CC BY
80
УДК 006.915
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОВЕРКИ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКАРАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНЫМ МЕТОДОМ
Надежда Анатольевна Курбатова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры «Метрология, стандартизация и сертификация», тел. (383)361-07-45, е-mail: milana-maria@mail.ru
Виктор Яковлевич Черепанов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры «Метрология, стандартизация и сертификация», тел. (383)361-07-45, е-mail: cherepanov73@mail.ru
В статье рассмотрены результаты экспериментальных исследований основных метрологических характеристик теплометрической установки для поверки датчиков теплового потока.
Ключевые слова: излучатель, тепловой поток, радиационно-конвективный метод, датчик теплового потока, поверка.
RESEARCH EXPERIMENTAL EQUIMENT FOR VERIFICATION HEAT FLUX SENSORS BY A RADIATION-CONVECTIVE METHOD
Nadegda A. Kurbatova
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, senior teacher, department «Metrology, standardization and certification», tel. (383)361-07-45, е-mail: milana-maria@mail.ru
Victor Ya. Œerepanov
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, doctor of engineering science, professor of chair «Metrology, standardization and certification», tel. (383)361-07-45, е-mail: cherepanov73@mail.ru
The article describes results of experimental researches of the basic metrological characteristics of heat measuring installation for verification heat flux sensors.
Key words: a radiator, a heat flux, a radiation-convection method, heat flux sensors, verification.
Технической основой метрологического обеспечения средств теплометрии в настоящее время является Государственный первичный эталон единицы поверхностной плотности теплового потока ГЭТ 172-2008, обеспечивающий ее
л
воспроизведение и передачу в диапазоне от 10 до 5000 Вт/м при значениях температуры от 200 до 420 К [1]. Этот эталон заменил действующую с 1988 г. установку высшей точности УВТ 53-А-88 и соответствующую государственную поверочную схему МИ 1855-88, которые обеспечивали единство измерений
'у
в диапазоне от 10 до 2000 Вт/м при температуре от 200 до 400 К [2].
Находящаяся на утверждении новая поверочная схема для средств измерений плотности теплового потока предусматривает расширенный по сравнению с первичным эталоном ГЭТ 172-2008 диапазон воспроизводимых и
Л
передаваемых значений плотности теплового потока (от 1 до 10 000 Вт/м ).
Такое расширение в область малых значений вызвано потребностью определения качества современных теплозащитных конструкций зданий и сооружений. Измерения высоких значений плотности теплового потока востребованы на предприятиях атомной энергетики, химической технологии, в ракетостроении и в других сферах, использующих высокоэнергетические объекты и установки. Кроме того, это позволит проводить сличения эталона ГЭТ 172-2008 с эталонами других стран, в частности, с эталоном NIST, у
Л
которого нижний предел воспроизводимых значений составляет 10 кВт/м .
Для «привязки» передаваемых первичным эталоном значений плотности теплового потока в расширенный диапазон необходимо решить задачи по разработке и исследованию новых методов воспроизведения и передачи ее единицы, а также по созданию соответствующих эталонных теплометрических установок. В данной статье приведены результаты исследований теплометрической установки, основанной на радиационно-конвективном методе поверки датчиков теплового потока [3].
Принцип действия установки основан на использовании метода открытой адиабатической оболочки, ранее применённого в первичном эталоне ГЭТ 172-2008 [4].
При исследованиях установки использовались специально разработанные и изготовленные два тепловых блока, отличающихся диапазоном воспроизводимых значений плотности теплового потока. При этом применялись датчики теплового потока, коэффициент преобразования которых был ранее определен на государственном первичном эталоне. Для значений плотности
Л
теплового потока от 200 до 2500 Вт/м использовался тепловой блок, предназначенный для работы при температуре до 150 °С. Полученные при разной плотности теплового потока значения коэффициента преобразования эталонных датчиков сравнивались с его значением, полученным на первичном эталоне. Приведенная на рис. 1 зависимость показывает, что при значениях
Л
выше 700 Вт/м относительная погрешность 8 определения коэффициента преобразования не превышает 3 %. Это соответствует требованию новой поверочной схемы для средств измерений поверхностной плотности теплового
Л
потока в диапазоне от 1 до 10 000 Вт/м .
Для исследований температурной зависимости коэффициента преобразования датчиков использовалась термобатарея Пельтье, которая размещалась между датчиком и сосудом с тающим льдом.
Наличие тающего льда позволяет стабилизировать отвод тепла от термобатареи, что способствует установлению стационарного теплового потока. Температура поверяемых датчиков регулируется изменением тока в термобатарее.
Рис. 1. Зависимость погрешности определения коэффициента преобразования
от плотности теплового потока
Установлено (рис. 2), что в наиболее используемом на практике диапазоне температуры от 0 до 40 °С коэффициент преобразования изменяется не более 1,5 % при изменении температуры на каждые 10 °С.
Эти результаты стали экспериментальным подтверждением работоспособности радиационно-конвективного метода и основанием для создания установки эталонного назначения, предназначенной для более высоких значений плотности теплового потока (до 10 кВт/м ). В связи с этим был разработан и изготовлен новый тепловой блок, предназначенный для работы при значениях температуры до 450 °С (рис. 3).
Для исследований этого теплового блока были изготовлены два специальных датчика, коэффициенты преобразования которых были определены на кондуктивном компараторе КТМ-01 [4]. Датчик № 1 состоит из двух фольгированных стеклотекстолитовых дисков диаметром 27 мм общей толщиной 0,25 мм. Датчик № 2 состоит из двух медных дисков диаметром 27 мм и толщиной 0,5 мм, разделённых слоем силиконового герметика. Для измерений перепада температуры датчик № 1 снабжен тремя парами, а датчик
№ 2 - одной парой соединенных последовательно дифференциальных медь-константановых термопар.
1 - тепловой излучатель; 2 - нагреватель излучателя; 3 - адиабатический экран; 4 - нагреватель экрана; 5 - теплоизолирующий кожух; 6 - клеммная колодка
Рис. 3. Тепловой блок
Зависимость, приведенная на рис. 4, показывает, что при исследованиях
этих датчиков на радиационно-конвективной установке (плотность теплового
2 2
потока от 3500 Вт/м до 10 кВт/м ) относительная погрешность определения коэффициента преобразования составляет не более 3 %, что соответствует требованиям новой поверочной схемы.
Рис. 4. Погрешность определения коэффициента преобразования специальных
датчиков
При помощи этих датчиков был опробован новый вариант радиационноконвективного метода, основанный на их непосредственном сличении. При этом датчики располагаются последовательно по отношению к тепловому потоку вблизи выходного отверстия излучателя в виде «сэндвича». Один из датчиков выполняет функцию эталонного, а другой - поверяемого. Исследования показали, что относительная погрешность определения коэффициента преобразования при этом не превышает 1,5 %.
В табл. 1 приведены результаты исследований метрологических характеристик радиационно-конвективной установки.
Таблица 1. Метрологические характеристики установки
Характеристики Значение
Плотность теплового потока от 3500 до 10000 Вт/м2
Относительная погрешность определения коэффициента преобразования не более 2,5 %
Температура излучателя от 250 до 450 °С
Время выхода излучателя на стационарный режим 150 мин
Время выхода излучателя на стационарный режим после перемонтажа датчика 20 мин
Скорость изменения температуры излучателя в стационарном режиме не более 0,005 °С/мин
Разность температур между излучателем и экраном не более 0,04 °С
В целом полученные результаты соответствуют требованиям новой государственной поверочной схемы для средств измерений поверхностной плотности теплового потока, предъявляемым к эталонным теплометрическим установкам, для которых значения погрешности должно составлять от 1,5 до 3,0 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Государственный первичный эталон единицы поверхностной плотности теплового потока / О.М. Лозинская, Н.И. Рыбак, В.Я. Черепанов, Э.М. Шейнин, В.А. Ямшанов // Измерительная техника. - 2009. - № 10. - С. 52-55.
2. МИ 1855-88 Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне от 10 до 2 000 Вт/м2. Методические указания.
3. Курбатова, Н.А. Радиационно-конвективный метод и установка для поверки датчиков теплового потока на основе адиабатического излучателя / Н.А. Курбатова, В.Я. Черепанов // Измерительная техника. - 2011. - № 6. - С. 48-50.
4. Курбатова, Н.А. Теплометрическая установка эталонного назначения для поверки датчиков теплового потока / Н.А. Курбатова, В.Я. Черепанов // Вестник СГГА. -Новосибирск. - 2011. - № 1 (14). - С. 87-96.
© Н.А. Курбатова, В.Я. Черепанов, 2012
