CC BY
44
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ В УСТАНОВКАХ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
Дмитрий Петрович Троценко
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.
Плахотного, 10, аспират кафедры метрологии, стандартизации и сертификации, тел.
(913)466-47-78, e-mail: trotsenkodmitry@yandex.ru
Виктор Яковлевич Черепанов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.
Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой метрологии,
стандартизации и сертификации, тел. (913)925-62-25, e-mail: cherepanov73@mail.ru
Владимир Алексеевич Ямшанов
Сибирский научно-исследовательский институт метрологии, 630104, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, начальник сектора теплофизических измерений, тел. (923)243-03-51
В статье рассмотрены вопросы повышения точности калибровки датчиков теплового потока. Предложена методика определения неоднородности теплового поля в установках, реализующих кондуктивный метод.
Ключевые слова: калибровка, неоднородность теплового поля, датчики теплового потока.
DEFINITION OF HETEROGENEITY OF THE THERMAL FIELD IN INSTALLATIONS FOR CALIBRATION OF SENSORS OF THE HEAT FLUX
Dmitry P. Trotsenko
Siberian State Academy of Geodesy, 10, Plakhotnogo, Novosibirsk, 630108, postgraduate student, department of metrology, standardization and certification, tel. (913)466-47-78, e-mail: trotsenkodmitry@yandex .ru
Victor Ya. Cherepanov
Siberian State Academy of Geodesy, 10, Plakhotnogo, Novosibirsk, 630108, doctor of science, director of department of metrology, standardization and certification, tel. (913)925-62-25, e-mail: cherepanov73@mail.ru
Vladimir A. Yamshanov
Siberian Scientifically Research Institute of Metrology, 4, Dimitrova ., Novosibirsk, 630104, engineer, head of department of thermalphysic measurement, tel. (923)243-03-51
In article questions of increase of accuracy of calibration of sensors of a heat flux. The technique of definition of heterogeneity of a thermal field in the installations realizing a method conductive is offered.
Key words: calibration, heterogeneity of a thermal field, sensors of a heat flux.
С развитием науки и техники тепловые измерения приобретают всё большее значение. Появляются задачи, для которых требуется высокая точность измерений теплового потока. Это приводит к необходимости не только разработки соответствующих методов и средств измерений, позволяющих свести к минимуму влияние погрешности, но к совершенствованию метрологического обеспечения этих измерений.
Тепловой поток, отнесённый к единице площади поверхности теплообмена, называется плотностью теплового потока. Для измерения этой физической величины получают всё большее распространение специальные измерительные преобразователи - накладные датчики теплового потока (ДТП).
Важнейшей метрологической характеристикой ДТП является коэффициент преобразования К, устанавливающий связь сигнала датчика Е с измеряемой плотностью теплового потока q д = К ■ Е. (1)
Коэффициент преобразования определяют экспериментально при калибровке на специальном оборудовании. Существует три метода калибровки: радиационный, конвективный и кондуктивный [1]. При плотности теплового
'у
потока менее 2000 Вт/м чаще всего используют кондуктивный метод.
Калибровка ДТП кондуктивным методом осуществляется посредством кондуктивных установкок (рис. 1).
а)
б)
а) установка, реализующая режим последовательного расположения ДТП относительно теплового потока; б) установка, реализующая режим параллельногорасположения ДТП
относительно теплового потока
Рис. 1. Схема кондуктивных установок
3
Кондуктивная установка состоит из теплоотдающей пластины 1, тепловоспринимающей пластины 2 и среды, через которую проходит тепловой поток 3.
В установке, работающей в режиме последовательного расположения ДТП относительно теплового потока, (рис. 1,а), эталонный 4 и калибруемый 5 датчики располагают один над другим. При таком расположении датчики пронизывает одинаковый тепловой поток. С точки зрения электротепловой аналогии [2] эталонный и калибруемый датчики являются тепловыми сопротивлениями для теплового потока, которые соединены последовательно.
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 (рис. 1,6). Если датчики располагаются в однородном тепловом поле, то их пронизывает одинаковый тепловой поток. Поэтому неоднородность теплового поля является важнейшей метрологической характеристикой этой разновидности установок, влияющей на погрешность передачи единицы плотности теплового потока.
В стационарном тепловом режиме неоднородность теплового поля можно определить выражением
дн = max(|т/ — тСр / тСр ) ■ 100%, (2)
где т1 = q2j/q1i, qu - плотность теплового потока в выбранной точке теплового поля, вокруг которой происходит определение неоднородности, q2i -плотность теплового потока в любой точке исследуемого теплового поля, I -номер исследуемой точки теплового поля, при I = 0, т0 = 1, п - количество
I ( \ п
исследуемых точек, тср = 1/ (п +1)- ^ шг .
/ г=0
Метод основан на одновременном измерении плотности теплового потока двумя датчиками. Первый датчик размещается в любой точке теплового поля и постоянно остается на одном и том же месте. Второй располагается вокруг первого датчика. По полученным отношениям плотностей тепловых потоков можно по формуле (2) определить неоднородность теплового поля.
Точность определении неоднородность теплового поля, посредством двух ДТП, зависит от их инструментальной погрешности. В связи с этим предлагается другая методика, позволяющая определить неоднородность теплового поля с минимальной погрешностью. Сущность методики заключается в более точном определении отнощенй плотностей теплового потока.
Предположим, что тепловой поток, создаваемый теплоотдающей и тепловоспринимающую поверхностями, пронизывает среду, в которой размещаются ДТП. Если материал среды неоднороден и имеет разное по объему тепловое сопротивление, то в различных точках объема плотность теплового потока будет неодинаковой. Для определения неоднородности теплового поля в двух точках среды, расположеных на плоскости, параллельной теплоотдающей и тепловоспринимающей поверхности, размещаются датчики теплового потока, рис. 2, а.
На рис. 2,а показано расположение датчиков № 1 (ДТП1) и № 2 (ДТП2). Если ДТП1 имеет коэффициент преобразования К1, а ДТП2 - коэффициент К2 их сигналы равны Е11 и Е21, то плотность теплового потока q11, определенная ДТП1, как следует из (1), равна q11 = К1Е11, а плотность теплового потока q21, определенная ДТП2, равна q21 = К2 Е21. Зная плотность теплового потока в
местах расположения датчиков, можно определить отношение т1 значении плотности теплового потока, пронизывающего эти участки
Ч 21
Ч11 '
(3)
а) б)
Рис. 2. Расположение датчиков теплового потока при определении неоднородности теплового поля
Затем датчики меняют местами и определяют соответствующие значения плотности теплового потока, которые будут равны q12 = К1Е12, q22 = К2 Е22,.
Перемещение может привести к изменению значения теплового потока, 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 № 1 и № 2, отношение т1 значений плотности теплового потока будет равно
Ч12 . (4)
т = ■
Ч22
Так как неоднородность теплового поля не изменяется до и после перемещения датчиков, то и отношения (3) и (4) будут равны
Чтл = Чі2_
Чи Чі2
Отсюда с учетом формулы (3) следует
(5)
Ч2Л
Чи
Ец V
Е11 Е12 Е21 Е22
(6)
Аналогичным образом можно определить отношения плотностей теплового потока ті и для других мест расположений ДТП № 2.
Эта методика позволяет определить неоднородность теплового поля посредством двух датчиков относительно любой произвольно выбранной точки в плоскости тепловоспринимающей или теплоотдающей пластин.
Описанная методика была опробована следующим образом. Для этой цели использовались датчики теплового потока ДТП № 3530 (ДТП1) и ДТП № 3528 (ДТП2). Датчики были расположены в соответствии с рис. 2, а. В стационарном
Л
тепловом режиме при плотности теплового потока около 300 Вт/м были получены сигналы датчиков: Е11 = 10,773 мВ, Е21 = 10,156 мВ. После перемещения датчиков на новые места (рис.2, б) сигналы датчиков изменились и составили Е12 = 10,653 мВ, Е21 = 10,269 мВ.
С учётом этих сигналов, в соответствии с формулой (6), значение m1 составило 1,011, mср = 1,006. Подстановка этих значения в (2) дает значение характеристики дн неоднородности теплового поля, равное 0,6 %.
Особенность предложенной методики заключается в том, что достигается высокая точность определения неоднородности теплового поля даже при использовании датчиков с неизвестными коэффициентами преобразования.
Погрешность методики определяется, главным образом, постоянством отношения т1 значений плотности теплового потока в местах расположения ДТП1 и ДТП2. В зависимости от свойства среды, в которой размещены ДТП, это отношение до и после перестановки может отличаться. Это и является основным источником погрешности определения неоднородности теплового поля которая при условии постоянства отношения т1 в пределах ±1 %, не превышает 1 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. МИ 1855-88. Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне 10...1000 Вт/м2. Методические указания // Введ. 1988 - 01 - 01. - М: Изд-во стандартов, 1988. - 5 с.
2. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи: пер. с англ./ Ф. Крейт, У. Блэк- Мир. -М., 1983 - 512 с.
© Д.П. Троценко, В.Я. Черепанов, В.А. Ямшанов, 2012
