CC BY
81
Метрология и метрологическое обеспечение
МЕТРОЛОГИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
УДК 536.6
ТЕПЛОМЕТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ЭТАЛОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ ПОВЕРКИ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
Надежда Анатольевна Курбатова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры метрологии, стандартизации и сертификации СГГА, тел. (383)361-07-45, e-mail: milana-maria@mail.ru
Виктор Яковлевич Черепанов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой метрологии, стандартизации и сертификации СГГА, тел. (383)361-07-45, e-mail: cherepanov73@mail.ru
Разработана теплометрическая измерительная установка, позволяющая исследовать радиационно-конвективный метод. Приведены результаты поверки нового высокотемпературного датчика теплового потока.
Ключевые слова: датчик теплового потока, поверка, плотность теплового потока, радиационно-конвективный метод.
CALORIMETRIC DEVICE STANDARD FOR HEAT FLUX SENSORS CALIBRATION
Nadezhda A. Kurbatova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., a postgraduate student, of Metrology, Standardization and Certification department, tel. (383)361-07-45, e-mail: milana-maria@mail.ru
Victor Ya. Cherepanov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph.D., head of the department of Metrology, Standardization and Certification, tel. 383 3610745, e-mail: cherepanov73@mail.ru
The teplometrical measuring installation allowing to investigate radiatsionno-convective method is developed. Results of checking of the new high-temperature heat flux sensors are resulted.
87
Метрология и метрологическое обеспечение
Key words: specific heat flow, verification, heat flux sensors, radiatsionno-convective method.
Важнейшей физической величиной, характеризующей интенсивность теплообмена, является тепловой поток. Для измерений этой величины все большее распространение получают средства теплометрии, основанные на использовании накладных датчиков теплового потока.
Технической основой метрологического обеспечения средств теплометрии является Государственный первичный эталон единицы поверхностной плотности теплового потока ГЭТ 172-2008, обеспечивающий ее воспроизведение и передачу в диапазоне от 10 до 5 000 Вт/м при значениях температуры от 200 до 420 К [1]. Этот эталон заменил действующую с 1988 г. установку высшей точности УВТ 53-А-88 и соответствующую поверочную схему МИ 1855-88, которые обеспечивали единство измерений в диапазоне от 10 до 2 000 Вт/м при температуре от 200 до 400 К (рис. 1).
q, Вт/м2 104
103
102
101
100
200
300
400
Т, К
0
Рис. 1. Диапазоны значений плотности теплового потока и температуры, воспроизводимые и передаваемые УВТ 53-А-88 (МИ 1855-88),
ГЭТ 172-2008 и новой поверочной схемой:
«WWWWWWW
«WWWWWWW
«WWWWWWW
«WWWWWWW
«WWWWWWW
УВТ 53-А-88;
ГЭТ 172-2008; ма
новая поверочная схе-
В настоящее время находится на утверждении новая поверочная схема, возглавляемая эталоном ГЭТ 172-2008, в которой предусматривается расширенный диапазон (от 1 до 10 000 Вт/м ) воспроизводимых и передаваемых зна-
88
Метрология и метрологическое обеспечение
чений. Такое расширение диапазона в область малых значений вызвано потребностью определения качества современных теплозащитных конструкций зданий и сооружений. Измерения высоких значений плотности теплового потока востребованы на предприятиях атомной энергетики, химической технологии, в ракетостроении и в других сферах, использующих высокоэнергетические объекты и установки.
Для «привязки» передаваемых первичным эталоном значений плотности теплового потока в расширенный диапазон ведутся разработки и исследования новых методов воспроизведения и передачи, а также создание соответствующих эталонных установок [2]. В данной работе приведены результаты создания и исследования эталонной радиационно-конвективной теплометрической установки в диапазоне от 1 000 до 10 000 Вт/м . Основной задачей такой установки является определение коэффициента преобразования К, устанавливающего связь между плотностью q теплового потока, проходящего через датчик, и его электрическим сигналом (термоЭДС) Е:
К = 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.
При высоких значениях плотности теплового потока наиболее часто используются поверочные установки, основанные на радиационном методе. Поверка осуществляется путем сравнения показаний поверяемых и эталонного датчиков при воздействии на них радиационного теплового потока одинаковой плотности. 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. Недостатками этого метода являются возможность возникновения погрешностей, обусловленных неидентичностью геометрии и свойств поверяемых и эталонного датчиков, приводящая к неодинаковости взаимодействия теплового излучения с их поверхностью. Кроме этого, для осуществления такого метода поверки необходимо иметь эталонный датчик высокой точности.
При осуществлении абсолютного радиационного метода, не имеющего таких недостатков, необходимы излучатели теплового потока известной мощности, в качестве которых могут быть использованы модели абсолютно черного тела (АЧТ). Чаще всего такие излучатели конструктивно выполняют в виде горизонтальной трубчатой печи, внутри которой помещают 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.
89
Метрология и метрологическое обеспечение
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 < s < 1. Значение этого коэффициента для моделей АЧТ находят обычно расчетным путем на основании данных по геометрическим параметрам излучателя и однородности его температурного поля. Наиболее удачные конструкции АЧТ имеют расчетное значение s более 0,99. Тепловой поток на выходе излучателя определяется при этом по закону Стефана - Больцмана
q = sa(ro4 -1^ ), (2)
где а - константа Стефана - Больцмана; To, Тд - значения абсолютной температуры излучателя и поверяемого датчика.
Недостатком таких излучателей является то, что учесть конвективную составляющую теплообмена практически невозможно. Для исключения конвективной составляющей необходим вакуум, что существенно усложняет конструкцию установки и её эксплуатацию.
Поэтому актуальной является задача создания тепловых излучателей с измеряемым, а не с расчетным значением создаваемого теплового потока, а также позволяющих проводить поверку в условиях атмосферы при наличии конвективного теплообмена.
Основой решения этой задачи является идея использования методов и средств адиабатической калориметрии для формирования одномерного теплового потока заданной плотности.
Адиабатический метод калориметрии основан на тепловом взаимодействии двух тел - ядра и окружающей его оболочки (рис. 2) [3]. Связь между ними обычно характеризуется тепловым потоком Q^, интенсивность которого зависит от свойств поверхности тел и разделяющей их среды (теплопроводности Л, коэффициентов теплоотдачи а и теплового излучениям).
90
Метрология и метрологическое обеспечение
Рис. 2. Замкнутая адиабатическая оболочка (ТЭ = ТО, Q^ = 0) Уравнение баланса тепловых потоков в системе «ядро - оболочка» имеет
вид
dT0
Р0 (т) - Q2 (т0 ,гэ ,Л,а,е) = С(То)—°, (3)
dT
где Ро (т) - поток, сформированный источником тепла, например, электрическим нагревателем, расположенным в ядре; Q^ (ТО, ТЭ, А, а, ё) - тепловой поток, образованный теплообменом между ядром и оболочкой; С(ТО) - полная теплоемкость ядра измерительной ячейки; dT0Шт- скорость изменения температуры ядра.
В адиабатическом методе поток Q^ сводится к минимуму за счет того, что
температура ТЭ адиабатической оболочки поддерживается равной температуре образца ТО путем регулирования мощности нагревателя оболочки.
Остаточный тепловой поток Q^ между ядром и оболочкой в случае, когда
AT = To - Тэ ^ 0, является суммой потока Qx, обусловленного теплопроводностью среды между ядром и оболочкой, теплового потока Qa, обусловленного конвективной составляющей (в случае газовой среды) и радиационным тепловым потоком Qs (в случае прозрачной среды)
QX = Qx + Qa + Qe. (4)
Здесь
Qx=X ATF; Qa = аД TF; Qe=ae, T - тЭ )f , (5)
где d - толщина слоя среды; F - площадь взаимного облучения ядра и оболочки.
91
Метрология и метрологическое обеспечение
Для близких значений ТО и ТЭ тепловое сопротивление среды между ядром и оболочкой Rz, равное отношению AT к плотности теплового потока qz = Qz/F, имеет вид
R
z
4+ а + 4 asT 3 d о
(6)
В табл. 1 приведены расчетные значения Rz для различных вариантов заполнения пространства между ядром и оболочкой.
Анализ таблицы показывает существенный вклад радиационной составляющей теплообмена, сильно возрастающий с ростом температуры. В этой ситуации целесообразно вместо вакуумирования среды использовать непрозрачные для излучения теплоизоляционные материалы и, прежде всего, экранновакуумную изоляцию.
Таблица 1
Значения суммарного теплового сопротивления Rz между ядром и оболочкой для различных сред (s= 0 - непрозрачная среда, а = 0 - вакуум или твердотельная изоляция)
Среда Вт/(м-К) d, мм а, Вт/(м2-К) s То , К Rz, (м2-К)/Вт
Вакуум (5-10-5мм рт. ст.) 0 3 0 0,05 200 11,1
« 0 3 0 0,05 400 1,37
« 0 3 0 0,05 800 0,17
« 0 3 0 0,05 1 300 0,04
Воздух (760 мм рт. ст.) 0,03 3 5 0,05 200 0,04
« 0,03 3 10 0,05 400 0,01
Стеклотекстолит 0,3 3 0 0 200 0,01
Экранно-вакуумная изоляция 3-10-5 3 0 0 200 100
Пенопласт 0,06 3 0 0 200 0,05
Если задать в рамках решаемой измерительной задачи значение мощности Ро и значений АТ погрешности поддержания равенства температуры ядра
и оболочки, то относительная погрешность определения мощности, расходуемой на нагрев ядра, равна
Sp =
ATF
(7)
92
Метрология и метрологическое обеспечение
Для наиболее эффективной экранно-вауумной изоляции при Po = 1 Вт, AT = 10 мК, F = 1 • 10-2 м2, Rz = 100 (м2^К)/Вт получаем dp = 10-4 %, для воздуха (Rz = 0,04) - 0,4 %.
Полученные оценки справедливы только в условиях стационарного режима системы «ядро - оболочка», когда скорость изменения температуры dTO/dr^ 0.
Рассмотренный пример демонстрирует возможность достижения высокой точности измерения тепловой мощности, выделяемой в ядре, в том числе и при наличии воздушного зазора между ядром и оболочкой. Однако для этого необходимо выполнение условий не только адиабатичности, но и стационарности.
Адиабатические измерительные технологии применены в Государственном первичном эталоне ГЭТ 172-2008. Для формирования эталонного теплового потока был использован вариант адиабатической оболочки, отличающийся тем, что измерительная ячейка содержит ядро в виде плоского нагревателя, который с одной стороны окружен адиабатической оболочкой, а его другая сторона открыта и обращена в окружающее пространство или прижата к объекту исследования - датчику теплового потока (рис. 3). В зависимости от требований к погрешности измерений в качестве среды между ядром и оболочкой можно использовать вакуум или воздух.
Рис. 3. Открытая (полуадиабатическая) оболочка (ТЭ1 = ТО, РО = Q2)
Такой «полуадиабатический» метод принято называть методом открытой адиабатической оболочки. Этот метод также перспективно использовать при создании поверочной теплометрической установки эталонного назначения для высоких значений плотности теплового потока. При этом ядро измерительной ячейки выполняется в виде теплового излучателя [4].
Схема теплометрической установки, реализующей такой метод, представлена на рис. 4.
Установка работает следующим образом. Поверяемый датчик 1 помещают в теплоизолирующее кольцо 2, расположенное на выходном отверстии излучателя 4. На внешнюю поверхность датчика, для стабилизации его температуры, устанавливают сосуд с тающим льдом 16. К нагревателю теплового излучате-
93
Метрология и метрологическое обеспечение
ля 5 подводят электрическую мощность Ро от источника питания 10, определяемую измерителем 9. С помощью регулятора 11 устанавливают мощность нагревателя 13 экрана 12, при которой эта температура становится равной температуре излучателя. Равенство температур определяют по показаниям датчиков температуры 14 и 15. В этом случае подводимая к тепловому излучателю 4 электрическая мощность Ро, преобразуясь в тепло, создает равный ей тепловой поток Qq.
Для выполнения этого равенства необходимо соблюсти условия:
адиабатичности АТ = Т0 - Тэ = 0; (8)
стационарности dT° = о. (9)
dr
94
Метрология и метрологическое обеспечение
Рис. 4. Схема радиационно-конвективной поверочной установки
2 2 для диапазона от 1 000 Вт/м до 10 000 Вт/м :
1 - поверяемый датчик; 2 - теплоизолирующее кольцо; 3 - милливольтметр; 4 - излучатель; 5 - нагреватель излучателя; 6 - теплообменник; 7 - теплоизолирующий кожух; 8 - источник питания; 9 - измеритель электрического тока и напряжения; 10 - источник питания; 11 -регулятор; 12 - экран; 13 - нагреватель экрана; 14 - датчик температуры экрана; 15 - датчик температуры излучателя; 16 - сосуд со льдом
Так как поверяемый датчик 1 расположен вблизи выходного отверстия излучателя и перекрывает его, то плотность теплового потока qo, проходящего через датчик, можно рассчитать по формуле
qo = Qo/Fo = Pal Fa , (10)
где Fo - площадь датчика.
Следовательно, измеряя мощность теплового излучателя, площадь датчика, а также его сигнал Е, измеряемый милливольтметром 3, рассчитывают значение его коэффициента преобразования К по формуле:
К = Р„/ F оЕ. (11)
Испытания данной установки показали, что скорость изменения температуры излучателя в установившемся режиме составляет 0,02 °С/мин, а разность температуры между излучателем и экраном - не более 0,05 °С.
Для исследований созданной установки был разработан специальный датчик плотности теплового потока высоких значений. Датчик состоит из двух фольгированных стеклотекстолитовых дисков диаметром 27 мм и общей толщиной 0,25 мм. Для измерения перепада температуры датчик снабжен тремя парами соединенных последовательно дифференциальных медь-константановых термопар.
Коэффициент преобразования такого датчика определялся на двух установках тремя разными методами. Полученные результаты приведены в табл. 2.
Результаты испытаний
Таблица 2
Методы и средства измерений К, кВт/(м2мВ)
Метод непосредственного сличения на кондуктивном компараторе 15,2
Метод прямого измерения на радиационно-конвективной 15,7
95
Метрология и метрологическое обеспечение
установке
Метод непосредственного сличения на радиационноконвективной установке 15,4
Метод непосредственного сличения был реализован в кондуктивном компараторе КТМ-01, работа которого основана на сравнении показаний поверяемого и эталонного датчиков, при прохождении через них теплового потока одинаковой плотности (500 и 1 000 Вт/м ).
Тепловой поток в компараторе создается за счет разности температуры нагревателя и холодильника, между которыми помещены в виде «сэндвича» оба датчика последовательно по отношению к тепловому потоку.
Если поверяемый и эталонный датчики имеют одинаковый диаметр, то коэффициент преобразования Кх поверяемого датчика рассчитывают по формуле
К
x
К 0 • Е0
Е
х
(12)
где К о, Ео - коэффициент преобразования и сигнал эталонного датчика, соответственно; Ех - сигнал поверяемого датчика.
Метод прямого измерения был реализован на радиационно-конвективной установке, описанной выше. Коэффициент преобразования в этом случае рассчитывают по формуле (11). Плотность теплового потока составляла 5 000 Вт/м . Мощность, подводимая к излучателю, составляла около 3 Вт. В этом случае относительная погрешность определения мощности, расходуемой на нагрев излучателя, согласно формуле (7), составляет менее 2 %.
На радиационно-конвективной установке был также реализован метод непосредственного сличения при последовательном расположении поверяемого и эталонного датчиков относительно теплового потока.
По результатам испытаний видно, что самое большое расхождение между полученными коэффициентами преобразования составляет 3,2 %, что соответствует требованиям новой поверочной схемы к эталонным теплометрическим установкам.
Важным преимуществом созданной радиационно-конвективной установки, в отличие от аналогичных, является возможность поверки датчиков теплового потока без использования эталонного датчика. При этом теплообмен поверяемых датчиков с внешней средой максимально приближен к условиям их эксплуатации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Государственный первичный эталон единицы поверхностной плотности теплового потока / О.М. Лозинская, Н.И. Рыбак, В.Я. Черепанов, Э.М. Шейнин, В.А Ямшанов // Измерительная техника. - 2009. - № 10. - С. 52-55.
96
Метрология и метрологическое обеспечение
2. Курбатова Н.А. Исследование температурной зависимости коэффициента преобразования датчиков теплового потока радиационно-конвективным методом // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 5, ч. 2. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии: сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса. - Новосибирск: СГГА, 2011. -С.242-245.
3. Черепанов В.Я. Адиабатический метод формирования и измерения тепловых потоков в эталонах физических величин // ГЕО-Сибирь-2006. Т. 4, ч. 2. Специализированное приборостроение, метрология: сб. матер. Междунар. научн. конгресса. - Новосибирск: СГГА, 2006. - С. 201-206.
4. Курбатова Н.А., Черепанов В.Я. Радиационный метод поверки датчиков теплового потока на основе адиабатического излучателя // ГЕО-Сибирь-2010. Т. 5, ч. 2. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии: сб. матер. VI Междунар. научн. конгресса. - Новосибирск: СГГА, 2010. - С. 118-123.
Получено 23.05.2011
© Н.А. Курбатова, В.Я. Черепанов, 2011
УДК 681.783.25
СНИИМ - СГГА В МЕЖДУНАРОДНОМ ПРОЕКТЕ EOPCPPP (EARTH ORIENTATION PARAMETERS COMBINATION OF PREDICTION PILOT PROJECT)
Виктор Мартынович Тиссен
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры метрологии, стандартизации и сертификации СГГА, тел. (383)361-04-71, e-mail: tissen@mail.ksn.ru
Статья посвящена проблемам прогнозирования параметров вращения Земли и результатам, полученным за 9-месячный период участия Сибирского НИИ метрологии (СНИИМ) и Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) в экспериментальном международном пилотном проекте EOPCPPP.
Ключевые слова: вращение Земли, движение полюсов, прогнозирование, трендовые изменения, гармоническая модель, авторегрессия, оценка СКП, международный проект, сравнение.
SNIIM - SSGA - IN THE INTERNATIONAL PROJECT EOPCPPP (EARTH ORINTATION PARAMETERS COMBINATION OF PREDICTION PILOT PROJECT)
Victor M. Tissen
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph.D., senior lecturer, the department of Metrology, Standartization and Certification SSGA, tel. (383)361-04-71, e-mail: tissen@mail.ksn.ru
97
