CC BY
12where |r, ct and CTm - actual values of the relative magnetic permeability, specific electrical conductivity of the material at CTm 4 0; |r0, cto and CTmo - these parameters values at CTm = 0 (F =0); |rmax, CTmax and CTm max - maximum values of these parameters.
Using data from tables 3 and 4, and also formulas (9)-(12), we find out, that SM «10.8 % and SCT « 18 %. The latter shows that the magnetoelastic sensitivity of the sample material is higher than the tensoresistive sensitivity.
The absolute (by amplitude and phase of SPET) and compensatory (by frequency and current) methods considered in the work were used for contactless estimation of the ferromagnetic samples mechanical parameters. These methods can be used to predict the limiting mechanical values (strength limit, plasticity limit, etc.).
The developed methods and SPET one can use as the basis for developing measuring instruments for load, forces, torsional shaft torque and other mechanical quantities.
These methods and a parametric transducer can also be used for contactless monitoring of mechanical stresses in products made of the weak magnetic and non-magnetic materials, which have a more pronounced tensoresistive effect (for example, stainless steels, titanium alloys, alloys of the manganin type, constantan, etc.)
References
1. Non-destructive testing: Reference book: In 7 vol. Ed. V.V. Klyuyev. Vol. 2: In 2 books. - Moscow: Mashinostroenie, 2003. - 688p.
2. Non-destructive testing. In 5 books. Book 3. Electromagnetic Testing / Ed. V.V. Sukhorukov. -Moscow: Vyshaya shkola, 1992. - 312p.
3. Measurement, monitoring, testing and diagnosis. V.III/V.V. Kluev, F.R. Sosnin, V.N. Filinov, etc.; Ed. V.V. Klyuyev. - Moscow: Mashinostroenie, -1996. - 464p.
4. Bida G. V. Non-destructive testing of mechanical properties of rolled steel (a review). Strength and plastic properties testing / G. V. Bida // Defektos-kopiya. -2005. -№5. -PP.39-53.
5. Vonsovskij S. V.Magnetism. Magnetic properties of dia-, para-, fer-ro-, antiferro- and ferrimagnets. -Moscow, 1971. - 1032 p.
6. Belov K. P. Magnetostrictive phenomena and
its technical applications. Moscow: Nauka, 1987. - 158 p
7. Landau L.D., Lifshitz E.M. Electrodynamics of continuous media. - Moscow: Publishers physical and mathematical literature, 1959. - 532 p.
8. Gorkunov B.M., Tyupa I.V. Eddy current two-parameter control of ferromagnetic cylindrical products // Vesnik NTU "HPI", Kharkov. - № 5. - 2004. - PP. 9399.
9. Reference book of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables / Ed. M. Abrmovitsa and M. Stigan. - Moscow: Nauka, 1979.
10. V.I. Bondarenko, B.M. Gorkunov, V.P. Sebko, V.I. Tyupa. Non-contact measurement of electromagnetic characteristics of cylindrical products // Iz-meritel'naya tekhnika. - 1984. -№6. -PP. 57-58.
1НФОРМАЦ1ЙНО - ВИМ1РЮВАЛЬНА СИСТЕМА ДЛЯ ПРЕЦИЗ1ЙНОГО ВИМ1РЮВАННЯ
КОЕФЩ1СНТУ ТЕПЛОПРОВ1ДНОСТ1
Воробйов Л.Й.
1нститут техн1чно'1 теплофизики НАН Украши, провгдний науковий ствробтник, с.н.с., доктор технгчних наук
Декуша Л.В.
1нститут техн1чно '1 теплофгзики НАН Украши, провгдний науковий ствробтник, с.н.с., доктор технгчних наук
Декуша О.Л.
1нститут техн1чно'1 теплофизики НАН Украши, старший науковий ствробтник, кандидат технгчних наук
INFORMATION - MEASURING SYSTEM FOR PRECISIONAL THERMAL CONDUCTIVITY
MEASUREMENT
Vorobiov L.,
Institute of Engineering Thermophysics NAS of Ukraine, Leading Researcher, S.R., D.Sc.
Dekusha L.,
Institute of Engineering Thermophysics NAS of Ukraine, Leading Researcher, S.R., D.Sc.
Dekusha O.
Institute of Engineering Thermophysics NAS of Ukraine,
Senior Researcher, Ph.D.
Анотащя
В робот розглянуто розроблення ново! iнформацiйно-вимiрювальноi системи PTMS для прецизшного вимiрювання коефiцieнту теплопроввдносл та теплового опору. Наведенi основш вiдомостi про стацюна-рнi методи вимiрювання коефiцieнту теплопровiдностi та теплового опору пласких зразкiв - методу захи-щено! гарячо! плити та теплометричному методу. Проведенi дослвдження тривалосп процесу отримання значения вимiряного коефщенту теплопровiдностi i показано, що найбвдьш експресним е прилад, що пра-цюе за теплометричним методом при симетричнш схемi з двома тепломiрами (перетворювачами теплового потоку). На шдстаы математичного моделювання визначенi спiввiдношення параметрiв чутливо! i охорон-но! зони тепломiрiв, як1 забезпечують мiнiмiзацiю похибки вимiрювання коефiцiенту теплопровiдностi. Наведено опис структури, конструкцп та функцюнально! схеми iнформацiйно-вимiрювальноi системи PTMS та запропонована непряма методика Г! калiбрування. Зазначено, що з використанням системи PTMS при застосуваннi спецiальних методик, можливе визначення теплоти гiдратацii бетонiв, коефщенту емки поверхнi скла, теплоемностi зразшв.
Abstract
In the paper described the development of a new information-measurement system PTMS for precise measurement of thermal conductivity and thermal resistance
It is provided information about stationary methods for measuring thermal conductivity and thermal resistance of flat samples (the method of protected hot plate and heat flow meter method). Analyzed thermal conductivity experiments duration and showed that the most express is a device that works by the heat flow meter method in a symmetrical scheme with two flux sensors. The mathematical modeling made for determine parameters of the sensitive and protective zone of heat flux sensors that minimize the measurement error of the thermal conductivity. The description of the structure, construction and functional scheme of the PTMS information-measuring system is given and the indirect method of its calibration is offered. It is noted that using the PTMS and special techniques provide possibility to determine the heat of hydration of concrete, the emissivity of the glass surface, the heat capacity of the samples.
Ключовi слова: теплопроввдтсть, тепловий отр, iнформацiйно-вимiрювальна система, метод захи-щено! гарячо! плити, теплометричний метод.
Keywords: thermal conductivity, thermal resistance, information-measuring system, protected hot plate method, heat flow meter method.
Вступ. Будiвельна галузь i житлово-комуналь-ний сектор Украши мають величезний потенщал енерго- i ресурсозбереження за умови застосування в будiвництвi сучасних енергозбер^аючих техно-логш та матерiалiв, а також проведения термомоде-ршзацд старого житлового фонду. Основною теп-лофiзичною характеристикою (далi - ТФХ) теплоь золяцшних матерiалiв, як використовують в будiвництвi, промисловосл та енергетищ, е теплопроввдтсть - головний показник якостi матерiалiв або виробiв, основним призначенням яких е змен-шення тепловтрат i пiдвищення енергоефективно-стi. Новi теплоiзоляцiйнi матерiали, а також матерь али, якi виробляють серiйно в Укра!ш або ввозять в нашу крашу, необхвдно, вiдповiдно до [1], сертифь кувати по реальних значень коефщента теплопро-вiдностi, для чого вкрай актуальним е наявнiсть за-собiв вимiрювания ТФХ будiвельних i теплоiзоля-цiйних матерiалiв.
Вимiрювания теплопровiдностi теплоiзоляцiй-них матерiалiв в Украiнi регламентовано низкою державних i мiжиародних стандарпв [2...8]. Осш-льки бiльшiсть теплоiзоляцiйних матерiалiв него-могеннi (включають волокна, порожнини тощо), вiдповiдно до дшчих стаидартiв розмiри дослвджу-ваних зразшв таких матерiалiв повиннi бути не менше 250 х 250 мм, при цьому похибка вимiрю-вания не повинна перевищувати ± 3%. Прилади для проведения таких вимiрюваиь, якi створювалися раиiше в ХХ столгтп, не розраховаиi на подiбнi га-барити зразкiв, а iх похибка перевищуе ± 5%.
При виборi методу вимiрюваиия та принципо-воi схеми виконания засобiв вимiрювальноi технiки
для визначения коефiцiента ефективно1' теплопро-вiдностi Хеф твердих теплоiзоляцiйних будiвельних матерiалiв слiд враховувати, що бвдьшють з них не е однорвдними гомогенними тiлами. Закон Фур'е, що описуе процес теплопередачi в однорвдних iзот-ропних тiлах, не враховуе ютотного впливу на теп-лопровiднiсть теплового випромiнювания i конвек-цii в порах гетерогенних тел.
Метролопчне забезпечения вимiрювань коефi-щента теплопровiдностi в свiтовiй практицi базу-еться на еталонних установках i робочих еталонах (стаидартних зразках), атестованих з похибкою ± 1 ... 2%. В Укрш'ш вiдсутнiй державний еталон тепло-провiдностi, на якому можиа калiбрувати зразки -робочi еталони необхiдних розмiрiв та вказано1' то-чностi [9]. Тому зразки - робочi еталони необхвдно закупати та перiодично калiбрувати в закордонних метрологiчних органiзацiях, що не завжди доцiльно з економiчних мiркувань.
Мета цiеi роботи - створения наукових основ проектувания прецизiйних засобiв вимiрюваиия ко-ефiцiента ефективно1' теплопроввдносп i теплового опору твердих низькотеплопроввдних матерiалiв з точнiстю, регламентованою мiжиародними норма-тивними документами, розробления шформацшно-вимiрювальноi системи для дослiджения ТФХ будь вельних i теплоiзоляцiйних виробiв i матерiалiв, яка вiдповiдае вимогам сучасних стандартiв.
Основний текст. Розроблено багато рiзних методiв i конструкцш приладiв для дослiджения те-плопроввдносп утеплювачiв. Однак, завдяки потен-цшним можливостям стацiонарного методу плос-
кого шару, для тдвищення точносп визначення ко-ефщента ефективно1' теплопровщносп Хеф саме вiн регламентований мiжнародними, мiждержавними i нацiональними стандартами Украши [2...5, 8] для дослвдження теплопроввдносп теплоiзоляцiйних будiвельних матерiалiв. Згiдно з цими стандартами, шукану характеристику (Хеф або тепловий опiр R) визначають в сталому тепловому режимi на плоскому зразку в формi паралелетпеда або диска з вь дносно великими розмiрами пiдстави.
Найб№шого поширення в вимiрювальноi практицi отримали стацiонарнi прилади плоского типу [2...5, 8, 10...17]. Зразок може iмiтувати нескш-ченну пластину або бути кшцевих розмiрiв, як1 по-винш задовольняти умовi к / Б « 0,1 , де Б - по-перечний розмiр зразка; к - його товщина. Завдяки так1й умовi плоский прилад можна виготовити щд великогабаритнi зразки, у виглядi яких, як правило, випробовують неоднорiднi матерiали, до яких взноситься бiльшiсть теплоiзоляцiйних будiвельних матерiалiв.
Для лабораторних випробуваиь отримали широкий розвиток два стацюнарних методи, рiзних за способом визначення теплового потоку через дос-лiджуваний зразок: метод захищено1' гарячо1' плити [3, 5] i теплометричний метод [2, 4]. Саме на цих методах засноваио б№шють приладiв, вживаиих в даиий час для дослвдження теплопровiдностi i теплового опору теплоiзоляцiйних будiвельних матерь алiв. Вони дозволяють дослщжувати теплопровщ-нiсть в широкому дiапазонi температур.
Метод захищено!' гарячо!' плити [3, 5, 10] поля-гае в створенш стацiонарного теплового потоку, що проходить через плоский зразок певно1' товщини в напрямку, перпендикулярному лицьовим (найбшь-шим) граням зразка, визначенш густини цього теплового потоку, рiзницi температури протилежних лицьових граней i товщини зразка. За результатами вимiрювань товщини зразка, густини теплового потоку i рiзницi температури в усталеному режимi ро-зраховують тепловий опiр зразка та його коефщент теплопровiдностi.
Конфiгурацiя вимiрювальноi системи може бути реалiзована за симетричною схемою, що включае теплоiзоляцiйну оболонку з системою з де-к1лькох нагрiвачiв, розташованих мiж двома зраз-ками. При застосуваннi асиметрично1' схеми з одним зразком, тепловий потж проходить крiзь зразок, а тильна сторона нагрiвачiв працюе як захисна iзоляцiя, що забезпечуе адiабатичнi умови випробу-вання.
Одномiрнiсть температурного поля в пластинi i компенсацш теплових втрат джерела теплоти за-безпечують охоронними нагрiвачами, бiчним i (або) торцевим, помiщаючи при цьому весь прилад в теплоiзоляцiйний кожух. При точному регулю-ванш потужиостi живления охоронних нагрiвникiв вдаеться весь тепловий потж ввд робочого електро-нагрiвника направити через дослвджуваний зразок. Важливим моментом е попередження утворення повiтряних зазорiв м1ж уама поверхиями, що кон-тактують, з метою зменшення контактного теплового опору. Похибки через контактний тепловий
опiр можуть досягати (15...30)% при товщинi зразка (0,3...1,5) мм i (10...20)% при товщинi (1,5...3,0) мм.
При теплометричному методi для вимiрю-ваиия поверхнево1' густини теплового потоку крiзь випробуваний зразок застосовують перетворювачi теплового потоку (ПТП) [2, 4, 17.. .19]. При цьому, зразок (або зразки) i ПТП розташовуеться мiж на-^вником та холодильником, причому ПТП може бути встановлений з одше1' або двох сторш зразка.
Нормативними документами [2, 4] рекомендовано використовувати один з рiзновидiв вимiрюва-льних схем: асиметричш схеми з одним зразком; симетрична схема з одним зразком; симетрична з двома зразками; подвшш прилади.
У приладах, оснащених ПТП, тепловий потж, що проходить крiзь дослщжуваний зразок е однос-прямованим з рiвномiрною поверхневою густиною. При цьому потж, створюваний за допомогою надвита i холодильника, пронизуе одночасно центра-льну зону зразка i зону чутливого елемента одного або двох вдентичних ПТП. У приладах, виконаних з одним ПТП, встановленим або м1ж нагрiвачем i зразком, або м1ж зразком i холодильником, вишрю-еться густина теплового потоку або на вход^ або на виходi з зразка вщповвдно, а в симетричному при-ладi - одночасно i на вход^ i на виходi зразка . Ви-мiрювання в приладах з ПТП проводять при постiй-нш середнiй температурi зразка i постшно1' рiзницi значень температури нагрiвника i холодильника. Значення теплового опору зразка Я Т та його ефе-
ктивного коефщенту теплопровiдностi роз-
раховують за вимiряними параметрами згiдно формул:
о = 2(Г,-г2) р . 2 =кзр
„ , „ ^дод ' Леф
Яг+ q2
Rt
де Т1 i Т2 - температури протилежиих повер-хонь зразка;
q1 1 q2 - густина теплового потоку на входi та виходi зразка;
Кдод - додатковий тепловий отр, який визнача-еться при градуюваннi приладу; hзp - товщина зразка.
Як регламентоваио в нормативних документах, прилади, оснащеш ПТП, тдлягають обов'язко-вому калiбруванню iз застосуванням робочих ета-лонiв (мiр) теплопровiдностi, атестованих на ета-лоннiй устаиовцi абсолютного типу, наприклад, виконанiй за методом захищено1' гарячо1' плити. При калiбруваннi доцшьно застосовувати еталоннi мiри з таких матерiалiв, теплопровiднiсть яких по-дiбна теплопровiдностi дослiджуваних на приладi матерiалiв.
У стандартах [2, 4] встановлеш обмеження на габарити зразка: дiаметр або сторона квадрата по-винш бути 0,3 м або 0,5 м. При дослщженш тепло-проввдносп гомогенних матерiалiв зазначений роз-мiр може складати 0,2 м, а в разi випробуваиь мате-рiалу велико!' товщини - 1 м. Межа передбачувано1' в1дносно1' похибки вимiрювання при кiмнатнiй тем-пературi на приладах з захищеного гарячою плитою
повинен бути 2%, а в усьому температурному дiа-пазош - 5%.
1ншою важливою рисою приладiв, оснащених ПТП i застосовуваних для вимiрювань коефiцieнта теплопровiдностi на великогабаритних зразках теп-лоiзоляцiйних будiвельних матерiалiв, е менша три-валють витримки крайових температурних умов до настання стацiонарного режиму.
В приладах плоского типу необхiднiсть отри-мання стацiонарного режиму в зразку великих роз-мiрiв призводить до вельми тривалих випробувань (вiд 6...8 годин до 1...2 дiб), що е !х iстотним недо-лiком.
На пiдставi математичного моделювання про-цеав теплообмiну у приладах з рiзними крайовими температурними умовами, проведет дослщження
Ä-виы < ^ CT
Рисунок 1 - Функци виходу на усталений режим для приладiв, виконаних за р1зними схемами [20].
1 - прилад за методом захищено! гарячо! плити (симетрична схема);
2 - прилад з одним ПТП, встановленим над зразком (асиметрична схема); 3 - прилад з одним ПТП, встановленим тд зразком (асиметрична схема); 4 - прилад з двома ПТП (симетрична схема)
тривалосп процесу отримання значення вишря-ного коефщенту теплопровiдностi ^вим у в^цно-шеннi до усталеного значення ХСТ. Результати обчи-слювальних експериментiв для рiзних типiв прила-дiв у виглядi залежностi вiдношення Хвим / ^ст ввд числа Фур'е Fo систематизованi у графiках на рис. 1 [20].
З порiвняння графЫв рис. 1 можна визначити, що тривалють перехiдного процесу до отримання результату вимiрювань е найменшою для приладу, який виконаний за симетричною схемою i оснащений двома ПТП. Найб№ша тривалiсть перехвдного процесу до отримання результату вишрювань при-таманна приладу з захищеною гарячою плитою.
Дуже важливим е обгрунтування вибору чут-ливо! i охоронно! зон перетворювача теплового потоку.
ПТП, призначеш для застосування в тепломет-ричному приладi, зазвичай виготовляють у формi диска або квадрата, центральна зона якого зайнята чутливим елементом. 1х встановлюють на поверхнi нагрiвача, що ввддае теплоту, або на теплосприйма-льнш поверхнi холодильника, розмiри яких в бшь-шостi випадк1в значно б№ше габариту чутливо! зони ПТП. Тому ПТП по периметру оточують так званою охоронною зоною, яка являе собою шар заливного компаунда товщиною, рiвнiй товщинi ПТП, i зовшштм розмiром, рiвним габариту нагрь вача (холодильника). При цьому теплофiзичнi характеристики чутливого елемента (тобто самого ПТП) i матерiалу охоронно! зони часто не узго-дженi, що призводить до спотворення температурного поля i в дослвджуваному зразку, i в ПТП. Саме це е основним джерелом методично! похибки вимь рювання теплопровiдностi теплометричним методом.
Принципова схема приладу, 3i6paHoro за симетричною схемою i оснащеного двома вдентичними ПТП, представлена на рис. 2.
З метою забезпечення коректносп вимiрювaнь теплового потоку ^зь зразок в теплометричному прилaдi проведено дослщження можливих спотво-рень температурного i теплового полiв в зразку i ПТП для режиму термостатування бокового екрану Те = 0,5- (Тнаг+Тхол), так як в цьому випадку розпо-дiл температури симетричний щодо висоти зразка, тобто у середнш його площинi проходить iзотермa (Т1З = const). Це дозволило визначити шукане тем-пературне поле в зразку шляхом виршення зaдaчi теплообмiну в плaстинi, висота яко! дорiвнюe поло-винi висоти зразка. Так як поздовжн розмiри досль джуваного зразка набагато бiльше розмiрiв ПТП, шар з ПТП i навколишньо! охоронно! зони можна розглядати як необмежену пластину, а процес теп-лообмiну можна вважати симетричним вiдносно центрально! вiсi i розглядати в системi цилiндрич-них координат.
Рисунок 2 - Принципова схема симетричного теплометричного приладу, оснащеного ПТП. 1 - зразок, 2 - на^вник, 3 - холодильник, 4 - чутлива зона ПТП, 5 - охоронна зона ПТП, 6 - бiчний екран
Результата обчислювального експерименту для чотирьох значень вщносно! товщини зразка
Изр/D^j п= 0,10; 0,25; 0,50; 0,75 представлен
на рис. 3 у виrлядi амейств графЫв зaлежностi значень приведеного коефiцieнтa теплопровiдностi
ХвИм/ ^ЗР вiд безрозмiрноrо аргументу
Хзр • ^ при вaрiaцiï вщносини коефiцieнтiв теп-лопровiдностi чутливо! i охоронноï зон ПТП Хшп/^охР = 1,03; 1,04; 1,05; 1,06 [21]. При
цьому ^ = 2Rox^/Dnrn .
З aнaлiзу отриманих rрaфiкiв слiдуe, що методична похибка теплометричного приладу в значнш мiрi залежить i ввд геометричних розмiрiв зразка i ПТП, i ввд спiввiдношення теплопровiдностi чутли-во! i охоронно! зон тепломiрa, причому чим ближче теплопровiднiсть охоронно! зони до теплопровщ-ностi чутливо! зони ПТП, тим вимiряне значения коефщента теплопровiдностi зразка ближче до ю-
тинного значення. При ^ПГП^ОХР = 1,0 вико-нуеться сшввщношення ХвИм/ X3P = 1,0,
тобто ця складова похибки вимiрювaнь зводиться до нуля.
Для значення дiaметрa чутливо! зони ПТП 120 мм при товщиш зразка не бшьше 60 мм, чому на рис.3 вщповщають rрaфiки 5...8, методична похибка менше 1% з тенденщею зниження при змен-
шенш вiдмiнностi мiж Хщ-д i ^охр. Таким чином, при дотриманш рекомендованого для досль джень теплоiзоляцiйних мaтерiaлiв спiввiдношения
розмiрiв Изр/D^TII = 0,2 для дiaпaзону ввд-
носини Xпгп/^ОХР вЩ 1,03 до 1,04 методична похибка не перевищуе 0,5%. Зони графЫв, вщповь днi аргументу, сввдчать, що похибка вимiрювaння
мaтерiaлiв з коефщентом X > 200 Вт/(м К) дуже мала, особливо при h3p jD yyjyy ^ 0,25 (див. рис. 3, графши 9...16).
Рисунок 3 - Характер змти значень приведеного коефщента теплопровiдностi в залежностi вiд геоме-тричних розмiрiв зразка i ПТП при варiацii вiдносини коефiцieнтiв теплопровiдностi чутливо'г' i охорон-
ног зон ПТП [21].
Розроблеш в 1ТТФ вимiрювальнi установки типу 1Т-7С [22], призначеш для вимiрювання кое-фщенпв ефективно! теплопровiдностi i теплового опору широко! гами будiвельних i теплоiзоляцш-них матерiалiв вiдповiдно до дшчих ставдарпв [2, 4, 8]. У цих установках реалiзована симетрична схема теплометричного методу пластини.
Установка 1Т-7С, зовнiшнiй вигляд яко! представлено на рис. 4, е сукупшстю функцiонально об'-еднаних вузлiв: теплового блоку 1, в якому розмь
щують зразок досл1джуваного матерiалу i забезпе-чують необхiдний температурний i тепловий режим; електронного блоку 2, що мiстить засоби ре-гулювання теплових режимiв, прийому i обробки первинно! вимiрювально!' iнформацi!' i передачi !! в персональний комп'ютер для подальшо! обробки за вiдповiдною програмою, i пристрою термостату-вання опорних спа!в термопар 3. При проведенш досл1джень при значениях температури нижче шм-натно!, тепловий блок помщають в кл1матичну камеру 5.
Рисунок 4 - ЗовншнШ виглядустановки 1Т-7С.
Основш техтчт характеристики установки 1Т-7С:
- Дiапазон вимiрювання коефiцieнта теплопровiдностi 0,02 ... 3,0 Вт/(м-К);
- Межi допустимо! основно! ввдносно! похибки ± 3%;
- Дiапазон значень робочо! температури ввд мiнус 40°С до 180°С;
- Розмiр зразка 300 х 300 х 120 мм (max).
На шдстаы отриманого досвiду експлуатаци установки ИТ-7С розроблена нова шформацшно-вимiрювальна система для прецизiйного вимiрю-вання коефiцiенту теплопровiдностi та теплового опору PTMS (precision thermal conductivity measurement system). Обрана симетрична схема ви-мiрювания густини теплового потоку з двома вден-тичними ПТП, iз застосуванням активно! бiчно! те-плоiзоляцi! вимiрювальноi комiрки дозволяе визна-чати коефiцiент теплопровiдностi i тепловий отр зразк1в дослвджуваного матерiалу товщиною до 50 мм з високою точшстю, яка вiдповiдае характеристикам сучасних робочих еталонш.
Конструкцiя системи PTMS, в основному, по-дiбна до конструкцii установки 1Т-7С. Однак, при проектуваинi еталонно! установки були втiленi отримаиi при проведених дослвдженнях результати. Рiвномiрнiсть теплового потоку забезпечена засто-суванням зразк1в товщиною не бшьше 0,2 поперечного розмiру зразка i системою термостатування крайових зон нагрiвника i холодильника за допомо-гою охоронних периферiйних нагрiвачiв. Для системи PTMS розроблеш та виготовленi ПТП, в яких
охоронна зона заповнена такою же сшраллю термо-елементiв як i чутлива зона, що забезпечуе однако-вiсть теплофiзичних характеристик обох зон. Засто-сувания термостату опорних спа!в з подвiйним контуром термостатування, який розмiщено поблизу вимiрювально!' комiрки приладу, дозволяе значно зменшити вплив неоднорiдностi термоелектричних дротiв на похибку вимiрювания температури ли-цьових поверхонь зразка. Притискиий пристрiй системи РТМБ вдосконалено для забезпечения рiвно-мiрного притиску нагрiвника i ПТП до поверхш зразка, а також оснащено пiдйомним механiзмом бiчно!' теплоiзоляцii' БТ1.
Система PTMS, зовнiшнiй вигляд яко!' показаний на рис. 5, являе собою сукупшсть функцюна-льно об'еднаних теплового блоку, термостата опор-них спа!в, силового блоку регуляторiв, електрон-ного вимiрювального блоку, персонального комп'ютера з вщповвдним програмним забезпечен-иям, електровимiрювальних приладiв i пристро!в для рiзних режимiв роботи.
Рисунок 5 - Зовншнш вигляд системи PTMS. 1 - тепловий блок; 2 - термостат опорних спа'1'в термопар; 3 - електронний вимiрювальний блок; 4 - силовий блок регуляторiв; 5 - стабШзатор напруги посттного струму П4105; 6 - мультиметр цифровий Picotest; 7 - мультиметр цифровий Fluke 8846A; 8 - еталонна котушка електричного опору Р310.
Тепловий блок (далi - ТБ), конструкция якого 1 i холодильник 2, блок активно! 6Î4hoï теплоiзоля-
показана на рис. 6, призначений для розмщення до- цп БТ1 3, блок вентиляторiв 4, щдйомно-притиск-
слвджуваного зразка i створення необхвдного тепло- ний пристрш 5, тдйомний мехашзм БТ1 6 i термо-
вого режиму. Вш мютить таю основш елементи: стат опорних спав термопар (ТОС) 12. верхню i нижню термостатоваш плити - нагр1вник
Рисунок 6 - Схема теплового блоку системи PTMS 1 - верхнш HozpieanbHuû блок («нагрiвник»); 2 - нижнш нагрiвальний блок («холодильник»); 3 - блок акти-вно'1 бiчноï теплогзоляци (БТ1); 4 - блок вентиляторiв; 5 - тдйомно-притискний пристрш; 6 - тдйомний мехашзм БТ1; 7 - зразок; 8 i 9 - охоронш нагрiвачi блоюв 1 i 2; 10 i 11 - верхнш i нижнш теплометричш блоки; 12 - термостат опорних спа'1'в термопар (ТОС)
У зiбраному сташ мгж на^вником 1, холодильником 2 i БТ1 3 утворюеться вимiрювальна комь рка, призначена для розмщення в нiй зразка 7 дос-лiджуваного матерiалу i забезпечення необхвдних теплових i температурних режимiв. Розмiри посад-кового мiсця в вимiрювальнiй комiрцi дозволяють встановлювати в нш зразок з габаритами 300 х 300 х 50 мм.
Нагрiвник 1 i холодильник 2 однаковi по конс-трукцii, виготовленi з дюралюмшевих плит розмь ром 360 х 360 х 25 мм з рiвномiрно розподшеними по однш з поверхонь фрезерованими пазами, в яких укладенi резистивнi нагрiвальнi елементи. У торце-вих периметрах плит в спещальних пазах укладенi охоронш резистивнi нагрiвники 8 i 9. Резистивш на-грiвники виконанi з шхромового проводу в трубцi зi скловолокна, залитого високотемпературним кремнiйорганiчним лаком. При робот нагрiвника 1 i холодильника 2 вiдповiдними цифровими регуляторами температури, розташованими в електрон-них блоках, задаються i тдтримуються постiйнi значения i температури робочих поверхонь зразка 7 з дiапазону робочих значень для дослщження температурних залежиостей коефiцiента теплопровщ-носп. Для контролю i автоматичного регулювания температури центрально! та перифершно! зон плит передбачеш платиновi термометри опору, яш е еле-ментами системи регулювания. Висока теплопро-вiднiсть матерiалiв, з яких виготовленi плити надвита 1 i холодильника 2, а також незалежие регу-лювання температури сприяе створенню iзотермiчних умов на поверхиях нагрiвника i холодильника.
Тепловiдведения вiд холодильника 2 здшсню-еться конвективно за допомогою радiатора, що представляе собою набiр плит з профiльними ребрами. 1нтенсифшащя теплообмiну забезпечена блоком вентиляторiв 4, який складаеться з чотирьох ве-нтиляторiв, встаиовлених в загальному корпусi, з'еднаиих силовим кабелем з блоком живления, ро-змщеним в електронному вимiрювальному блоцi. У каиалi продувки розташованi термометри опору, що вимiрюють температуру повiтря. Конструкщею передбачено демонтаж блоку вентиляторiв 4 при значеннях температури випробувань значно вище або нижче шмнатно!.
Для зменшения впливу бокового теплообмiну на теплове поле зразка в ТБ передбачена активна бь чна теплоiзоляцiя (БТ1), яка оточуе бiчнi поверхш зразка 7 i нагрiвника 1. Конструктивно БТ1 складаеться з чотирьох вдентичних дюралюмшевих плит, в фрезероваш пази яких покладений резистивний нагрiвальний елемент. Зовнiшия сторона плит забезпечена базальтовою теплоiзоляцiею i закрита за-гальним кожухом. Температура БТ1 задаеться i тд-тримуеться рiвнiй напiвсумi значень температури на^вача 1 i холодильника 2. Стабшзащя температурного режиму БТ1 здiйснюеться за показаниями розмiщеного в ньому термометра опору за допомо-гою цифрового регулятора, розташованого в силовому блоцi регулювания.
На поверхиях на^вника i холодильника, зве-рнених до зразка, встановлеш теплометричнi блоки ТМБ 10 i 11. Збiрка з нагрiвника i холодильника з теплометричними блоками, БТ1, зразка i блоку вен-тиляторiв помiщенi в тдйомно-притискний прист-рiй 5, яке представляе собою рамну конструкцш на напрямних стiйках. При цьому в робочому станi з метою мiнiмiзацii контактного теплового опору м1ж дотичними поверхиями ТМБ 10, 11 i зразка 7, гвинтовим механiзмом з силовою пружиною задаеться необвдне притискне зусилля, контрольоване вiзуально за шкалою пристрою 5. Максимальне зусилля становить 10 кН.
Пристроем 5 проводиться пiдйом i опускания на^вника 1, а щдйомним мехашзмом 6 - п1дйом i опускания БТ1.
Для забезпечення п1двищено1' точносп вимi-рювання рiзницi температури поверхонь зразка в складi установки передбачений комплект з двох зшмних прокладок, виконаних з еластичного силi-кону у виглядi пластин товщиною 2 мм. В повер-хню кожно! прокладки вмонтована хромель-копелева термопара сучкового типу, спай яко! розка-таний в стрiчку товщиною 50...60 мкм. Обидвi термопари з'еднанi диференцшно. Прокладки вста-новлюють спаями термопар до робочих поверхонь зразка твердого гомогенного матерiалу, що випро-бовуеться тд нормованим навантаженням для за-безпечення максимального теплового контакту, що максимально сприяе зменшенню контактного теплового опору до значення, яким можна знехтувати.
Функцюнальна схема системи PTMS представлена на рис. 7.
Рисунок 7 - Функцюнальна схема системи PTMS. ТОС - термостат опорних спав; ТБ - тепловий блок; ЕВБ - електронний вимiрювальний блок; БР - силовий блок peryraTOpiB
Завдання умов експерименту i режимiв роботи установки, регулювания i контроль режимних пара-метрiв, а також отримаиия первинно! шформаци за-безпечуються роботою електронних блоков БР i ЕВБ.
Силовий блок регуляторiв БР мiстить цифровi регулятори температури нагрiвача, холодильника i БТ1, як1 керують подачею напруги на резистивш на-грiвачi вiдповiдних вузлiв через симисторнi ключi, причому живления нагрiвачiв здiйснюють безпосе-редньо ввд мереж1 змiнного струму 220 В. Цифровi регулятори охоронних нагрiвальних елеменпв управляють подачею напруги на резистивш нагрь вачi вiдповiдних вузлiв, при цьому живления нагрь вачiв здшснюють напругою 36 В через знижувальш трансформатори.
Електронний вимiрювальний блок ЕВБ приз-начений для перетворения аналогових сигналiв пе-рвинних перетворювачiв ТБ в цифровий код з пода-льшою передачею даних в персональний комп'ютер ПК, а також забезпечуе регулювання температури
ТОС, генерацш вимiрювального струму для термо-метрiв опору i живлення вентиляторiв. Вихiднi сиг-нали вах первинних перетворювачiв виводяться з ТБ i подаються на входи вимiрювальних модyлiв 1М1, 1М2, 1М3, де здшснюеться 1х аналого-цифрове перетворення. В якосп вимiрювальних модyлiв за-стосоваш модул1 I-7018 виробництва фiрми ICP DAS (Тайвань), як1 забезпеченi 16-розрядними АЦП i мають по 8 аналогових комутованих входiв.
Програмне забезпечення системи PTMS для ПК призначене для прийому даних вiд ЕВБ у вах режимах роботи, виконання розрахуншв, iндикацiï значень вимiрюваних величин i запису даних для документування в файл на диску.
Для калiбрyвання системи PTMS розроблено методику, яка базуеться на вимiрюваннях лшшних розмiрiв, електричноï потyжностi та температури, тобто калiбрyвання проводиться непрямим методом, за допомогою вимiрювальних засобiв, як1 мет-рологiчно забезпеченi в УкраМ [23]. Калiбрyвання
або повiрка ПТП проводиться за допомогою спець ального калiбрувального електронагрiвника, який встановлюеться у тепловий блок заметь зразка. На на^вник подаеться стабiльна електрична потуж-нють, яка вимiрюеться приладами - робочими ета-лонами, та у стацюнарному режимi вимiрюються вихiднi сигнали ПТП. При шдтриманш стабiльних температур на^вника i холодильника проводить дослвдження методом двох вимiрювань, тобто при двох значеннях подано! потужностi, а за результатами вишрювань складають систему двох рiвнянь теплового балансу i розраховують коефiцiенти пе-ретворення ПТП. Кал1брування або повiрка перет-ворювачiв температури проводиться методом ком-парування за допомогою еталонного перетворю-вача температури, який встановлюеться на мюце зразка, а на на^внику та холодильнику при цьому шдтримують однаковi температури. Очiкувана роз-ширена невизначенють вимiру коефiцiенту теплоп-ровiдностi в дiапазонi ввд 0,02 до 3,0 Вт/(м-К) - не гiрше 1,5%.
Можливосл системи PTMS не обмежеш вимь ром коефiцiента теплопровiдностi твердих зразшв в стацiонарному тепловому сташ. На установцi мо-жна дослщжувати тепловий опiр тонкошарових зразк1в (наприклад, тканин), зiбраних в багатоша-ровий пакет. Можна визначати ефективний коефь цiент теплопровiдностi сипких матерiалiв, яш заси-паються у спецiальну пласку кювету, що встановлюеться у вимiрювальну комiрку.
Симетрична схема теплового блоку дозволяе проводити вимiрювання при наявносп тепловидь лення в зразку, як це вiдбуваеться, наприклад, в процеа гiдратацi!' бетонних сумiшей [24], а також при дослiдженнi термолабшьних матерiалiв. В ко-мiрку приладу вставляють спецiальну кювету з тд-готовленим зразком редкого бетону та рееструють за допомогою ПТП значення його тепловидiлення на протязi його пдратацп. При цьому пiдтримують задаш значення температури нагрiвника i холодильника. Програмне забезпечення установки розра-ховане на тривалу (ввд дешлькох годин до дешль-кох дiб) iндикацiю i запис значень температури i гу-стини теплового потоку в зразку для подальшо! обробки та аналiзу теплового процесу.
Система PTMS дозволяе вимiрювати коефщь ент емiсi!' енергоощадного скла або будь-якого пок-риття, нанесеного на тонк1 пласк1 пластини. Метод вимiрювання полягае в тому, що два одноковi зра-зки скла або матерiалу з покриттям збирають у пакет, який мае прошарок повiтря вiдомо! товщини мiж двома досл1джуваними поверхнями. Цей пакет розмiщують у комiрцi приладу та визначають його тепловий отр, який залежить вiд кондуктивно-кон-вективного та ращацшного теплообмiну в пакета На пiдставi результатiв вимiрювань шляхом розра-хунку визначають коефiцiент емюп покриття.
Розроблено методику застосування системи PTMS для вимiрювання теплоемносп матерiалiв. Для таких вимiрювань мiж нагрiвником i холодильником розмiщуеться спецiальний каркас, який фор-муе комiрку для зразка безпосередньо над чутли-
вою зоною ПТП. За допомогою регуляторiв зада-ють синхронну змiну температури нагрiвника i холодильнику у виглядi послiдовних сходинок, вимь рюючи при цьому сигнали ПТП. 1нтегральне значення теплових потоков при переходi з одного температурного рiвня на iнший дорiвнюе енергi!, яка йде на названия комiрки та розмiщеного в нш зразка. Послвдовно проводять три цикли вишрювань - з порожньою комiркою, з розмiщеним в ко-мiрцi еталонним зразком та з дослвджуваним зразком [25]. На пiдставi перших двох циклiв проводять кал1брування приладу в режимi визначення теплое-мностi, а третiй цикл надае iнформацiю про для ро-зрахунку теплоемностi зразка. Значним недолжом цього методу е висока тривалють дослвду (4...8 годин на однш температурнiй точцi), що пов'язано з розмiрами та iнерцiйнiстю приладу.
Заключення та висновки.
1. В результат аналiзу стандартизованих схем вимiрювання коефiцiента теплопровiдностi твердих матерiалiв у виглядi пластини, обраний тепло-метричний метод з використанням двох щентичних ПТП, що розташовуються зверху i знизу зразка (си-метрична схема). З метою забезпечення рiвномiр-ного теплового поля в дюралюмшевих плитах на-грiвника i холодильника, яш задають температуру поверхонь зразка, введет охоронт нагрiвники кра-йових зон.
2. Методами математичного апал1зу i обчислю-вального експерименту дослiдженi поля розподшу густини теплового потоку i температури в системi «ПТП - зразок - ПТП» в умовах стацюнарного теп-лообмiну в залежиостi вщ факторiв, що впливають на методичну похибку вимiрювания в теплометри-чному приладi. Встановлено, що, кожен ПТП повинен мати двi зони: з теплочутливим елементом i охоронну, розташованi спiввiсно; при цьому чут-ливу зону роблять з ввдносним радiусом 40% в1д по-
вного радусу ПТП (РЧЕ = 0,4) при значеннi
сшвввдношення дiаметра зразка до його висоти
О^р IЬ^зр ^ 5, а значення ефективно! теплоп-
ровiдностi чутливо! i охоронно! зон повинш бути максимально близькими.
3. З урахуванням отриманих результатiв анал1-тичних досл1джень розроблена конструкц1я теплового блоку i виготовлено iнформацiйно-вимiрюва-льну систему для прецизiйного вимiрюваиня коефь цiенту теплопровiдностi та теплового опору PTMS твердих нiзкотеплопровiдних матерiалiв. Оч^-вана розширена невизначенiсть вимiру коефщенту теплопровiдностi в дiапазонi в1д 0,02 до 3,0 Вт/(м К) - не прше 1,5%.
4. Розроблено методику калiбрування системи PTMS непрямим методом, яка базуеться на вимiрю-ваннях лiнiйних розмiрiв, електрично! потужиостi та температури, спираючись на вимiрюваиня фiзи-чних величин, визначення яких метролопчно забез-печено в Укра!нi.
5. Розроблено методики застосування системи РТМБ для вимiрюваиня теплоти гiдратацi!' бетону, коефщенту емiсi!' енергоощадного скла або покриття, теплоемносп матерiалiв.
Стаття подготовлена в рамках виконання нау-ково-технiчного проекту №: 19 1.7.1.902 "<<1нфор-мацiйно-вимiрювальна система теплофiзичних характеристик матерiалiв та виробiв»", який проводиться на пiдставi розпорядження Президи НАНУкраши вщ 20.01.2021 №31 «Про затвер-дження перелiку науково-технiчних проектiв уста-нов НАН Украши, що реалiзовуватимуться у 2021 рощ». Науковий керiвник теми - чл.-кор. НАН Ук-ра!ни, д.т.н., проф.. Бабак В.П.
Список лггератури
1. ДБН В.2.6-31:2006. Конструкцii будiвель i споруд. Теплова iзоляцiя будiвель. Мiнбуд Украши. - К.: Укрархбудшформ, 2006. - 65 с.
2. ДСТУ ISO 8301:2007. Теплоiзоляцiя. Визна-чення теплового опору та пов'язаних iз ним характеристик в усталеному режимi приладом iз перетво-рювачем теплового потоку (ISO 8301:1991, IDT).
3. ДСТУ ISO 8302:2008. Теплоiзоляцiя. Визна-чення теплового опору та пов'язаних з ним характеристик в усталеному режимi приладом iз захище-ною гарячою пластиною (ISO 8302:1991, IDT).
4. Thermal insulation - Determination of steady-state thermal resistance and related properties - Heat flow meter apparatus: ISO 8301:1991. - ISO TC 163/SC 1. - 38 p.
5. Thermal insulation - Determination of steady-state resistance and related properties - Guarded hot plate apparatus: ISO 8302:1991.- ISO TC 163/SC1. -47 p.
6. ДСТУ Б В.2.7-40-95 (ГОСТ 30256-94). Будiвельнi матерiали. Матерiали i вироби будiвельнi. Метод визначення теплопровщносл цилшдричним зондом. - К.: Укрархбудшформ, 1997. - 10 с.
7. ДСТУ Б В.2.7-41-95 (ГОСТ 30290-94). Будiвельнi матерiали. Матерiали i вироби будiвельнi. Метод визначення теплопровщносп по-верхневим перетворювачем.- К.: Укрархбудшформ, 1997. - 14 с.
8. ДСТУ Б В.2.7-105-2000 (ГОСТ 7076-99). Будiвельнi матерiали. Метод визначення тепло-провiдностi i теплового опору при стащонарному тепловому режимi. - К.: Держбуд УкраТни, 2001. -21 с.
9. ДСТУ ГОСТ 8.140:2009 ГСИ. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений теплопроводности твердых тел от 0,1 до 5 Вт/(м К) в диапазоне температур 90-500 К и от 5 до 20 Вт/(мК) в диапазоне температур 300-1100 К.
10. B. Hay, R. Zarr, C. Stacey, N. Sokolov, L. Lira-Cortes, J. Zhang, U. Hammerschmidt, J.-R. Filtz, A. Allard. Report on the CCT Supplementary comparison S2 on thermal conductivity measurements of insulating materials by guarded hot plate. January 2020. Metrologia, Volume 57, Number 1A. https://doi.org/10.1088/0026-1394/57/1A/03003.
11. L.D. Hung Anh, Z. Pasztory. An overview of factors influencing thermal conductivity of building insulation materials. Journal of Building Engineering. Vol. 44, (2021).
12. N. Yuksel. The Review of Some Commonly Used Methods and Techniques to Measure the Thermal
Conductivity of Insulation Materials. Insulation Materials in Context of Sustainability. Chapter 6. p. 114140. http://dx.doi.org/10.5772/64157.
13. Платунов Е. С., Баранов И. В., Буравой С. Е., Курепин Б. В. Теплофизические измерения: Учеб. пособие. под ред. Е. С. Платунова. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2010. - 737 с.
14. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. под ред. А. В. Лыкова -М.: Энергия, 1973. - 336 с.
15. Compendium of Thermophysical Property Measurement Methods / Ed. by D. K. Maglich, A. A. Cezairliyan, V. E. Peletsky. - N.-Y.: Plenum Press, 1984. - Vol. 1-2.
16. Харламов, А. Г. Измерение теплопроводности твердых тел. - М.: Атомиздат, 1973. - 152 с.
17. Бабак В.П., Берегун В.С., Бурова З.А., Во-робйов Л.Й. та ш. Апаратно-програмне забезпечення мониторингу об'екпв генерування, транспор-тування та споживання теплово! енерги: моно-графiя. К.: 1ТТФ НАН Украши, 2016. 298 с.
18. Грищенко Т.Г., Декуша Л.В., Воробьев Л.И. и др. Теплометрия: теория, метрология, практика. Книга 1: Методы и средства измерения теплового потока: монографiя. К.: ИТТФ НАН Украины, 2017. 438 с.
19. Dekusha, L., Kovtun, S., Dekusha, O. Heat Flux Control in Non-stationary Conditions for Industry Applications. In 2019 IEEE 2nd Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON) 2019, 601-605. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2014.11.007.
20. Бурова З. А., Декуша Л.В., Воробйов Л.Й., Грищенко Т.Г., Декуша О.Л. Еталонування визначення теплопровщносп теплоiзоляцiйних будiвельних матерiалiв. Будiвельнi конструкцп: Мiжвiдомчий науково-техшчний збiрник наукових праць (будiвництво). - Вип. 80. - К.: ДП НД1БК, 2014. - С.78-84.
21. Бурова З.А., Воробьев Л.И., Грищенко Т.Г. и др. Особенности конструирования преобразователей теплового потока для приборов для определения теплопроводности по ДСТУ ISO 8301:2007. Будiвельнi конструкцп: Мiжвiдомчий науково-техшчний збiрник наукових праць (будiвництво). -Вип. 77. - К.: ДП НД1БК, 2013. - С.349-354.
22. Бурова З., Воробйов Л., Декуша Л., Декуша О. Установка для вимiрювання коефщента тепло-провiдностi будiвельних матерiалiв ИТ-7С. Метро-логiя та прилади: Науково-виробничий журнал. -Харкiв, 2009. - №6 - С. 9-15.
23. O. Dekusha, Z. Burova, S. Kovtun, H. Dekusha, S. Ivanov. Information-Measuring Technologies in the Metrological Support of Thermal Conductivity Determination by Heat Flow Meter Apparatus. Systems, Decision and Control in Energy I, 2020, Publ.: Springer, Cham. - р.217-230.
24. Мендрул Г., Воробйов Л., Декуша Л., Бурова З. Визначення тепловидшення та коефщенту теплопровщносп у процеа пдратацп в'яжучих матерiалiв та бетошв на установщ ИТ-7С. Метрологiя та прилади: Науково-виробничий журнал. - Харшв, 2010. - №1. - С. 15-19.
25. ISO 11357-4:2014. Plastics. Differential scanning calorimetry (DSC). Part 4: Determination of specific heat capacity.
