CC BY
30
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДИКИ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В УСЛОВИЯХ НЕОДНОРОДНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ
Дмитрий Петрович Троценко
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры «Метрология, стандартизация и сертификация», тел. (913)466-47-78, e-mail: trotsenkodmitry@yandex.ru
Виктор Яковлевич Черепанов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, профессор кафедры «Метрология, стандартизация и сертификация», тел. 8(383)361-07-45, e-mail: kaf.metrol@ssga.ru
Владимир Алексеевич Ямшанов
Сибирский научно исследовательский институт метрологии, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, начальник сектора «Метрологическое обеспечение теплофизических измерений», тел.8(383)210-20-03, e-mail: tphys@sniim.nsk.ru
В статье описываются конкретные случаи применения методики калибровки датчиков в условиях неоднородности теплового поля. Приводятся условия, при которых проводились исследования. Рассчитана погрешность калибровки датчиков.
Ключевые слова: датчики теплового потока, коэффициент преобразования, неоднородность теплового поля.
EXPERIENCE APPLICATION OF THE TECHNIQUE OF CALIBRATION OF SENSORS OF THE HEAT FLUX AT THEY ARE IN THE CONDITIONS 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
Victor Ya. Cherepanov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10, Plakhotnogo, professor, department of metrology, standardization and certification, tel. 8(383)361-07-45,
e-mail: kaf.metrol@ssga.ru
Vladimir A. Yamshanov
Siberian scientifically research institute of metrology, Russia, Novosibirsk, Dimitrov Ave., 4, chief of sector «Мetrological ensuring heatphysical measurements», tel.8(383)210-20-03,
e-mail: tphys@sniim.nsk.ru
In article concrete cases of application of a technique of calibration of sensors in the conditions of heterogeneity of a thermal field are described. Conditions under which researches were conducted are given.
Key words: sensors of heat flux, a coefficient of transformation, a heterogeneity of a thermal
field.
Обеспечение единства измерений плотности теплового потока достигается при проведении метрологических операций, таких как поверка и калибровка. Наибольшее распространение получили три метода передачи единицы плотности теплового потока - радиационный, конвективный и кондуктивный [1]. Чаще всего при калибровке датчиков теплового потока (ДТП) в диапазоне от 2 2
10 Вт/м - 1000 Вт/м применяется кондуктивный метод. При этом методе калибровки датчики могут быть расположены параллельно (режим параллельного расположения; рисунок 1, а), так и последовательно относительно распространения теплового потока (режим последовательного расположения, рис. 1, б).
1 3
|||||||||||||||||||||||||||||||||
1 - теплоотдающая пластина, 2 - тепловоспринимающая пластина, 3 - рабочая среда,
4 - эталонный датчик, 5 - калибруемый датчик
Рис. 1. Схемы кондуктивных установок: а) установка, реализующая режим последовательного расположения; б) установка, реализующая режим
параллельного расположения
Режим параллельного расположения позволяет одновременно проводить калибровку большого количества датчиков. Наряду с высокой производительностью метода, реализующего режим параллельного расположения датчиков, имеются определенные трудности в его применении. Прежде всего, это необходимость учета неоднородности формируемого установкой теплового поля, а также собственного теплового сопротивления датчика и контактного теплового сопротивления между датчиком и средой, в которой он расположен [2]. Для решения проблемы учёта неоднородности была разработана специальная методика калибровки датчиков (МКД) [3].
Для проверки работоспособности МКД была изготовлена специальная рабочая среда, в которой размещаются датчики. Она представляет собой материал, близкий к теплопроводности датчиков, на поверхности которого сформованы ячейки для их размещения (рис. 2).
Калибровка датчиков по МКД осуществляется в соответствии с идеей фиксированного теплового сопротивления рабочей среды, согласно которой, датчики при калибровке располагают строго в отведенных местах (ячейках). Каждая ячейка имеет фиксированное тепловое сопротивление по отношению к источнику теплового потока. Важным условием является постоянство контактного теплового сопротивления между рабочей поверхностью датчика и дном ячейки. Его изменение не должно быть значительным, поскольку это приведёт
к погрешности определения коэффициентов преобразования датчиков. Для проверки этого постоянства было проведено многократное определение коэффициента преобразования датчика.
1 - рабочая среда; 2 - ячейки калибруемых датчиков; 3 - ячейка эталонного датчика;
4 - каналы для вывода проводов; 5 - датчик температуры
Рис. 2. Схема расположения датчиков в рабочей среде
На примере ячейки № 3 показаны результаты измерений. Для калибровки был выбран датчик № 3532. В качестве эталонного датчика использовался № 3537. Датчики имели одинаковую толщину - 1,85 мм. Коэффициент преобразования определялся при плотности теплового потока в 210 Вт/м и температуре 32 °С. Полученные значения коэффициента преобразования представлены в табл. 1.
Таблица 1
№ К3532, Вт/(мВ*м2) К3532 ср, Вт/(мВ*м2) Отклонение от К0 не более, % СКО, Вт/(мВ*м2)
Опыт 1 31,41
Опыт 2 31,74
Опыт 3 31,65
Опыт 4 31,62
Опыт 5 31,56 31,64 0,8 0,04
Опыт 6 31,50
Опыт 7 31,65
Опыт 8 31,68
Опыт 9 31,68
Опыт 10 31,89
Среднее квадратическое отклонение полученных в десяти опытах значений составляет около 0,1 %. Это свидетельствует о достаточно стабильном контактном тепловом сопротивлении. Коэффициент преобразования датчика № 3532 был определен ранее с помощью эталонного кондуктивного компаратора и его
л
значение составило К0=31,60 Вт/(мВ-м ). Отличие этого коэффициента от среднего значения коэффициента, полученного в этих опытах, менее 1%.
С помощью МКД были определены значения коэффициента преобразования датчика № 3532 в других ячейках рабочей среды. Результаты измерений представлены в таблице 2. Очевидно, что отклонение значений коэффициента преобразования в ячейках 2, 4, 5, 6, от значения 31,60 Вт/м превышает допустимое значение (1,0 %). Было выяснено, что причиной является разная глубина ячеек. Для устранения этой причины предложено выравнивать их глубину с помощью алюминиевых дисков толщиной 0,015 мм. Для выравнивания глубины ячеек 2, 4, 5, 6 было определено необходимое количество таких дисков. После их установки в ячейки были получены результаты, приведённые в таблице 3.
Таблица 2 Таблица 3
Изме- нение Количе- ство дисков, шт. К3532 ср, Вт/(мВ-м2) Отклонение от К0, %
Ячейка 2 Было 0 32,26 2,1
Стало 1 31,85 0,8
Ячейка 4 Было 0 32,01 1,3
Стало 1 31,76 0,5
Ячейка 5 Было 0 32,77 3,7
Стало 4 31,73 0,4
Ячейка 6 Было 0 32,42 2,6
Стало 2 31,79 0,6
№ Ячей- ки К3532, Вт/(мВ-м2) Отклонение от К0, %
1 31,66 0,2
2 32,26 2,1
3 31,73 0,4
4 31,85 1,3
5 32,77 3,7
6 32,42 2,6
7 31,73 0,4
8 31,88 0,9
9 31,28 -1,0
10 31,82 0,7
Очевидно, что при выравнивании глубин ячеек значение коэффициента преобразования отличается от эталонного значения К0 не более чем на 1,0%.
Таким образом, подтверждено, что причиной больших значений погрешности, приведённых в таблице 2, является наличие воздушных зазоров между поверхностью датчика и поверхностью ячейки. Их появление вызвано не только разными глубинами ячеек, где расположен эталонный 1 и калибруемый 2 датчики (ИЭ<Ик, при ^э=^к), но и вследствие их разной толщины (йэ>йк при ИЭ =Ик), рис. 3.
1 2 1 2
/V».;/ V —^ / V-' ■ 1 ^ - І
• . , ' ^ ' тэ • • '.О'. 'Ч_' ■■':[ ■ ^ *
Я |> * •.г". * Л , .. * * 1 Л ■ '9 ' . * * '' ' г ^3 1
Рис. 3. Причина появления воздушных зазоров Для подтверждения этого проведена калибровка датчика ДТП 3530 толщиной 1,81 мм. Для уравнивания его толщины с толщиной эталонного датчика (1,85 мм) также использовались алюминиевые диски. Необходимое количество дисков рассчитывалось по формуле
где ¿4 - толщина эталонного датчика; ¿4 - толщина калибруемого датчика; ¿4
толщина алюминиевого диска.
Полученные результаты приведены в таблице 4.
Таблица 4
Толщина ДТП, мм Количество дисков, шт. Суммарная толщина, мм К3530 , Вт/(мВ-м2) Кср Вт/(мВ-м2) Отклонение от Кср, %
ДТП 3530 1,81 0 1,810 31,5 29,9 5,2
1 1,825 30,3 1,5
2 1,840 30,0 0,4
3 1,855 29,5 -1,4
Очевидно, что при суммарной толщине датчика и дисков, равной 1,84 мм, наиболее близкой к толщине эталонного датчика, достигается наименьшая погрешность калибровки ДТП № 3530.
Таким образом, опыт применения МКД на практике выявило необходимость устранения воздушных зазоров между поверхностями датчиков и ячеек, которые обусловлены различием, соответственно, их толщины и глубины.
Предложенная методика обеспечивает погрешность передачи единицы плотности теплового потока менее ±1,0 %. С учётом погрешности коэффициента преобразования эталонного датчика (+1,0 %) суммарная погрешность калибровки составит при этом не более ±2,0 %. Такое значение погрешности позволяет использовать предложенную методику для массовой калибровки средств измерений теплового потока при их выпуске из производства и при эксплуатации.
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
2. Троценко Д.П. Определение неоднородности теплового поля в установках для калибровки датчиков теплового потока/Д.П. Троценко, В.Я. Черепанов, В.А. Ямшанов// ГЕО-СИБИРЬ-2012. Т.2 Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии: сб. матер. VIII Международные научный конгресс и выставка «ИНТЕРЭКСПО ГЕ0-СИБИРЬ-2012», Новосибирск: СГГА, 2012. - С 164-168.
3. Троценко Д.П. Исключение влияния неоднородности теплового поля при калибровке датчиков теплового потока/ Д.П. Троценко// Вестник СГГА. - 2012. - № 3 (19). - С. 124 - 128.
© Д.П. Троценко, В.Я. Черепанов, В.А. Ямшанов, 2013
