Измерение температуры пламени с помощью термоэлектрического термометра

Один из простейших методов измерения температуры заключается в том, что вводят в пламя небольшой по размерам термоэлектрический термометр. Температура такого термометра может, однако, существенно (на 100—200°С) отличаться от температуры газа, так как она определяется из теплового баланса:

(3)

где  — тепло, переданное от пламени к термометру через конвекцию; — тепло каталитического горения на термоэлектродах термометра; — тепло, отведенное через термоэлектроды и соединительные провода; — тепло, излучаемое термометром в окружающую среду.

Специальными мерами стремятся обратить в нуль величины  и . Величина  зависит от температуры термоэлектродных проволок, пламени, стенок, а также от диаметра проволоки и излучательной способности участвующих в лучистом теплообмене элементов. Мысленно можно разложить  на две компоненты, соответствующие теплообмену излучением между проволокой и стенками печи.

Для конвекционного потока тепла  исходное значение критерия Нуссельта зависит, помимо прочего, от диаметра проволоки.

Для соблюдения условий, заложенных в основу теории прохождения потока через цилиндр, диаметр рабочего спая термопары термометра должен в возможно большей степени соответствовать диаметру термоэлектронной проволоки; соединительные провода должны быть расположены в направлении наименьшего температурного градиента. При соблюдении этих условий можно считать, что тепловой поток от рабочего спая в подводящие провода пренебрежимо мал ( 0).

На основании изложенного выше можно рассчитать действительную температуру пламени по результатам измерений одним термометром. Получили также развитие способы измерения температуры, основанные на зависимости между показаниями термометра и диаметра термоэлектродной проволоки: в определенное место пламени один за другим вводят два (или более) термометра с разной толщиной термоэлектродов и исходя из результатов измерений рассчитывают действительную температуру пламени:

  (4)

где d — диаметр термоэлектродной проволоки; индекс «1» относится к тонкому термоэлектроду, индекс «2» — к толстому, индекс w — к стенке.

Этот, а также и большинство других методов с использованием двух термометров не учитывают обмена излучением между термометром и пламенем. Пренебрежение этим обменом в случае несветящегося пламени не приводит к большой погрешности измерения. В случае светящегося оптически толстого пламени обменом излучением между термоэлектродной проволокой и стенкой можно пренебречь по сравнению с обменом между термоэлектродной проволокой и пламенем. Вследствие сильной абсорбции пламени термометр «не видит» стенку. В этом случае применение уравнения (4) не приводит к полезным результатам. Естественно, что влияние излучения стенки или пламени зависит также и от места измерения.

При практическом применении метода двух термометров часто возникают погрешности измерения того же порядка, что и рассчитанные [дробь в уравнении (4)]. Поэтому предложено измерять температуру лишь одним возможно более тонким термоэлектрическим термометром, а поправку примерно оценивать из зависимостей, приведенных на рис.1. Последовательность расчетов следующая. Из уравнения (3) имеем

где  - излучательная способность;  - поверхность термометра. После несложных преобразований получим

    (5)

Коэффициент рассчитывается из уравнения (5) и рис.1, который соответствует Т_w=300 К (рис.2 – зависимость коэффициента  от измеренной температуры). Действительная температура приблизительно дается уравнением (5), в которое вводятся измеренные значения Т₁ и Т_w и значения , определенные для данной температуры Т₁ и диаметра проволоки d.

Вследствие своей массы термоэлектрические термометры при высокочастотных турбулентных колебаниях температуры пламени не могут точно за ними следовать и дают средние значения температуры, полученные интегрированием первой степени температуры во времени.