1 МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
1.1 Средства измерений теплового потока и их использование
Когда два тела при различной температуре соприкасаются, происходит энергообмен движения структурных частиц – электронов, атомов и молекул. От этого скорость движения частиц тела, у которого температура меньше увеличивается, а у которого больше уменьшается. Естественно одно тело нагревается, а другое остывает. Такой поток энергии называется тепловым потоком Q. Измеряется в ваттах, Вт.
Из выше написанного следует, что для возникновения теплового потока (теплообмена) между областями пространства, которое заполнено вещественной средой, нужно чтобы в этих областях были разные температуры. При этом ТП действует в сторону меньших температур.
Процесс теплообмена в технике и природе определяется тем, что свойства тел огромным образом зависят от температуры. Она же, определяется условиями теплообмена, а теплообмен устанавливает решающее влияние на изменение агрегатного состояния вещества и течение химических реакций горения, механические, электроизоляционные, магнитные и другие свойства тел. Интенсивность теплообмена растет тогда, когда увеличивается разность температур между телами.
Для того чтобы оценить интенсивность ТП нужно его значение, соотнести к единице площади поверхности, которую он просекает по нормали. Получаемую величину обычно называют и обозначают поверхностной площадью ТП Q. Её измерения расчитываются в ваттах на квадратный метр (Вт/м2). Одни из самых легко воспринимаемых примеров значений плотности ТП, которые дают характеристику теплообмену и его интенсивности между телами, при разных температурных значениях продемонстрированы в таблице 1. [9]
Таблица 1 – Значения плотности ТП
1.2 Принцип действия, устройство и конструкция датчиков
теплового потока
Теплометрия – это вид измерения, определяющий ТП и поверхностную плотность ТП. Главной составляющей теплометрии являются датчики – преобразователи ТП, они трансформируют измеряемую плотность ТП в электро-сигнал.
Действие этих преобразователей-датчиков основывается в формировании сигнала Е, который будет пропорционален разности температур ?Т, создаваемой измеряемым ТП плотностью Q на постоянном термическом сопротивлении, с обычной формой пластины (стенки).
Преобразователи-датчики содержат: чувствительный элемент 1, представляющий собой какой-либо материал толщиной h, теплопроводностью ?, на поверхностях этого материала должны быть размещены температурные датчики 2, чаще всего, спаи дифференциальных термоэлектрических преобразователей (рисунок 1). Контактные пластины 3 они обеспечивают тепловой контакт с поверхностью объекта. Защищают чувствительный элемент 1 от внешних разрушающих воздействий.
1 – чувствительный элемент, 2 – дифференциальный датчик температуры,
3 – контактные пластины
Рисунок 1 – Устройство датчика теплового потока
Основной характеристикой датчиков-преобразователей является коэффициент преобразования К. Коэффициент, устанавливает связь между плотностью Q ТП, проходящего через данный датчик, и его электро-сигналом (термо-э.д.с.) Е:
, Вт/(м2•мВ). (1)
Для такой связи обычно используют соответственно теплометрические установки.
Особенностью датчиков-преобразователей является их чувствительность к ориентации вектора ТП: сигнал достигает максимума при перпендикулярном расположении плоскости датчика к направлению вектора. Такое нахождение позволяет осуществлять не только количественный контроль ТП, но и пространственную локализацию источников.
Из выше перечисленного следует – грамотное повышение точности измерений позволяет достаточно сильно экономить тепло-энергию. За счет соответственного получения точных данных позволяющих найти источники тепловых потерь.
Для того чтоб измерить сигнал датчика используют милливольтметр или специальные измерители. Стационарные измерители могут отображать результат измерений в индивидуальных значениях плотности ТП. К вышеописанным средствам измерений относятся цифровые измерители ТП серии ИТП 20 – ИТП 24. ИТП 20 и ИТП 24 выпускаются институтом теплофизики (ИТТФ г. Киев). Идентичные устройства такие как ИТП – МГ «Поток» производит СКБ «Стройприбор» (г. Челябинск) и другие Российские предприятия.
1.3Разновидности датчиков теплового потока
Технические требования к датчикам-преобразователям ТП приведены в межгосударственном стандарте ГОСТ 30619–98. [2] В этом же стандарте приведена классификация преобразователей теплового потока (ПТП).
По функциональному назначению подразделяются на две группы: [2]
Измерительный преобразователь:
? применяются в комплекте со вторичными измерительными приборами, показывающим значение ПТП;
? также применяются в составе измерительного прибора, измерительной системы, измерительно-информационной системы либо в конструкции измерительных устройств, приборов, установок.
Чувствительные элементы
? применяются в составе систем регулирования и управления техническими процессами, а также в конструкции или составе индикаторов различного назначения.
По типу ПТП делятся в зависимости от входящих в них термоэлементов. Типы преобразователей приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Типы преобразователей плотности теплового потока
Тип ПТП Обозначение типа
константан-медный 11
константан-серебряный 12
константан-железный 13
константан-кадмиевый 14
константан-индиевый 15
константан-сурьмяный 16
константан-золотой 17
константан-никелевый 18
копель-медный 21
копель-серебряный 22
копель-железный 23
копель-кадмиевый 24
копель-индиевый 25
копель-сурьмяный 26
копель-золотой 27
копель-никелевый 28
нихром-никелевый 31
нихром-висмутовый 32
хромель-никелевый 41
хромель-висмутовый 42
алюмель-железный 51
Преобразователи теплового потока каждого типа подразделяются на модели в зависимости от совокупности следующих признаков:
по количеству термоэлектродов:
– одноэлементные;
– батарейные (многоэлементные);
по количеству теплочувствительных зон:
– однозонные;
– двухзонные;
– многозонные;
по характеру вспомогательной стенки и её механическому состоянию:
– монолитные жесткие или гибкие;
– перфорированные жесткие или гибкие;
по форме (рисунок 2):
– пластина плоская прямоугольная (или квадратная);
– диск плоский;
– кольцо плоское;
– оболочка цилиндрическая;
а) б)
Рисунок 2 – Виды датчиков теплового потока: а) по размерам; б) по форме.
по конструктивному исполнению:
– бескорпусные;
– с корпусом;
по наличию охранной зоны:
– с охранной зоной;
– без охранной зоны.
Размеры датчиков бывают различными от 10 до 330 мм и толщиной от 0,5 до 15 мм. Диапазон измеряемых значений плотности теплового потока от 1 до 10000 Вт/ м2 при значениях температуры от минус 200 ?С до 650 ?С.
1.4 Применение датчиков теплового потока
Датчики применяются в теплоэнергетике, строительстве, в авиационной промышленности и ракетно-космической технике и оборудовании, медицине, при создания жаропрочной одежды, например для пожарных или одежды которая должна поддерживать температуру тела например для спортсменов.
Область применения датчиков достаточно обширна. ТП это глобальный параметр всех проходящих тепловых процессов и явлений природы, промышленности, строительства и т.д.
Пример использования датчиков – приборы, измеряющие плотность ТП, проходящего через однослойные и многослойные конструкции зданий, коммерческих или жилых сооружений, через облицовку и теплоизоляцию энергообъектов при эксперименте и соответственно в каких-либо условиях эксплуатации. Такие приборы применяются в большинстве случаев при строительстве.
Прибор ИПП–2 создан для обширного измерения плотности ТП. ГОСТ 25380–2014. (рисунок 3). Диапазон измерения плотности ТП от 10 до 2000 Вт/м2. Погрешность измерения плотности ТП не более 5 %. [5]
Рисунок 3 –Прибор измеритель ТП ИПП-2
Измеритель ТП (ИТП) – прибор для измерения и регистрации плотности ТП, проходящих через однослойные и многослойные ограждающие конструкции зданий и сооружений (рисунок 4). Данный прибор воспроизводит регистрацию и измерения температуры и влажности воздуха снаружи и внутри объекта , позволяет определять сопротивление теплопередачи и термическое сопротивление различных конструкций и изделий. ИТП позволяет производить измерения по 100, 10 и 3 каналам. Диапазон самого измерения ТП от 10 до 999 Вт/м2. Относительная погрешность (ОП), измерения плотности ТП не более 6 %.
Теплограф измеряет не только температуру, но и плотность ТП а так же и сопротивление теплопередачи, и термическое сопротивление (рисунок 5). Позволяет производить мониторинг объектов при натурных и лабораторных испытаниях. Диапазон измерения плотности тепловых потоков от 10 до 1000 Вт/м2. Погрешность измерения составляет 6 %.
а) б)
в)
Рисунок 4 – Измерители тепловых потоков: а) 100-канальный;
б) 10-ти канальный; в) 3-х канальный
Рисунок 5 – Измеритель плотности потоков серии «Теплограф»
Анализируя выпускаемые средства измерений ТП в стране можно сказать, что отсутствуют теплометрические приборы и системы, обеспечивающие измерения плотности ТП в диапазоне от 5 до 10 кВт/м2. В таких диапазонах необходимость измерений ТП присутствует на предприятиях теплоэнергетики, химической технологии, атомной промышленности, аэрокосмическом комплексе, при проведении исследований в сфере высоких температур.
?
2 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЕДИНИЦЫ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
2.1 Методы поверки (калибровки) датчика теплового потока
2.1.1 Конвективный метод
Передача размера единицы q от эталонных рабочим ДТП осуществляется в соответствии с МИ 1855–88 кондуктивными [10], конвективным [11] или радиационными компараторами.
Конвективный метод основывается на законе Ньютона для теплообмена поверхности твердого тела (датчика) со средой газообразной или жидкой:
(2)
где ? – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2•К);
Т1 – температура поверхности тела, ?С (К);
Т2 – температура среды, ?С (К).
В измерительной теплометрической установке реализован именно такой метод, принцип действия которой поясняет рисунок 6.
Адиабатический экран 3, окружает плоский нагреватель 2, температура экрана поддерживается равной температуре поверхности нагревателя. Специальными датчиками определяется равенство температуры теплового потока, выполняют функцию высокочувствительных дифференциальных датчиков разности температуры. Поверяемый датчик размещается на открытой поверхности нагревателя теплового потока 1. Все устройство помещается в теплоизолированный кожух 4.
Изготовлена данная установка в СНИИМ и используется для метрологиче-ских исследований крупногабаритных датчиков с характерным размером 250 мм для плотности потока более 10 Вт/м2. Для меньших размеров необходимо учитывать ТП с открытой поверхности нагревателя. При малой плотности ТП, оказывает также влияние нестабильность температуры, окружающей датчик. Недостаток: невозможность поверки рассмотренной установки с помощью малогабаритных эталонных датчиков, метрологические характеристики которых определяются первичным эталоном.
1 – поверяемый датчик; 2 – нагреватель; 3 – адиабатический экран;
4 – теплоизоляция
Рисунок 6 – Схема конвективной теплометрической установки
2.1.2 Кондуктивный метод
ТП формируется результатом разности температуры нагревателя и охлодителя (холодильника), между которыми находятся датчики [10].
Формирование поверхностной плотности ТП q в кондуктивном методе передачи единицы этой физической величины основано на законе Фурье:
(3)
где ?– теплопроводность среды, Вт/(м•К);
d – расстояние между двумя изотермами среды или тела с температурами T1 и T2 , ?С (К).
Схема компаратора с низким температурным режимом показана на 7 рисунке. Между двумя идентичными Пельтье-термобатареями 6 помещены поверяемый 4 и эталонный 5 датчики. Такое устройство размещается в термостатированном корпусе. Расположение должно быть таким образом, что горячая сторона одной и холодная другой были друг к другу. Питание термобатарей оборудовано с помощью стабилизированного источника постоянного тока. Милливольтметром производят сравнивание сигнала данных датчиков.
Такая установка является компаратором. Погрешность определяется различием значений ТП, проходящего через поверяемый и эталонный датчики. Такое различие зависит от тепловых утечек на поверхностях находящихся сбоку датчиков. Если выявляется совпадение верхней и нижней половины теплового блока (термобатарей и датчиков) через сравниваемые датчики пойдет одинаковый ТП, несмотря на боковой теплообмен с термостатированным корпусом, так как теплоприток к боковой поверхности одного датчика компенсируется таким же теплооттоком от боковой поверхности другого.
Погрешность компарирования на установке не превышает 2 % при значениях плотности теплового потока от 50 до 2000 Вт/м2 в диапазоне температур от минус 120 °С до 100 °С.
Достоинством кондуктивных компораторов: лёгкость системы термического блока. Элементами таких датчиков являются нагреватель и холодильник. Недостаток кондуктивных компараторов: погрешность, появляющаяся при поверке или калибровке. Для оценки погрешности при выполнении работы проводили исследования трёх разных вариантов кондуктивного метода для датчиков, обладающими различными диаметрами.
1 – блок нагревателя, 2 – блок холодильника, 3 ? термостатированная камера,
4 – поверяемый ДТП, 5 – эталонный ДТП, 6 – Пельтье-батареи,
7 – термостатирующая жидкость
Рисунок 7 – Кондуктивный компаратор для сличения датчиков
2.1.3 Радиационный метод
Используют для высоких значениях плотности (до 100 кВт/м2) и выше. Со-здаются такие установки в Национальном институте стандартов и технологий (США). Метод установок основывается на интегральном законе теплового излучения Стефана-Больцмана.
Пример: Установка для радиационной градуировки преобразователей теплового потока [19]. Эта установка создана в Институте технической теплофизики НАН Украины. Применяется при градуировки и поверки датчиков различных форм (диск, прямоугольник) и размеров (поперечный размер от 10 до 200 мм, толщина от 1 до 10 мм) в диапазоне от 10 до 15000 Вт/м2, выпускаемых отдельными экземплярами или партиями.
Тепловой блок установки, схема которого приведена на рисунке 8, содержит источник теплового излучения (далее – ИТИ), теплосток 4 и систему термостатирования. ИТИ состоит из излучателя 1, смонтированного в корпусе с термостатируемой блендой 3.
1 – излучатель; 2 – бленда; 3 – датчики теплового потока; 4 – теплосток
Рисунок 8 – схема теплового блока радиационной установки
2.2 Установки по поверке (калибровке) датчиков теплового
потока
2.2.1 Эталон ГЭТ 172–2016
В федеральном государственном унитарном предприятии «Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт метрологии» (ФГУП «СНИИМ») хранится Государственный первичный эталон ГЭТ 172–2008 (рисунок 9).
Первоначальный образец единицы поверхностной плотности теплового потока – считается промышленной базой предоставления целостности плотности теплового потока также специализирован с целью воссоздания, хранения и передачи размера единицы этой физической величины – ватта на метр квадратный (Вт/м2) эталонным и рабочим средствам измерений в диапазоне от 10 до 5000 Вт/м2 при значениях температуры от 200 °С до 420 °С.
Рисунок 9 – ГЭТ 172–2008. Внешний вид эталонной калориметрической
установки и эталонных датчиков теплового потока
Образец представляет собой совокупность замеров, в структуру которого входит:
– калориметрическая установка, состоящая из криостата с тепловым измерительным блоком, содержащим адиабатический источник теплового потока; вакуумной системы и системы охлаждения; информационно-измерительной системы «АКСАМИТ-6»; персонального компьютера;
– комплект откалиброванных измерителей теплового потока состоящих из терморезисторных (ДТПМ-1, ДТПМ-2) и термоэлектрических датчиков теплового потока ДТПЭ-3 , ДТПЭ-4 , ДТПЭ-5.
Установка калориметрическая реализует метод адиабатический формирования ТП. Содержит криостат с тепловым блоком измерения. Элементом блока является термостатированный адиабатический источник ТП, с системами вакуума и глубокого охлаждения. Процесс обработки информации, управления и измерительный осуществляется информационно-измерительной системой с эталонной мерой электросопротивления и персональным компьютером.
2.2.2 Установка для радиационной градуировки преобразователей теплового потока
В наше время достаточно широкое распространение получило прямое измерение ТП или его поверхностной плотности. С каждым годом только растет количество новых фирм и организаций строительного, энергетического и научно-производственного профиля применяют первичные термоэлектрические датчики теплового потока (ДТП). Возникла необходимость в создании градуировочной установки в качестве исходного образцового средства измерения ТП и его плотности. Основные требования, которым должна удовлетворять такая установка, следующие:
– воспроизведение единицы поверхностной плотности ТП и передачи ее размера рабочим ДТП с наибольшей точностью;
– простота в использовании и надежность;
– экономичность в потреблении электроэнергии и компактность.
В теплометрическом отделе создана установка РГУ-2 в качестве установки нового поколения. Её применяют для поверок датчиков ТП разных форм, например дисковидных и прямоугольных, и размеров: поперечный размер от 10 до 200 мм, толщина от 1 до 10 мм, в диапазоне от 10 до 15000 Вт/м2, выпускаемых отдельными экземплярами или партиями, а также для градуировки.
В РГУ-2 обусловлен сравнительный метод определения коэффициента пре-образования датчиков ТП, при радиационном способе задания нормированного теплового потока, состоящий в том, что тепловое излучение фиксированной плотности теплового потока от источника теплового излучения одновременно подводится к градуируемому и эталонному преобразователям, расположенным на термостатированном теплостоке. Исходя из вышеперечисленного должна быть- равноудаленность тепловоспринимающих поверхностей, обоих ДТП от источника теплового излучения и одинаковые значения степеней черноты их поверхностей (?ДТП=?0).
В виду равенства плотностей потоков теплового излучения, воспринятых поверхностями градуируемого и эталонного ДТП, расчетной формулой для определения градуировочного коэффициента kДТП является соотношение:
, (4)
где k0 – градуировочный коэффициент эталонного ДТП;
Е 0 и ЕДТП – сигналы, соответственно, эталонного и рабочего ДТП.
За значение градуировочного коэффициента ДТП принимается среднее арифметическое результатов, полученных в крайних и средней точках рабочего диапазона измерений:
(5)
где ki – значения градуировочного коэффициента, полученные в n точках диапазона измерений, (i = 1, 2, …n) причем i ? 3.
В состав установки входят две стойки: первая – с тепловым блоком и жид-костным термостатом, и вторая – с сервисными приборами.
На рисунке 10 приведена схема теплового блока, содержащего источник теплового излучения (ИТИ), теплосток и основу термостатирования. ИТИ состоит из излучателя 1, корпуса 2, кожуха 3, и термостатируемой бленды 4.
1 – излучатель; 2 – корпус; 3 – кожух, 4 – бленда; 5 – спаи ТХА; 6 – теплосток; 7 – кольцо;
8 – уплотнительный элемент; 9 – кронштейн; 10 – рукоятка; 11 – осевой винт; 12 – направляющая;
13 – столешница; стойки теплового блока; 14 – клеммная колодка
Рисунок 10 – Тепловой блок
Излучатель 1 это плоская модель абсолютно черного тела, выполнен из нержавеющей стали в виде диска с верхним продольным и нижним радиальным оребрениями, термо-оксидированными в печи при Т = 1000 °С. Нижняя часть корпуса 2 соединена с термостатируемой блендой 4, которая служит для исключения влияния окружающей среды на поле теплового излучения. Внутренняя поверхность бленды полирована, что обеспечивает условия максималь¬ного отражения теплового излучения ИТИ с целью создания однородного теплового поля на тепловоспринимающей поверхности теплостока.
