Оценка методической погрешности измерения температуры внутри образцов высокотемпературной керамики

Язык труда и переводы:
УДК:
629.7: 536.2
Дата публикации:
19 июля 2021, 15:06
Категория:
В6. Композиционные материалы
Авторы
Денисов Олег Валерьевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Проведено математическое моделирование тепловых процессов в системе «датчик температуры — образец» при одностороннем нагреве образцов нитридной керамики высокоинтенсивным тепловым потоком. Рассмотрены различные варианты заделки платинородиевых термопар внутри экспериментального образца. Выявлены закономерности влияния диаметра термоэлектродов, размера горячего спая, места расположения термопары в пазу образца на методическую погрешность измерения температуры. Даны рекомендации по установке термопар.
Ключевые слова:
термопара, методическая погрешность, тепловые испытания, высокотемпературная керамика, математическое моделирование
Основной текст труда

Цель настоящего исследования — повысить точность измерения температуры внутри образцов высокотемпературной керамики за счет обоснования рационального способа установки термопар на основе математического моделирования.

Для научно-технического прогресса в авиастроении и ракетостроении требуются новые материалы, которые будут способны работать при высоких тепловых и силовых нагрузках. Увеличение скорости 5…12 М и маневренности ракет может приводить к нагреву обтекателя до температуры более 2000 K [1]. Стеклопластик, из которого изготавливались обтекатели первых ракет, уже не имеет достаточной огнеупорности. Композиты класса C-SiC, применявшиеся для теплозащиты корпуса орбитального корабля «Буран», имеют рабочую температуру до 1700 K [2]. В настоящее время в обтекателях высокоскоростных ракет используются три вида материалов: ситаллы, высокоглиноземистая и кварцевая керамика. Благодаря высокой термостойкости более широкое распространение получила кварцевая керамика. По сравнению с ситаллами и высокоглиноземистой керамикой ее сопротивление воздействию термоудара и термоциклическим нагрузкам заметно лучше, однако огнеупорность находится на уровне 1500 K.

Большие перспективы имеет бескислородная керамика, которая способна продолжительное время работать в окислительной среде при температурах более 2000 K. Следует отметить, что наиболее важными требованиями для обтекателей высокоскоростных ракет являются радиопрозрачность, способность выдерживать нагрузки при экстремальной температуре, низкие плотность и коэффициент линейного термического расширения. Этим требованиям соответствует высокотемпературная керамика на основе нитрида кремния Si3N4, обладающая уникальным сочетанием радиофизических, прочностных, химических и термических свойств.

Важную роль при создании теплонагруженных конструкций занимают тепловые испытания. Как правило, тепловые испытания образцов материалов и теплозащитных покрытий проводятся на установках радиационного нагрева с вольфрамовыми галогенными лампами. В МГТУ им. Н.Э. Баумана разработан новый стенд радиационного нагрева, который позволяет увеличить рабочую температуру до 2000 K за счет активного охлаждения галогенных ламп потоком сжатого воздуха [3].

При измерении температуры неизбежно возникает методическая погрешность, связанная с искажением температурного поля в месте установки датчика из-за не идеального теплового контакта с образцом, различия теплофизических свойств материалов образца, термопары и термоцемента. Методическая погрешность экспериментальных данных может существенно уменьшить точность определения коэффициента теплопроводности материала на основе решения нестационарной обратной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена [4, 5].

На сегодняшний день хорошо отлажена методика тепловых испытаний кварцевой керамики с рабочей температурой до 1500 K [6]. Методика предусматривает измерение температуры образцов с помощью термопар типа ХА диаметром 0,2 мм, которые имеют стабильные характеристики и невысокую стоимость. Обоснованы и экспериментально подтверждены схемы заделки термопар, обеспечивающие минимальные методические погрешности при нестационарном одностороннем нагреве.

Однако методика заделки термопар внутри образцов высокотемпературной керамики еще недостаточно отработана. Это связано с тем, что материал Si3N4 имеет коэффициент теплопроводности на порядок выше, чем у кварцевой керамики. Кроме того, при измерении температуры до 2000 K необходимы дорогостоящие платинородиевые термопары (для сплавов ПР30 и ПР6 содержание родия 30 и 6 % соответственно). Для снижения стоимости испытаний желательно использовать датчики с диаметром термоэлектродов 0,1 мм.

На данный момент недостаточно информации о методических погрешностях измерения температуры платинородиевыми термопарами, установленными внутри образца из высокотемпературной керамики.

Расчетная модель представляла собой образец высокотемпературной керамики Si3N4, собранный из шести брусков размером 7×7×70 мм. Полагалось, что образец подвергается нестационарному одностороннему нагреву равномерным по фронтальной поверхности потоком теплового излучения плотностью qw(t). На тыльной стороне образца размещается теплоизоляционный материал ТЗМК-10, который контактирует с охлаждаемой до 20 °С медной пластиной. Для увеличения эффективности радиационного нагрева на фронтальную поверхность предварительно наносится поглощающее покрытие оксида хрома с известными оптическими свойствами [7].

Задача решалась с помощью программы Siemens PLM NX. В силу симметрии задачи рассматривались два бруска длиной 35 мм (рис. 1). Термопары помещались в образец на глубине 2,2; 4,4; 6,4 мм. Все контакты считались идеальными.

Рис. 1. 3D-модель образца высокотеплопроводной керамики с термопарами: 1 — Si3N4 (7×7×70 мм); 2 — ТЗМК-10 (3×14×70 мм); 3 — медная пластина постоянной температуры (3×14×70 мм); 4 — термоцемент; 5 — термопара

Поверхность образца нагревалась диффузным радиационным потоком, переменным во времени (таблица). Для расчета был смоделирован нагрев галогенными инфракрасными лампами в течение 200 с.

 Зависимость плотности теплового потока от времени

\tau ,c \tau ,c

q, Вт/см2

0

15

200

30

70

200

100

Для проведения расчетов была построена переменная 3D-гексаэдральная сетка. Размер элементов термопары — 0,027 мм, термоцемента — 0,06 мм, теплоизоляции, образца и медной пластины — по 1,2 мм. Численный эксперимент показал, что более мелкая сетка существенно повысит затраты машинного времени без заметного улучшения точности.

Возможности режущего инструмента позволяют сделать паз шириной не менее 0,2 мм. Поэтому термопара диаметром 0,1 мм в прямоугольном пазу будет либо полностью окружена термоцементом, либо касаться исследуемого образца в одной или двух точках.

При расположении термопары в центре паза максимальная методическая погрешность составляет 1,8 °С. Погрешность имеет небольшой всплеск в первые 30...40 с эксперимента и плавно убывает с течением времени (рис. 2).

Рис. 2. Изменение методической погрешности измерения температуры при размещении термопары в центре прямоугольного паза

Однако при смещении термопары в сторону и касании с образцом максимальная погрешность возрастает до 23,2 °С. В первые 40 с погрешность отрицательная и термопары показывают заниженную на 3…5 °С температуру. По мере прогрева образца погрешность меняет знак и увеличивается до 15…20 °С (рис. 3).

Рис. 3. Изменение методической погрешности измерения температуры при касании термопары и образца в одной точке

Когда термопара касается образца в двух точках и располагается в углу прямоугольного паза, максимальная погрешность уменьшается до 9,3 °С и после 70 с нагрева не превышает 1 °С (рис. 4).

Рис. 4. Изменение методической погрешности измерения температуры при касании термопары и образца в двух точках

Таким образом, заделка термопары в центре прямоугольного паза обеспечивает наименьшие погрешности измерения температуры. Однако техническая реализация такой схемы может представлять определенные трудности из-за малых размеров датчика и паза. Для того чтобы определенно знать положение термопары, в образце появилась идея замены прямоугольного паза на V-образный паз. Контакт термопары с образцом в трех точках и малое количество термоцемента обеспечивают снижение погрешности до 1,75 °С (рис. 5).

Рис. 5. Изменение методической погрешности измерения температуры при размещении термопары в V-образном канале

Увеличение размера V-образного паза до 0,3 мм приведет к незначительному росту погрешности, но повысит надежность крепления датчика к образцу (рис. 6).

Рис. 6. Изменение методической погрешности измерения температуры при размещении термопары в V-образном канале стороной 0,3 мм

Результаты математического моделирования показали, что для повышения точности измерения температуры внутри образца высокотемпературной керамики желательно использовать платинородиевые термопары диаметром 0,1 мм, сваренные встык. Рекомендуется размещать термопары в центре прямоугольного паза или в углу V-образного паза. Методическая погрешность в этом случае не превышает 2 °С.

Литература
  1. Суздальцев Е.И. Керамические радиопрозрачные материалы: вчера, сегодня, завтра // Новые огнеупоры. 2014. № 10. С. 130–133.
  2. Гофин М.Я. Жаростойкие и теплозащитные конструкции многоразовых аэрокосмических аппаратов. М.: Мир, 2003. 671 с.
  3. Михалев А.М., Резник С.В. Метод определения теплофизических свойств ортотропных материалов на основе решения двумерной обратной задачи теплопроводности // Инженерно-физический журнал. 1989. Т. 56. № 3. С. 483–491.
  4. Complex identification of thermophysical properties of anisotropic composite material / O.M. Alifanov, Y. Jarny, P.V. Prosuntsov et al // Proceedings of the 5th International Conference on Inverse Problems in Engineering: Theory and Practice. Cambridge, UK, 11–15th July 2005. URL: https://www.researchgate.net/publication/228427535_Complex_identification_of_thermophysical_properties_of_anisotropic_composite_material (дата обращения 05.06.2021).
  5. Влияние способа заделки поверхностных термопар на погрешность определения температуры при испытаниях керамических материалов на установках радиационного нагрева / С.А. Анучин, А.В. Ланин, П.В. Просунцов и [др.] // Инженерно-физический журнал. 2018. Т. 91. № 3. С. 628–636.
  6. Разработка стендов радиационного нагрева для испытания образцов керамических материалов с уровнем температур до 2000К / Р.С. Балджиев, П.В. Просунцов, С.В. Резник и [др.] // Международная научно-практическая конференция «Ключевые тренды в композитах: наука и технологии». Москва, 05–08 декабря 2018, МГТУ им.Н.Э.Баумана. М.: Общество с ограниченной ответственностью «Диона», 2018. С. 68–73.
  7. Высокоэффективные поглощающие покрытия для теплофизических исследований на установках радиационного нагрева / С.В. Резник, М.О. Забежайлов, С.А. Анучин и [др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. № 3. C. 120–131.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.