Экспериментальные методы исследования процессов теплопереноса и ИК-диагностики

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ  
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
Кафедра физической и вычислительной механики 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ 
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ 
ТЕПЛОПЕРЕНОСА И ИК-ДИАГНОСТИКИ 

 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Томск 
Издательский Дом Томского государственного университета 
2017 

РАССМОТРЕНО И ОДОБРЕНО методической комиссией 
механико-математического факультета 
 
Протокол от 30 июня 2017 г. № 6 
 
Председатель комиссии О.П. Федорова 
 
 
В пособии представлен комплекс методов исследования 
теплофизических характеристик теплопереноса, в том числе и с 
применением методов ИК-диагностики для студентов 3-го курса 
бакалавриата механико-математического факультета ТГУ. 
Цель учебного пособия состоит в освоении практических 
навыков экспериментального определения температуры, тепловых 
потоков, 
коэффициентов 
теплоотдачи 
и 
теплоемкости, 
коэффициентов излучения для наиболее простых, но практически 
важных процессов. 
Учебное пособие разработано для студентов бакалавриата 
механико-математического факультета по направлению 01.03.03 - 
механика и математическое моделирование, а также для студентов 
других специальностей, изучающих основы теплообмена в рамках 
курса механики сплошных сред. Пособие может использоваться 
магистрантами по программе подготовки «Механика жидкости, 
газа и плазмы» (направление 01.04.03 – механика и математическое 
моделирование). 
 
 
СОСТАВИТЕЛЬ: зав. кафедрой физической и вычислительной 
механики, д-р физ.-мат. наук Е.Л. Лобода  
 
 
 
 
 
 
 
© Томский государственный университет, 2017 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Исследование задач теплопереноса связано с измерением 
основных теплофизических параметров, таких как температура, 
плотность 
теплового 
потока, 
удельная 
теплоемкость, 
коэффициенты 
теплообмена 
и 
излучения. 
Существуют 
разнообразные подходы и методы измерения этих величин. В 
данном 
учебном 
пособии 
рассматриваются 
наиболее 
распространенные на практике методы, освоение которых 
необходимо для овладения специальностью и экспериментальными 
методами 
исследования 
студентами 
3-го 
курса 
механико-математического факультета ТГУ. 
В 
учебном 
пособии 
представлены 
как 
контактные 
(термопарный, с помощью термометра), так и бесконтактные 
способы (с помощью оптических пирометров и ИК-камер) 
измерения температуры. Каждый раздел пособия сопровождается 
практическим 
заданием, 
которое 
студенты 
выполняют 
на 
лабораторной базе кафедры физической и вычислительной 
механики механико-математического факультета ТГУ. 
В учебном пособии рассматривается применение тепловизоров 
«научного-исследовательского класса», или по международной 
классификации, ИК-камер исключительно в средневолновом 
ИК-диапазоне, так как именно в диапазоне 2,5–5,0 мкм длин волн 
присутствует 
основное 
ИК-излучение 
высокотемпературных 
объектов, в частности пламени. Тепловизоры «научного класса», 
во-первых, 
позволяют 
применять 
различные 
узкополосные 
фильтры, что дает возможность работать с узким участком спектра 
излучения 
объекта 
исследования, 
благодаря 
чему 
можно 
производить измерения по излучению определенных продуктов 
горения и расширить диапазон измеряемых температур при 
ограниченном динамическом диапазоне матрицы тепловизора, а 
во-вторых, программное обеспечение таких тепловизоров дает 
достаточно широкие возможности по настройке, калибровке 
прибора и обработке полученных термографических изображений. 
В 
результате 
работы 
с 
таким 
тепловизором 
студенты 
приобретают навыки настройки, калибровки и использования 

современной ИК-техники для определения теплофизических 
характеристик разнообразных объектов. 
 
 
1. 
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ 
ТЕМПЕРАТУРЫ. 
ТЕРМОПАРНЫЙ СПОСОБ 
 
В 
процессах 
теплообмена 
важным 
фактором 
является 
распределение температур в пространстве и времени. Измерение 
температур 
исследуемых 
объектов 
является 
неотъемлемой 
составляющей 
исследовательского 
процесса 
и 
зачастую 
представляет самостоятельную непростую задачу. 
В настоящее время существует много способов определения 
температуры. Их можнo разбить на две больших группы – 
контактные и бесконтактные методы. Способы имеют как свои 
достоинства, так и недостатки, и свою область применения [1, 2]. К 
контактным методам относятся различные термометрические 
методы и, в том числе термопарный, к неконтактным, в основном, – 
методы по определению характеристик излучения, например, 
термография. 
Наиболее широкое распространение в науке и технике получил 
именно термопарный способ из-за относительной простоты 
реализации, 
широкой 
области 
измеряемых 
температур 
и 
небольших  размеров датчиков (и вследствие этого мало 
искажающий процессы теплопередачи). 
 
1. Принцип измерения температур 
 
Если в замкнутой  цепи, составленной из разнородных 
(физически и химически) металлических проводников, места 
соединений А и В имеют различную температуру (рис.1.1), то в 
цепи возникает электродвижущая сила (термоЭДС) и появляется 
ток, который зависит от величины этой ЭДС и сопротивления цепи 
[4].