Способ градуировки датчика теплового потока и устройство для его осуществления

 

1. Способ градуировки датчика теплового потока, включающий предварительный перегрев нагревательного блока относительно теплоприемника, размещение датчика теплового потока между нагревательным блоком и теплоприемником, измерение теплового потока и сигнала с датчика, отличающийся тем, что, с целью повышения точности градуировки, датчик теплового потока устанавливают на нагревательном блоке, теплоприемник подводят к датчику теплового потока и после окончания переходных процессов в датчике измеряют скорость нагрева теплоприемника, по которой судят о величине теплового потока. 2.Устройство для градуировки датчика теплового потока, содержащее нагревательный блок, теплоприемник и измерительный блок, отличающееся тем, что в него введены узел перемещения теплоприемника и адиабатическая оболочка теплоприемника, который выполнен в виде пластины из высокотеплопроводного материала, причем контактная поверхность пластины по конфигурации и размерам совпадает с теплообменной поверхностью датчика теплового потока. 3.Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в него введено регулируемое термическое сопротивление. СЛ о со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(58 i G 0i 19 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ!

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

40иг. 1 (21) 3516777/18-10 (22) 01. 12.82 (46) 23.02.84. Бюл. № 7 (72) В. П. Морозов и Т. В. Белкина (71) Государственное специальное конструкторское бюро теплофизического приборостроенияя (53) 536.532 (088.8) (56) 1. Геращенко О. А. Основы теплометрии

Киев, «Наукова думка», 1971, с. 134.

2. Начкебия Б. Г.,Морозов В. П., Белкина Т. В., Новиков Н. Г. Установка для градуировки преобразователей теплового потока. — «Промышленная теплотехника», 1982, т. 4, № 1, с. 42-47 (прототип). (54) СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ДАТЧИКА

ТЕПЛОВОГО ПОТОКА И УСТРОИ" СТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ градуировки датчика теплового потока, включающий предварительный перегрев нагревательного блока относительно теплоприемника, размещение датчика теплового потока между нагревательным блоком и теплоприемником, измерение тепловоÄÄSUÄÄ 1075091 А го потока и сигнала с датчика, отличающийся тем, что, с целью повышения точности градуировки, датчик теплового потока устанавливают на нагревательном блоке, теплоприемник подводят к датчику теплового потока и после окончания переходных процессов в датчике измеряют скорость нагрева теплоприемника, по которой судят о величине теплового потока.

2. Устройство для градуировки датчика теплового потока, содержащее нагревательный блок, теплоприемник и измерительный блок, отличающееся тем, что в него введены узел перемещения теплоприемника и адиабатическая оболочка теплоприемника, который выполнен в виде пластины из высокотеплопроводного материала, причем контактная поверхность пластины по конфигурации и размерам совпадает с теплообменной поверхностью датчика теплового потока.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в него введено регулируемое термическое сопротивление

1075091

Способ осуществляют устройством для градуировки датчика теплового потока, содержащем нагревательный блок, теплоприемник и измерительный блок. В известном устройстве нагревательный блок выполнен в виде пассивного тела с встроенным электронагревателем, а тепловой поток измеряется 35 при помощи эталонного датчика типа «вспомогательная стенка» (2).

Известный способ имеет низкую точность градуировки обусловленную тем, что необходима предварительная, калибровка эта40 лонного датчика и необходим учет контактных термических сопротивлений между эталонным датчиком и блоком, в котором он размещен. Кроме того, в известном способе необходим учет пространственной разности температур, что в совокупности снижает точ- 45 ность градуировки.

Целью изобретения является повышение точности градуировки.

Изобретение относится к теплометрии и может быть использовано для градуировки датчиков теплового потока при их производстве и эксплуатации.

Известен способ градуировки датчика теплового потока путем установки градуируемого датчика на предварительно откалиброванный тепломер, измерения теплового потока, проходящего через датчик по показаниям тепломера, и сигнала с датчика (1).

Недостатком известного способа является низкая точность градуировки вследствие того, что тепловой поток, пронизывающий датчик, приходится определять на основании предварительно полученной калибровочной характеристики тепломера.

Кроме того, необходимо точно компенсировать боковые теплопотери с нагревателя, а это вносит дополнительные ошибки в измерения и снижает точность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ градуировки датчика теплового потока, включающий предварительный перегрев нагревательного блока относительно теплоприемника, размещение датчика теплового потока между нагревательным блоком и теплоприемником, измерение теплового потока и сигнала с датчика (2).

Для достижения поставленной цели согласно способу градуировки датчика теплового потока, включающему предварительный перегрев нагревательного блока относительно теплоприемника, размещение датчика теплового потока между нагревательным блоком и теплоприемником, измерение теплового потока и сигнала с датчика, датчик теплового потока устанавливают на нагревательном блоке, теплоприемник подво5

t5

25 дят к датчику теплового потока, и после окончания переходных процессов в датчике теплового потока измеряют скорость нагрева теплоприемника, по которой судят о величине теплового потока.

Кроме того, в устройство для градуировки датчика теплового потока, содержащее нагревательный блок, теплоприемник и измерительный блок, введены узел перемещения теплоприемника и адиабатическая оболочка теплоприемника, который выполнен в виде пластины из высокотеплопроводного материала, причем контактная поверхность пластины по конфигурации и размерам совпадает с теплообменной поверхностью датчика теплового потока.

Г1ри этом устройство снабжено дополнительно регулируемым термическим сопротивлением.

На фиг. 1 показано устройство для осуществления способа градуировки датчика теплового потока; на фиг. 2 — изменение во времени параметров устройства в процессе градуировки.

Устройство содержит нагревательный блок 1 с встроенным нагревателем 2, теплоприемник 3 выполненный в виде пластины из высокотеплопроводного материала, окруженный адиабатической оболочкой 4, термодатчики А и Б, окончания которых выведены на блок холодных спаев 5, измерительный блок 6, датчик 7 теплового потока, регулируемое термическое сопротивление

8, узел перемещения теплоприемника 9, измеритель 10 сигнала датчика теплового потока. Термодатчик А служит для измерения температуры теплоприемника, а дифференциальная термопара АБ — для измерения перегрева нагревательного блока 1 относительно теплоприемника 3. Регулируемое термическое сопротивление 8 служит для расширения диапазона тепловых потоков, проходящих через градуируемый датчик 7. Например, в качестве регулируемого термического сопротивления 8 может быть использован переменный воздушный зазор между нагревательным блоком 1 и датчиком 7.

Процесс градуировки осуществляют следующим образом.

Градуируемый датчик 7 теплового потока размещают на нагревательном блоке 1 (непосредственно на блоке или через регулируемое термическое сопротивление 8). Теплоприемник 3 в контакте с датчиком 7 не находится (например, отведен в сторону с помощью узла 9 для его перемещения).Включают нагреватель 2, перегревая нагревательный блок 1 относительно теплоприемника 3 на величину перепада температур, соответствующую ожидаемому значению теплового потока. Затем с помощью узла 9 теплоприемник 3 приводят в контакт с датчиком

7 и после окончания переходных тепловых.

1075091 процессов в последнем определяют сигнал датчика с помощью измерителя 10 и скорость изменения температуры теплоприемника 3 с помощью измерительного блока 6.

Критерием окончания переходных процессов и, следовательно, начала измерения может служить, например, постоянство скорости нагрева теплоприемника 3.

Качественная картина тепловых процессов, протекающих в устройстве, такова.

После приведения в контакт теплопри- 10 емника 3 с датчиком 7 происходит перестройка температурного поля в датчике 7, а именно: температура поверхности датчика 7, контактирующей с теплоприемником 3, уменьшается до температуры теплоприемника 3, 15 в датчике 7 устанавливается линеиное распределение температуры. Одновременно часть тепла, аккумулированного в нем, отдается теплоприемнику 3. По окончании этого переходного процесса, продолжительность которого A I.pep достаточно малая, в датчике 7 устанавливается стационарный тепловой процесс, а с момента времени Т)а пер в теплоприемник 3 поступает постоянный тепловой поток от и, благодаря наличию адиабатической оболочки 4, линейно повышает его температуру.

Для иллюстрации происходящих тепловых процессов на фиг. 2 приняты обозначения:

Ф „— температура нагревательного блока 1. — температура поверхности датчика 7; — температура теплоприемника 3;

7 — тепловой поток, поступаюший в дат.ъл чик 7 через поверхность, контактирующую с регулируемым термическим сопротивлением 8; (, тепловой поток, поступаюшиЙ B TeIIлоприемник 3 со стороны датчика 7; — начальный момент времени (теплоприемник 3 приведен в соприкосновение с датчиком 7);

hfaep †отрез времени, в течение которого происходят переходные тепловые процессы в теплоприемнике 3, датчике 7 и регулируемом термическом сопротивлении 8; à — время окончания переходных тепловых процессов, начало измерения; 4>

d 6 †длительнос времени измерения; в -время окончания измерения.

Все кривые при, представляют собой прямые линии с небольшим наклоном к оси абсцисс (не более lо/о за время измерения).

3а время At в теплоприемнике 3 аккуму- 50 лируется количество тепла, равное

97 И = Ст. (t2-4), () где С полная теплоемкость тепломера 3, Дж/К;

tg — температура теплоприемника 3 в начальный момент времени измерения (t >A(aep ), С; †температу тепломера 3 в конечный момент времени измерения (> — 11 + ), С.

Отсюда "

Ь где ††-*- — скорость нагрева тепломера 3, At л Г

Проводя во всех требуемых точках теплового потока измерение сигнала датчика Ц„ скорости нагрева теплоприемника — ",—, — и рассчитав по формуле (2) значения о7, получают искомую градуировочную зависимость К = 1(.) . Причем перед каждым последующим измерением теплоприемник охлаждают до начальной температуры или для ускорения процесса градуировки используют несколько теплоприемников.

Точность градуировки предлагаемым способом характеризуется как методическими погрешностями, так и погрешностью измерения величин, входящих в формулу (2).

Часть методичес ки х п огре ш ностей сводится практически к минимуму путем выполнения следующих условий: величина теплового потока за время измерения А< остается неизменной, что достигается, во-первых, подбором массы нагревательного блока и его теплоотдачи в окружающую среду таким образом, чтобы изменением его температуры за время д1 можно было пренебречь, и, во-вторых, обеспечением постоянства термического контактного сопротивления между нагревательным блоком и датчиком за счет того, что измерения проводятся при установившемся температурном поле в градуируемом датчике; весь тепловой поток, прошедший через датчик, поступает в тепломер, что обеспечивается наличием адиабатической оболочки около тепломера и тем, что контролирующие поверхности датчика теплоприемника совпадают по конфигурации и размерам.

Для уменьшения методических погрешностей градуировки, кроме описанных, общих для некоторых известных способов и устройств для градуировки датчиков, требований, необходимо выполнить характерные для предлагаемого способа условия:

1. Время измерения A I выбирается таким образом, чтобы оно не превышало длительность начальной стадии нагрева теплоприемника, в течение которого все тепло, поступившее в теплоприемник аккумулируется в нем и температура его изменяется по линейному закону.

2. Материал и толщина регулируемого термического сопротивления выбирается таким образом, чтобы выполнялось условие

Ы <0,01(At„+ At ) (3) гдеИт.и — перепад температуры по толщине датчика, К;

Л1 -перепад температуры на дополнительном термическом сопротивлении, К.

1075091 (4) В1 0,1, 1о

1 ч и упер фиг.2

Составитель В. Копаев

Техред И. Верес Корректор В. Гирняк

Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раугпская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Редактор Н. Лазаренко

Заказ 230/34

Выполнение условия по формуле (3), кроме того, дает возможность расширения диапазона измеряемых тепловых потоков в сторону меньших значений без снижения точности градуировки. S

3. Для возможности измеренияЛ1тодним термодатчиком необходимо обеспечить изотермичность температурного поля поверхности теплоприемника, контактирующей с датчиком, что достигается соблюдением усло10 вия где B> — — — — — — критерий Био;

Kd

b — высота теплоприемника, м;

7 — коэффициент теплопроводности материала теплоприемника, Вт/(м. К);

aE — коэффициент теплоотдачи с поверхности теплоприемника, Вт/(мд.К).

Как видно из формулы (2), определение значения теплового потока, сводится к измерению временной разности температур, что может быть осуществлено с погрешностью 1%. Погрешность определения параметров теплоприемника составляет менее

1%

Следовательно, суммарная погрешность градуировки датчика предлагаемым способом на устройстве для его осуществления не превышает 3%.

Кроме того, предлагаемое устройство не требует предварительной градуировки, погрешности которой также снижает точность градуировки.

Проведение измерений в нестационарном тепловом режиме и возможность использования в устройстве двух или нескольких теплоприемников приводит к ускорению процесса градуировки и, следовательно, к существенному повышению производительности предлагаемого способа.