Способ измерения теплового потока



Способ измерения теплового потока
Способ измерения теплового потока

 


Владельцы патента RU 2488080:

Общество с ограниченной ответственностью "Инновации и девелопмент" (RU)

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения теплоотдачи с поверхностей, например, нагревательных устройств в теплосетях зданий для контроля систем отопления, для определения величины утечек тепла в зданиях и в других областях, в которых необходимо контролировать процессы теплообмена. Заявлен способ измерения теплового потока, который осуществляется путем установки на пути теплового потока сегнетоэлектрического конденсатора, на обкладки конденсатора подают деполяризующие импульсы электрического напряжения. Далее измеряют скорость изменения напряжения при разряде конденсатора и определяют тепловой поток по градуировочной зависимости скорости изменения напряжения и теплового потока. Технический результат: повышение точности измерения изменяющихся и постоянных тепловых потоков. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения теплоотдачи с поверхностей, например нагревательных устройств в теплосетях зданий для контроля систем отопления, для определения величины утечек тепла в зданиях и в других областях, в которых необходимо контролировать процессы теплообмена.

При известных тепловых сопротивлениях тепловой поток может быть косвенно определен из значений температуры, измеренных в разных точках исследуемого объекта. Обычно определяют плотность теплового потока q [Вт/м2], т.е. поток через единицу площади

q = λ d t d x

где λ - теплопроводность [Вт/м·К], t - значения температур на каких-то точках объекта, между которыми определяется тепловой поток.

При измерении теплового потока при поквартирном учете, например датчиками теплового потока INDIV-3 фирмы Danfoss, измеряют температуру между характерной точкой поверхности радиатора и воздухом в отапливаемом помещении, причем температура воздуха в помещении является постоянной запрограммированной величиной и соответствует нормативному значению 20°С. Однако, условие наличия фиксированного значения второй температуры не всегда выполнимо.

Сложность заключается также в том, что значение теплопроводности λ часто не известно, и тогда необходимо проводить измерения прямым методом, используя датчики теплового потока.

Известен способ измерения теплового потока (авторское свидетельство №699360, МПК G01K 17/00, G01K 17/12), который заключается в следующем: на пути потока устанавливают две пластины с разной поглотительной способностью. Измеряемый тепловой поток нагревает обе пластины до определенных равновесных температур. Разность этих температур будет тем выше, чем больше тепловой поток и чем выше разность степеней поглощения пластин. Пластины нагревают горячие и холодные концы термобатарей, измеряют генерируемую термо-ЭДС, по величине которой судят о величине плотности теплового потока. Для этого индикатор градуируют в единицах плотности [Вт/м2].

Существенным недостатком этого способа является необходимость точного измерения температуры пластин, для чего приходится их увеличивать. Для повышения чувствительности также необходимо использовать многоспайные термопары. Увеличение толщины пластин означает увеличение массы и габаритов датчика и повышение его теплоизоляционных свойств, что приводит к возрастанию методической погрешности измерения потока.

Известен способ измерения теплового потока, изложенный в статье L.Geiling, Das Termoelement als Strahlungsmesser. (Zschr. Phis., Bd. 3.12, 1951). В этом способе используется датчик, выполненный в виде пластины, состоящей из последовательно чередующихся термоэлектродных материалов (например меди и константана). Границы раздела слоев наклонены под углом 20-45° к плоскостям датчика. Датчик располагают по отношению к потоку таким образом, чтобы между нижней и верхней его поверхностями возникала разность температур, которая возбуждает термо-ЭДС. Измеряют термо-ЭДС, которая накапливается вдоль поверхности датчика и линейно связана с температурным градиентом и, следовательно, с величиной теплового потока.

Недостатком рассмотренного способа является то, что для его реализации необходимо использовать в датчике материалы с резко различными тепловыми, термоэлектрическими свойствами.

Наиболее близким по совокупности технических признаков к предлагаемому является способ измерения тепловых потоков (авторское свидетельство №354289, МПК G01K 7/34). Известный способ заключается в том, что в качестве датчика используют сегнетоэлектрический конденсатор, один электрод которого приводят в тепловой контакт с измеряемым телом, измеряют возникающее напряжение, по величине которого судят о величине теплового потока.

В известном способе измерение потока основано на зависимости диэлектрической проницаемости от температуры - при ее изменении происходит поляризация сегнетоэлектрика, которая является следствием деформации кристаллической решетки. Степень поляризации зависит от количества поглощенного сегнетоэлектриком тепла. Однако если температура не меняется, то поляризация уменьшается свободными зарядами из атмосферы и за счет существующей внутренней проводимости. Таким образом, измеряемое напряжение уже не будет характеризовать реальный тепловой поток. Это явление ограничивает использование сегнетоэлектрических конденсаторов одноразовыми измерениями.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка способа измерения теплового потока, позволяющего постоянно отслеживать величину теплового потока контролируемого объекта.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе измерения теплового потока, так же, как и в известном, на пути теплового потока устанавливают сегнетоэлектрический конденсатор. Но в отличие от известного, в предлагаемом способе на обкладки конденсатора подают деполяризующие импульсы электрического напряжения, измеряют скорость изменения напряжения при разряде конденсатора, и определяют тепловой поток по градуировочной зависимости скорости изменения напряжения от теплового потока.

Достигаемым техническим результатом является реализация возможности постоянного измерения не только изменяющихся, но и постоянных тепловых потоков.

Совокупность существенных признаков, сформулированная в п.2 формулы изобретения, характеризует способ измерения теплового потока, в котором измерение скорости изменения напряжения производят на начальном участке замедления указанной скорости.

На этом участке кривой изменения напряжения долевое участие температурного фактора на доменную структуру сегнетоэлектрика увеличивается и обеспечивается максимальная чувствительность способа.

Следует отметить, что прием переключения сегнетоэлектрических конденсаторов для температурных измерений известен, но его используют для измерения температуры. В А.С. №147815 температуру измеряют по величине максимального тока переключения конденсатора. Известны работы (авторское свидетельство №544875 МПК G01K 7/34), в которых авторы предлагают перевести сегнетоэлектрический конденсатор в динамический режим за счет того, что на один из электродов, который не находится в тепловом контакте с объектом, воздействуют импульсами теплового потока постоянной мощности и частоты. В сегнетоэлектрике возбуждают тепловые колебания с амплитудой около некоторой рабочей температуры. Если поддерживать амплитуду и частоту этих колебаний постоянными и при этом изменяется температура, то во внешней цепи конденсатора индуцируется переменный ток, возрастающий по мере повышения температуры до температуры Кюри. Таким образом, каждой температуре соответствует определенная величина тока. Но это воздействие искажает тепловое состояние сегнетоэлектрика и, соответственно, значительно искажает результаты измерения. К тому же, использование в способе источника тепловых импульсов приводит к увеличению габаритов устройства, реализующего способ.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 показаны кривые спада напряжения на конденсаторах с разной площадью сегнетоэлектрика BaTiO3

На фиг.1 площадь конденсатора равна 100 мм2, а на фиг.2 - 25 мм2. Толщина в обоих случаях одинаковая, равная 0,1 мм.

Изобретение основывается на следующих зависимостях:

Уравнение теплопроводности для одномерного случая:

λ 2 t x 2 + P V = ρ c T t τ ,

где PV, [Вт/м3] - мощность внутренних источников энергии; cT[Дж/К] - теплоемкость; ρ [кг/м3] - плотность, τ - время.

Если температурное поле равномерное, то можно записать:

P V = ρ c T t τ .

Тогда полная мощность тепловыделений, т.е. тепловой поток:

P = ρ с T V t δ τ ,

[Вт], V - объем.

Последнее выражение можно переписать в виде:

P = C T t τ ,

где СТ=ρcTV

Энергия заряженного конденсатора:

E = C Э U 2 2 ,

[Дж], где СЭ - емкость конденсатора, U - напряжение на обкладках конденсатора.

Тогда можно записать:

C T t τ = C Э U 2 2 1 τ ,

[Вт],

Последнее выражение показывает связь величины теплового потока со скоростью изменения напряжения разряда конденсатора. Эту связь иллюстрируют фиг. 1 и 2, на которых приведены зависимости напряжения и времени разряда конденсатора. Каждая кривая характеризует тепловой поток, а совокупность кривых на одном графике иллюстрирует постепенное остывание измеряемого объекта и уменьшение теплового потока.

При измерении теплового потока, например батареи отопления, конденсатор устанавливают на пути теплового потока. Конденсатор должен обладать достаточно малыми толщиной и объемом, для того, чтобы практически не искажать проходящий через него тепловой поток. Материал используемого диэлектрика выбирается из условия нахождения точки Кюри выше наиболее высокой температуры диапазона, в котором измеряется тепловой поток. Мы проводили измерения с помощью конденсаторов с сегнетоэлектриком BaTiO3, а также Ba0,9Sr0,1TiO3. В последнем случае сегнетоэлектрик имел толщину 0,5 мм, а площадь 50 мм. Точка Кюри соответствовала 80°С. Деполяризующее напряжение соответствовало 3,3 в. Для этих параметров были составлены градуировочные таблицы соответствия скорости изменения напряжения разряда конденсатора величине теплового потока. Измерение скорости изменения напряжения проводилось на начальном участке замедления процесса деполяризации сегнетоэлелектрика, поскольку на этом участке доля теплового влияния на скорость спада кривой напряжения значительно возрастает. Учитывая то обстоятельство, что и батареи отопления и окружающее их пространство обладают достаточно большой тепловой инерцией, деполяризующие импульсы можно подавать достаточно редко - 1 раз в несколько минут, в отличие от систем с быстро меняющейся тепловой ситуацией, в которой импульсы подают непрерывно.

Как следует из описания предложенный способ позволяет проводить измерение не только меняющихся тепловых потоков, но также измерение потоков, величина которых не меняется во времени, поэтому он может является базой для создания устройств учета расхода и потребления тепла.

1. Способ измерения теплового потока путем установки на пути теплового потока сегнетоэлектрического конденсатора, отличающийся тем, что на обкладки конденсатора подают деполяризующие импульсы электрического напряжения, измеряют скорость изменения напряжения при разряде конденсатора и определяют тепловой поток по градуировочной зависимости скорости изменения напряжения от теплового потока.

2. Способ измерения теплового потока по п.1, отличающийся тем, что измерение скорости изменения напряжения производят на начальном участке замедления указанной скорости.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для термостатирования калориметрических установок. .

Изобретение относится к области теплометрии и может быть использовано при измерении количества тепла, выделяющегося при контакте сухих дисперсных материалов с водой или другими жидкостями.

Изобретение относится к технике физико-химических методов анализа химических соединений и может быть использовано для измерения теплоты химических реакций. .

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для диагностики патологии микроциркуляции крови конечностей. .

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для учета потребляемого тепла локальным потребителем. .

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в разветвленных локальных тепловых сетях при отоплении многоквартирных домов с двухтрубной системой отопления для определения доли потребленной тепловой энергии каждым отдельным потребителем, общее количество которой измеряется общим теплосчетчиком.

Изобретение относится к химии дисперсных систем и поверхностных явлений и может быть использовано для получения изотерм сорбции индивидуальных веществ из растворов с применением калориметра с изотермической оболочкой.

Изобретение относится к технике, предназначенной для измерения теплофизических величин, в частности тепловых эффектов реакций, и может быть использовано в химической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к научному приборостроению, а именно к дифференциальным адиабатным сканирующим микрокалориметрам, предназначенным для термодинамических исследований слабоконцентрированных растворов биополимеров, в частности растворов белков.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в процессе физико-химических методов анализа химических соединений. Заявлен дифференциальный массивный тонкопленочный калориметр для определения тепловых эффектов адсорбции или химических реакций газов, содержащий тонкопленочные каталитически активные измерительные рабочие массы и массы сравнения, размещенные на диэлектрической подложке и соединенные с источником нагревающего массы тока. В соответствии с изобретением, массы своей поверхностью прилегают к диэлектрической подложке, на противоположной стороне которой против масс закреплены пьезоэлектрические преобразователи, подсоединенные своими электродами к измерительной схеме. Источник нагревающего тока импульсный. Технический результат - увеличение чувствительности калориметра. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области теплометрии и может быть использовано для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочных образцов, например образцов теплозащитных экранов, используемых в космической промышленности. Устройство для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца содержит криостат, плоские образец и поглотитель, установленные параллельно на небольшом расстоянии друг от друга, два датчика, измерители температуры и источник мощности, соединенный с нагревателем поглотителя или образца при измерении поглощающей или излучающей способности. Поглотитель и образец содержат тонкопленочные термометр сопротивления и нагреватель, изолированные друг от друга диэлектрическим слоем и распределенные по площади поглотителя и образца. Суммарная теплоемкость термометра сопротивления и нагревателя меньше теплоемкости образца и поглотителя. Поглотитель имеет теплоемкость, равную или меньшую теплоемкости образца, а источник мощности является генератором переменного сигнала. Технический результат - повышение точности и чувствительности устройства при измерении поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца. 2 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для учета тепловой энергии. Способ измерения тепловой энергии реализуется на измерении текущих значений температуры и переноса их значений на показатели расхода теплоносителя посредством деления потока на две составляющие и распределения теплоносителя в два выходных канала - Tmin канал начала отсчета и Tmax информационный канал, согласованные со шкалой термометра. Устройство, реализующее способ, содержит блок разделения каналов, два счетчика расхода теплоносителя и выходной коллектор, соединяющий два потока в один. Устройство состоит из корпуса 1 с входным 2 и двумя выходными каналами 3 - Tmin (Сч13) и 4 - Tmax (Сч14), термометра 5, установленного на оси 7 механизма распределения теплоносителя 6, который перекрывает одновременно оба канала (заслонки 8 и 10) в корпусе стабилизаторов потока 12 по формуле обратно пропорционального перекрытия. Теплоноситель распределяется в два выходных канала пропорционально измеренной температуре, а счетчики в этих каналах фиксируют объем прошедшего теплоносителя за определенный период времени. Устройство позволяет по показаниям счетчиков рассчитать среднюю температуру пройденного теплоносителя, суммарный объем прошедшего теплоносителя и объем потребленной тепловой энергии. Технический результат - повышение точности определения потребленной тепловой энергии. 2 н. и 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в авиационной и космической технике. Предложено формирование датчика температуры и теплового потока осуществить непосредственно на поверхности модели разной степени кривизны без морщин и без нарушения целостности модели и физических процессов обтекания на поверхности модели и газового потока. Термопары датчиков изготовляют из пленки хромель-константана способом катодного напыления в вакууме. В качестве изоляционной пленки между моделью и термопарой, между термопарами выбрана окись алюминия. Верхняя поверхность термопары защищена от окисления жаростойкой изоляционной пленкой толщиной 0,80-0,1 мкм. Толщина обкладки с выводами термопары 0,3-0,4 мкм. Обкладки с выводами формируют через маски (из металла или пленки полиимида) и способом электрической гравировки напряжением «карандаша» 6-10 В. Технический результат - повышение функциональных возможностей датчиков температуры и теплового потока. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области тепловых измерений и может быть использовано при исследовании теплообмена и управления процессами в металлургии, энергетике и других отраслях народного хозяйства. Способ заключается в измерении разности и скорости изменения средних температур приемной и обратной поверхностей тепломера. Новизна способа заключается в том, что дополнительно измеряют скорости изменения средней по площади температуры в сечениях тепломера и температуры в точках его боковой поверхности. Технический результат - увеличение точности определения нестационарного теплового потока. 3 ил.

Изобретение относится к теплотехническим измерениям и может быть использовано для измерения количества расходуемой тепловой энергии в системах теплоснабжения. Согласно заявленному способу в соответствии с законом Ньютона-Рихмана измеряется разность средних температур отопительного прибора и воздуха, которая умножается на коэффициент теплоотдачи отопительного прибора. Коэффициент теплоотдачи отопительного прибора находят путем прекращения подачи теплоносителя в отопительный прибор , последующем измерении температурной зависимости остывающего отопительного прибора, нахождении скорости изменения температуры и вычисления названного коэффициента. После нахождение коэффициента теплоотдачи отопительная система приводится в рабочее состояние и вычисляется тепловая мощность. Технический результат - повышение точности измерения тепловой энергии, отдаваемой отопительным прибором. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения тепловой энергии носителей тепла. Устройство измерения тепловой энергии, содержащее входной и два выходных канала, термометр для измерения температуры теплоносителя и распределения его в выходные каналы и счетчик количества тепла. Все каналы механизма распределения выполнены со стабилизаторами теплового потока и имеют одинаковые проходные сечения. Выходные каналы расположены друг за другом в последовательности: вспомогательный канал (ВК) и измерительный канал (ИК). Во вспомогательный канал установлен второй счетчик. Счетчик в канале ИК показывает расход тепловой энергии как произведение пройденного объема теплоносителя за определенный период времени на верхнее значение температуры диапазона измерения термометра, а счетчик в канала ВК фиксирует объем теплоносителя как разницу общего прошедшего объема теплоносителя и объема прошедшего через канал ИК. Наличие дополнительного входа для подключения второго термометра позволяет производить измерение тепловой энергии по разнице температуры на входе и выходе локальной сети потребления. Технический результат - повышение функциональных возможностей устройства. 5 ил.
Наверх