы вытекают из этих законов?

4.Перечислите основные виды термопар, применяемых при измерении температур в технологических системах, и сопоставьте их преимущества и недо­ статки.

5.Почему проводники закладной термопары следует изолировать за преде­ лами спая от материала образца?

6.Для чего градуируют термопары? Какие требования предъявляют к ме­ тодике градуирования естественных термопар?

7.От каких величин зависит погрешность измерения температуры с по­ мощью искусственных и полунскусственных термопар? Какие пути снижения этих погрешностей Вы можете предложить?

Задачи к п. 4.2

48. При измерении температуры твердого тела с помощью стандартной тер­ мопары медь — константен зарегистрирована термоЭДС £ == 15 мВ. Пренебре­ гая погрешностями измерения, определить, какая температура была в месте контакта спая термопары с твердым телом.

Ответ: 0 = 308 °С.

49. Для определения температуры на наружной поверхности лопатки из жаропрочного сплава ХН77ТЮР при полировании свободной ветвью абразивной ленты (рис. 4.13) в образец установлена закладная искусственная термопара железо—коистаитан. Спай термопары находится на расстоянии х = 0,6 мм от обрабатываемой поверхности лопатки. Через 10 с после начала полирования милливольтметр, включенный в цепь термопары, показал термоЭДС £ = 10 мВ. Определить температуру на наружной поверхности лопатки в месте, расположен­ ном над спаем термопары.

Алгоритм решения и комментарии к нему:

а) по градуировочной функции для термопары железо—коистантан (см. стр. 143) при £ = 10 мВ рассчитать температуру на спае термопары (0 = 179 °С); б) за малостью размеров участка, температуру которого определяют, схе­ матизировать лопатку в виде полупространства с равномерно распределенным

в) по коду задачи и прил. 7 написать формулу для расчета отношения между температурой 0 полупространства в точке с ординатой х и температурой 0Н при

и, пользуясь условиями задачи, рассчитать искомую температуру. Ответ: 0Н « 199 °С.

50.Полуискусствениая термопара получена приваркой к детали из стали

У12 константаиового проводника диаметром 0,5 мм. Через какое время от начала измерения погрешность, вызванная оттоком теплоты в проводник термопары, не будет выходить за пределы 2 % от фактически действующей температуры?

Ответ: т = 1,08 с.

51. Через 0,1 с после того, как место спая медного проводника диаметром 0,2 мм и пластины из твердого сплава ВК8 начало нагреваться, осциллограф зарегистрировал термоЭДС, значение которой соответствует температуре 200 °С.

Каково истинное значение температуры в месте спая полуискусственной термо­ пары в этот момент?

Ответ: 0 = 235 °С.

52. Для тарирования естественной термопары при обработке заготовки из стали ШХ15 инструментом из твердого сплава Т15К6 изготовлены два стержня из материалов заготовки и инструмента. Место стыка стержней (спай) погружали последовательно в плавящееся олово (0Пл “ 232 °С) и алюминий (0ПЛ = 660 °С), причем измерительный прибор, подсоединенный к холодным концам стержней, показал соответственно Ех = 4,2 мВ и Е2 = 9,6 мВ. Описать градуировочные кривые б двух вариантах: а) полином второй степени и б) по формуле (4.5). Про­ верить, какая из функций точнее, если известно, что при погружении спая стерж­