CC BY
72
УДК 681.1:006
Д.О. Пряшин, Д.П. Троценко, В.Я. Черепанов СГГ А, ФГУП «СНИИМ», Новосибирск
КОНДУКТИВНЫЙ КОМПАРАТОР ДЛЯ ПОВЕРКИ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
В статье рассмотрен кондуктивный компаратор, предназначенный для поверки и калибровки датчиков теплового потока. Описан принцип действия. Представлена конструкция установки.
D.O. Priashin, D.P. Trotsenko, V.Ya. Cherepanov
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation, Siberian Scientifically Research Institute of Metrology (SSRIM), 4 pr. Dimitrova Ul., Novosibirsk, 630104, Russian Federation
THE CONDUCTION COMPARATOR FOR CALIBRATION OF HEAT FLUX SENSORS
In article is considered the conduction comparator intended for calibration of heat flux sensors. The measurement principle is described. The installation design is presented.
Одним из основных направлений прикладной метрологии являются работы по передаче единицы физической величины. Среди большого разнообразия величин, наиболее важной в сфере энергосбережения является тепловой поток. На сегодняшний день существуют различные датчики, измеряющие эту физическую величину. При поверке любого первичного преобразователя требуется подтверждение его метрологических характеристик. Главной характеристикой датчика теплового потока является коэффициент преобразования, устанавливающий связь сигнала датчика с измеряемой плотностью теплового потока.
Согласно поверочной схеме [1] определение метрологических характеристик можно выполнить посредством компаратора. Существуют различные способы создания теплового потока в подобных устройствах: конвективный, кондуктивный и радиационный. Для каждого устройства сравнения (компаратора) важным является создание условий, при которых будет минимизирована методическая погрешность. Присутствие датчика в тепловом поле приведет к его искажению и тем самым к погрешности измерений. Эта особенность особенно заметно проявляется в кондуктивном компараторе. Она обусловлена свойствами и конструкцией датчиков, а также способом их монтажа [2].
Для передачи единицы измерений датчикам теплового потока с минимальной методической погрешностью разработан кондуктивный компаратор, особенностью которого является наличие большого теплового сопротивление теплометрического блока. Это позволяет практически исключить искажающее влияние датчиков на тепловое поле.
«2
Тепловая модель измерения плотности теплового потока контактными датчиками приведена на рис. 1.
Тепловой поток, пронизывающий два материала, может быть определен по формуле:
Ч =т-Т2), (1)
где ТI - температура среды толщиной dl и теплопроводностью Х1, Т2 -температура среды толщиной d2 и теплопроводностью Х2, ^-коэффициент теплопередачи.
В этой системе температура Т \ > Т 2, что и задаёт направление потока.
Коэффициент к определяется следующим выражением:
(11 €¡2
<*1 а Ті
¿і ¿2
Ь
Рис. 1. Тепловая модель измерений теплового потока
к
1
1
---------1------------1-------------ь ■
оц 7^2 ОС-2
(2)
где а1, а2 - коэффициенты теплоотдачи на поверхности сред.
В случае их надёжного контакта с другими твёрдыми средами коэффициенты а1, а2 стремятся к бесконечности. В этом случае выражение (1) принимает вид:
^ \ ^2
к =
2
(3)
Тепловое сопротивление определяется формулой:
Л = -. (4)
Поэтому выражение (3) с учетом (4) принимает вид:
к = [К1+К2]
(5)
Таким образом, тепловой поток для рассматриваемой тепловой модели определяется выражением:
71-72
4 =
(6)
-1
Формула (6) определяет тепловой поток, создаваемый в кондуктивных компараторах, где используется принцип большого теплового сопротивления. Таким образом, если ))М2, то при наличии объекта с тепловым сопротивлением Я2, тепловой поток изменится, но незначительно [3]. Согласно
представленному
датчик.
принципу таким объектом может выступать поверяемый
Это принцип реализован в теплометрическом блоке, схема которого представлена на рис. 2.
Тепловой поток задаётся разностью значений температуры нагревателя (1) и холодильника (2). В качестве теплоизоляции выступают асбестовые (3) и поролоновые (4) плиты. Асбест предназначен для изоляции поролоновых слоев от зоны высокой температуры. Поролоновые плиты служат для создания необходимого теплового поля. Для выравнивания теплового поля в ячейке применена дюралевая плита (5). Контроль неоднородности осуществляется с помощью специального датчика (6). Компарируемые датчики теплового
потока помещаются в пространство между слоями поролона (7).
Тепловое сопротивление датчиков можно рассчитать по формуле (1): толщина d = 0,02 мм, теплопроводность X = 0,28 Вт/(м2*К), Я2 = 0,02/0,28 = 0,07 м3*К/Вт. Для выполнения принципа неизменности теплового потока Я1 теплоизоляции должно быть значительно больше Я2 датчика. В противном случае произойдет искажение теплового поля датчиком. Тепловой поток будет стремиться либо обогнуть датчик, либо сконцентрироваться в нем. В первом случае произойдет завышение коэффициента преобразования, во втором произойдет его занижение.
Предложенный принцип работает, если тепловое сопротивление теплоизоляции много больше теплового сопротивления датчика как минимум на два порядка. Можно произвести расчет применяемой теплоизоляции. В теплометрическом блоке применяется поролон толщиной d=50 мм и теплопроводностью Х=0,03 Вт/(м2*К), и асбестовая плита толщиной d=50 мм и теплопроводностью Х=0,05 Вт/(м2*К). Таким образом, тепловое сопротивление теплоизоляции, равное сумме тепловых сопротивлений поролона и асбестовых плит будет равно сумме:
Я1= 0,5/0,03 + 0,5/0,05=26,7 м3*К/Вт.
Тепловое сопротивление теплоизоляции в этом случае примерно в 380 раз больше теплового сопротивления датчика. Поэтому в области компарирования тепловое поле остаётся практически неизменным при размещении в нём датчика теплового потока.
Важным параметром кондуктивного компаратора является равномерность теплового поля и поэтому его требуется контролировать. Для этой цели был
спроектирован и изготовлен специальный датчик неоднородности теплового поля (ДНТП), схема которого приведена на рис. 3.
Он представляет собой систему из 16 независимых одиночных датчиков теплового потока,
размещенных на одной подложке.
Основой этих датчиков является тепловое сопротивление в виде слоя стеклотекстолита 1, а также дифференциальная термопара с термоэлектродами из медных и константановых проводников. Места контакта этих проводников 2 находится на расположенных
напротив друг друга зонах по двум сторонам текстолита.
Чувствительный элемент датчика имеет размер 33 х 33 см, позволяющий определить
неоднородность теплового поля в 16-ти точках рабочей камеры. ДНТП подключен к 16-ти канальному прецизионному преобразователю сигналов «Теркон».
Теплометрический блок является ключевым элементом кондуктивного компаратора. Блок- схема компаратора представлена на рис. 4.
5 6
/
Рис. 4. Блок схема компаратора теплового потока
1 - теплометрический блок, 2 - терморегулятор ТС48-24Я, 3 - термостат «Термотест 150», 4 - насос, 5 - измеритель «Теркон», 6 - компьютер
Для создания однородного теплового поля в теплометрическом блоке необходима стабилизация температуры нагревателя и холодильника.
4
Рис. 3. Схема датчика для контроля неоднородности теплового поля:
1 - текстолит с медной фольгой (толщина меди 0,03мм), 2 - место спаев меди и константа на. 3 - шлейф проводов, 4 -границы разделения текстолита на. зоны
Температурой нагревателя управляет терморегулятор 2. Температура холодильника привязана к температуре термостатированной жидкости, которая задаётся в термостате 3 и прокачивается циркуляционным насосом 4 через теплообменники холодильников теплометрического блока, соединённые последовательно. Измерительная информация с ДНТП или с компарируемых датчиков теплового потока поступает на входы каналов измерителя 5. Измеритель соединён по линии связи через ЯБ232 с ПК. Программное обеспечение позволяет архивировать данные, представлять измерительную информацию в графическом виде, дистанционно управлять процессом измерений.
Экспериментальное определение погрешности поверяемого датчика заключается в сравнении его сигнала с сигналом эталонного датчика при их размещении в рабочей камере теплометрического блока.
Разработанный компаратор позволяет проводить поверку одновременно нескольких датчиков различной формы с характерным поперечным размером до 300 мм, толщиной до 10 мм и с эффективной теплопроводностью более 0,2
-5
м *К/Вт в диапазоне плотности теплового потока от 5 до 150 Вт/м2 при температуре от 20 до 120 °С. Благодаря достаточно высокой однородности и стационарности теплового поля относительная погрешность передачи единицы плотности теплового потока не превышает 2,5%. Эта характеристика отвечает требованиям новой поверочной схемы для средств измерений поверхностной плотности теплового потока и нормативных документов в сфере энергосбережения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. МИ 1855-88. Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне 10...1000 Вт/м. Методические указания //- Введ. 1988—01—01 .М: Изд-во стандартов, 1988. - 5 с.
2. Непочатова А.В., Черепанов В.Я., Ямшанов В.А. Влияние свойств датчиков теплового потока на погрешность измерений // Сборник материалов
3. Международного научного конгресса «ГЕ0-Сибирь-2008». Т. 4. Ч. 2. Новосибирск: СГГА, 2008. - С .113-117.
4. Черепанов В.Я. Методы и средства метрологического обеспечения измерений параметров теплообмена и теплоносителя: дис. докт.техн.наук / Черепанов Виктор Яковлевич. - Новосибирск, 2005. - 297 с.
© Д.О. Пряшин, Д.П. Троценко, В.Я. Черепанов, 2010
