CC BY
32
Метрология и метрологическое обеспечение
УДК 528.71:528.8
ИСКЛЮЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ ПРИ КАЛИБРОВКЕ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
Дмитрий Петрович Троценко
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспират кафедры метрологии, стандартизации и сертификации, тел. (913)466-47-78, e-mail: trotsenkodmitry@yandex.ru
В статье рассмотрены вопросы повышения точности калибровки датчиков теплового потока. Предложена методика определения коэффициентов преобразования датчиков в условиях неоднородного теплового поля.
Ключевые слова: калибровка, коэффициент преобразования, неоднородность теплового поля.
INCREASE OF ACCURACY OF CALIBRATION OF SENSORS OF THE HEAT FLUX AT THE EXPENSE OF THE EXCEPTION OF INFLUENCE OF HETEROGENEITY OF THE THERMAL FIELD
Dmitry P. Trotsenko
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10, Plakhotnogo, postgraduate student, department of metrology, standardization and certification, tel. (913)466-47-78, e-mail: trotsenkodmitry@yandex.ru
In article questions of increase of accuracy of calibration sensors of a heat flux are considered. The technique of definition of coefficient of transformation of sensors in the conditions of a heterogenous thermal field is offered.
Key words: calibration, a coefficient of transformation, a heterogenous thermal field.
Проблемы энергосбережения ставят задачи, для которых требуется высокая точность измерений теплового потока. Это приводит не только к необходимости разработки соответствующих методов и средств измерений, но и к совершенствованию метрологического обеспечения этих измерений.
Тепловой поток, отнесенный к единице площади, называется плотностью теплового потока, для измерений которой применяют измерительные преобразователи - датчики теплового потока (ДТП).
ДТП изготавливают в виде диска или пластины, вблизи поверхностей которых размещают чувствительные элементы дифференциальных термоэлектрических преобразователей [1]. Согласно закону Фурье, плотность теплового потока q связана с разностью температур А Т, которая формируется на поверхностях ДТП, с его теплопроводностью X и толщиной d соотношением
q = X
AT
~d
(1)
124
Метрология и метрологическое обеспечение
Отношение — называется тепловым сопротивлением R. С учетом этого за-
X
кон Фурье принимает вид
q =
AT
R
(2)
Тепловое сопротивление наиболее распространенных ДТП производства фирмы «Химик-Дизайн» составляет около 0,003 м К/Вт. При измерениях плотности теплового потока в 10 Вт/м разность температур поверхностей датчика составляет 0,03 К. Для измерения такой малой разности температур на поверхностях датчика располагается большое количество дифференциальных термопар, соединенных последовательно. Такое включение позволяет увеличить сигнал пропорционально количеству термопар. Зависимость полученного электрического сигнала Е термопар от плотности теплового потока характеризуется коэффициентом преобразования K:
к=q
E
(3)
Коэффициент преобразования определяют экспериментально при калибровке на специальном оборудовании. Существует три метода калибровки: радиационный, конвективный и кондуктивный [2, 3]. При плотности теплового потока менее 2 000 Вт/м чаще всего используют кондуктивный метод.
Калибровка ДТП кондуктивным методом осуществляется посредством кондуктивных установок (рис. 1).
1 3
б)
Рис. 1. Схема кондуктивных установок:
а) установка, реализующая режим последовательного расположения ДТП относительно теплового потока; б) установка, реализующая режим параллельного расположения ДТП относительно теплового потока
Кондуктивная установка состоит из теплоотдающей пластины 1, тепловоспринимающей пластины 2 и среды, через которую проходит тепловой поток 3.
125
Метрология и метрологическое обеспечение
В установке, работающей в режиме последовательного расположения ДТП относительно теплового потока (см. рис. 1, а), эталонный 4 и калибруемый 5 датчики располагают один над другим. При таком расположении датчики пронизывает одинаковый тепловой поток.
Недостатком такой установки является невозможность одновременной калибровки сразу нескольких датчиков, а также датчиков, отличающихся формой и размерами, так как при этом возникает трудно решаемая задача учета теплообмена на их боковых и открытых поверхностях.
Для одновременной калибровки нескольких ДТП необходима установка, реализующая режим их параллельного расположения относительно теплового потока (см. рис.1, б). Если датчики располагаются в однородном тепловом поле, то их пронизывает тепловой поток одинаковой плотности. Поэтому неоднородность теплового поля является важнейшей метрологической характеристикой этой разновидности установок, влияющей на погрешность передачи единицы плотности теплового потока.
Учет неоднородности теплового поля значительно повысит точность калибровки датчиков. В связи с эти предлагается методика измерений, которая позволит решить эту задачу.
Предположим, что тепловой поток, создаваемый теплоотдающей и тепловоспринимающей поверхностями, пронизывает среду, в которой размещаются ДТП. Если материал среды неоднороден и имеет разное по объему тепловое сопротивление, то в различных его точках плотность теплового потока будет неодинаковой. Расположим калибруемый датчик (ДТПК) и эталонный датчик (ДТПЭ) на плоскости, параллельной теплоотдающей и тепловоспринимающей поверхностям, как показано на рис. 2, а.
Рис. 2. Расположение датчиков теплового потока при калибровке
Если датчики имеют коэффициенты преобразования КдТПЭ и КдТПК, а их сигналы равны ЕдТПЭ1 и ЕдТПК1, то плотность теплового потока ддТПЭ1, определенная ДТПЭ, как следует из (3), равна ддТПЭ1 = КдТПЭ-ЕдТПЭ1, а плотность теплового потока Цдтпк1, определенная ДТПК, равна Цдтпш = Кдтпк, Едтпк1. Зная
126
Метрология и метрологическое обеспечение
плотность потока в местах расположения датчиков, можно определить отношение а значений плотности потока, пронизывающего эти участки
q ДТПЭ1 q ДТПК1
(4)
Затем датчики меняют местами (рис. 2, б) и определяют новые значения плотности ГОТО^ которые будут равны ддгПЭ2 = КДГПЭ ■ ЕДГПЭ2, ЧДГПК2 = КДГПК ■ ЕДГПК2-
Перемещение может привести к изменению значения плотности, но при этом сохраняется форма теплового поля. Сохранение формы обеспечивается свойством материала среды - среда имеет фиксированное распределение теплового сопротивления по объему. Поэтому в стационарном режиме форма теплового поля после перемещения идентична форме теплового поля до изменения местоположения ДТП.
Зная плотность теплового потока в новых местах расположения датчиков ДТПЭ и ДТПК, можно определить отношение а значений плотности теплового потока
q ДТПК 2 q ДГПЭ 2
(5)
Так как неоднородность теплового поля не изменяется до и после перемещения датчиков, то и отношения (4) и (5) будут равны
q ДГПЭ1 _ q ДТПК 2 q ДГПК1 q ДГПЭ 2
Отсюда следует
K ДГПЭ ^ДГПК1 ^ДГПК 2
K ДГПК \ ^ ДГПЭ 1 ^ДГПЭ 2
(7)
Очевидно, что при известном коэффициенте преобразования эталонного датчика КдГПЭ по формуле (7) можно определить коэффициент преобразования калибруемого КдТПК.
Погрешность методики определяется, главным образом, постоянством отношения а значений плотности потока в местах расположения датчиков. В зависимости от свойства среды, в которой они размещены, это отношение до и после перестановки может отличаться. Это и является основным источником погрешности определения искомого коэффициента преобразования при реализации предложенной методики.
127
Метрология и метрологическое обеспечение
Экспериментальное опробование методики показало, что при условии постоянства отношения а в пределах ±1 % происходит уменьшение погрешности определения коэффициента преобразования калибруемого датчика с 3 до 2 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Геращенко О.А. Основы теплометрии. - Киев: Наукова думка, 1971. - 191 с.
2. МИ 1855-88. Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне 10... 1000 Вт/ м2: метод. указания. - Введ. 1988-01-01. -М.: Изд-во стандартов, 1988. - 5 с.
3. Курбатова Н.А., Черепанов В.Я. Теплометрическая установка эталонного назначения для поверки датчиков теплового потока // Вестник СГГА. - 2011. - № 1 (14). - С. 87-96.
Получено 07.09.2012
© Д.П. Троценко, 2012
128
