CC BY
58
УДК 536.6
Н.А. Курбатова СГГА, Новосибирск
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА РАДИАЦИОННОКОНВЕКТИВНЫМ МЕТОДОМ
Разработана экспериментальная измерительная установка, позволяющая исследовать радиационно-конвективный метод. На установке проведены исследования температурной зависимости коэффициента преобразования датчиков теплового потока.
N.A. Kurbatova
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
RESEARCH OF TEMPERATURE DEPENDENCE FACTOR OF TRANSFORMATION OF HEAT FLUX SENSORS RADIATSIONNO-CONVECTIVE METHOD
The experimental measuring installation allowing to investigate radiatsionno-convective method is developed. The researches are spent of temperature dependence factor of transformation of heat flux sensors.
Решение задач энергоэффективности и энергоресурсосбережения должно основываться на измерениях, пожалуй, на единственном способе получения объективной и достоверной информации о процессах и объектах. Для получения такой информации при учете тепла в системах теплоснабжения широко используются теплоизмерительные приборы и системы. Для количественной оценки утечек тепла в настоящее время все большее распространение получают измерители теплового потока, использующие в качестве первичных измерительных преобразователей накладные контактные датчики теплового потока [1], которые часто называют тепломерами. Основной характеристикой этих датчиков является коэффициент преобразования К, устанавливающий связь между плотностью q теплового потока, проходящего через датчик, и его электрическим сигналом (термо-э.д.с.) Е\
K = q/E, Вт/(м2-мВ). (1)
Для установления этой связи используют поверочные теплометрические установки, в которых формируется тепловой поток известной плотности. В зависимости от способа создания теплового потока такие установки обычно делятся на кондуктивные, конвективные и радиационные [2].
Радиационный метод достаточно широко используют при поверке датчиков путем сравнения показаний поверяемых и эталонного датчиков при воздействии на них радиационного теплового потока одинаковой плотности [3]. При этом значения плотности потока определяют по сигналу эталонного датчика. Достоинство метода - возможность получения высоких значений плотности теплового потока, а также близость условий поверки к условиям эксплуатации датчиков при их размещении на поверхности объектов. Недостатком такого метода поверки являются возможность возникновения погрешностей, обусловленных неидентичностью геометрии и свойств поверяемых и эталонного датчиков, приводящая к неодинаковости взаимодействия теплового излучения с их поверхностью, а также необходимость наличия вакуума. Кроме этого для осуществления метода компарирования необходимо иметь эталонный датчик высокой точности.
При осуществлении абсолютного радиационного метода, не имеющего таких недостатков, необходимы излучатели теплового потока известной мощности, в качестве которых используют модели абсолютно черного тела (АЧТ). Чаще всего такие излучатели конструктивно выполняют в виде горизонтальной трубчатой печи, внутри которой помещается тепловой блок в виде стакана из материала с высокой теплопроводностью. Блок снабжают термометрическим каналом для размещения в нем эталонного датчика температуры. Нагретая полость стакана служит источником теплового излучения.
Условием близости свойств излучения такой полости к АЧТ является выполнение двух условий: малость площади ее выходного отверстия по отношению к площади полости излучателя (блока) и однородность температурного поля полости. Степень близости такого излучателя к свойствам АЧТ определяется коэффициентом черноты, который для реальных тел может изменяться в пределах 0 < в < 1. Значение этого коэффициента для моделей АЧТ находят расчетным путем на основании данных по геометрическим параметрам излучателя и однородности его температурного поля. Наиболее удачные конструкции АЧТ имеют расчетное значение в более 0,99. Тепловой поток на выходе излучателя определяется при этом по закону Стефана-Больцмана.
Недостатком таких устройств является то, что учесть конвективную составляющую теплообмена невозможно. Поэтому необходимо наличие вакуума, что существенно усложняет конструкцию устройства.
Поэтому актуальной является задача создание тепловых излучателей с измеряемым, а не с расчетным значением создаваемого теплового потока, позволяющих проводить поверку в условиях атмосферы при наличии конвективного теплообмена [4].
Схема теплометрической установки, реализующей радиационноконвективный метод, представлена на рис. 1.
Устройство работает следующим образом. Калибруемый датчик 1 помещают в теплоизолирующее кольцо 3, расположенное на выходном отверстии излучателя 2. На внешнюю поверхность датчика устанавливают
термоэлектрическую батарею Пельтье 15, внешняя поверхность которой находится в тепловом контакте с сосудом 16, наполненным тающим льдом. Регулируя ток в термобатарее 15 источником 14, устанавливают по сигналу датчика 13, регистрируемому измерителем 4, необходимую температуру калибруемого датчика. К нагревателю теплового излучателя 5 подводят электрическую мощность Ри от источника питания 6, которую измеряют измерителем 7. С помощью регулятора 11 устанавливают мощность нагревателя 9 экрана 8, при которой эго температура становится равной температуре излучателя, что определяется по показаниям датчиков температуры 10 и 12. В этом случае подводимая к тепловому излучателю 2 электрическая мощность Ри , преобразуясь в тепло, создает тепловой поток Qo на выходном отверстии излучателя, равный мощности Ри.
1э ии О пшши
Рис. 1. Схема конвективно-радиационной теплометрической установки
Так как калибруемый датчик 1 расположен вблизи выходного отверстия излучателя и перекрывает его, то плотность теплового потока д0, проходящего через датчик, определится соотношением
Чо=0о/Ро=Р„/Р„, (2)
где Р0 - площадь выходного отверстия излучателя.
Следовательно, измеряя мощность электрического нагревателя теплового излучателя, площадь его выходного отверстия, а также электрический сигнал Е датчика, рассчитывают значение его коэффициента преобразования К по
формуле:
К = Р„!Р0Е. (3)
Наличие тающего льда позволяет стабилизировать отвод тепла от термобатареи, что способствует стабилизации температурного режима всего устройства. Регулировка тока в термобатарее позволяет устанавливать различные значения температуры калибруемых датчиков. Благодаря этому
можно устанавливать зависимость коэффициента преобразования датчиков от их температуры.
На рис. 2 приведен график такой зависимости для термоэлектрического датчика теплового потока № 2117 с диаметром 27 мм при значениях плотности теплового потока около 1800 Вт/м в наиболее используемом на практике диапазоне температуры от 0 до 40°С.
Рис. 2. График зависимости
Полученные экспериментальные точки сглажены прямой (пунктирная линия) методом наименьших квадратов. Максимальное отклонение этих точек от прямой не превышает 1 %. Это вполне соответствует требованиям точности, предъявляемым к эталонным поверочным установкам для средств измерений поверхностной плотности теплового потока, для которых значение погрешности установлено от 1,5 до 3,0 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Геращенко, О.А. Основы теплометрии [Текст] / О.А. Геращенко // Киев: Наукова думка, 1971. - 191 с.
2. МИ 1855-88. Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне 10-2000 Вт/м . Методические указания // Томбасов Е.А., Лозинская О.М., Черепанов В.Я. -Введ. 1989-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 5 с.
3. Декуша, Л.В. Установка для радиационной градуировки преобразователей теплового потока [Текст] / Л.В. Декуша, Т.Г. Грищенко, В.Б. Зайцев // Промышленная теплотехника, 2003. № 4. С. 462-464.
4. Курбатова, Н.А. Установка для поверки датчиков теплового потока на основе адиабатического излучателя / Н.А. Курбатова, В.Я. Черепанов // Материалы международной конференции «Актуальные вопросы электронного приборостроения - АПЭП-2010». - Новосибирск: НГТУ, 2010. - С. 31-34.
© Н.А. Курбатова, 2011
