Цифровой датчик теплового потока

Авторы патента:

Григорьев Николай Владимирович (RU)

Шабаров Александр Борисович (RU)

Григорьев Борис Владимирович (RU)

G01K17/00 - Измерение количества тепла (измерение температуры с помощью калориметров G01K 3/00-G01K 11/00; устройства для определения термических свойств материалов, например удельной теплоемкости, теплоты сгорания G01N)

Владельцы патента RU 2550699:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тюменский государственный университет" (RU)

Изобретение относится к измерительной теплофизике и может быть использовано для изучения теплофизических свойств материалов. Цифровой датчик теплового потока состоит из двух параллельных термобатарей. В качестве термочувствительных элементов использованы цифровые датчики температуры, которые расположены в одной плоскости и соединены параллельно в каждой термобатарее. Технический результат - повышение точности измерения величины теплового потока с возможностью изучения структуры исследуемых материалов. 6 ил.

Изобретение относится к измерительной теплофизике и может быть использовано для измерения теплофизических свойств материалов и изучения и неоднородности структуры материала.

Известен датчик теплового потока, состоящий из термобатареи с термочувствительными элементами - спаями, конструкция и рекомендации по изготовлению которого описаны в ГОСТ 26263-84. В большинстве случаев данный тип датчика применяется в приборах для определения коэффициента теплопроводности различных материалов методом плоского слоя. Недостатком в конструкции датчика является то, что размеры датчика должны совпадать с размерами исследуемого образца в плоскости их контакта. В случае если размеры образца меньше соответствующих размеров датчика, то часть спаев датчика находится в контакте не с образцом, а с воздухом. Так как термоэлектрический сигнал датчика теплового потока складывается из всех сигналов, поступающих от каждого спая, то сигнал от спаев, не находящихся в контакте с образцом, несет в себе неучтенную погрешность. Данная погрешность тем больше, чем больше размеры образца отличаются от фиксированных размеров датчика в плоскости их контакта.

Известен датчик теплового потока, в котором предлагается способ механического изменения количества спаев, но речь идет об изменении чувствительности датчика, при этом размеры площадки, где варьируется число спаев, не изменяются (SU №1696910 A1).

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение точности измерения величины теплового потока с возможностью изучения структуры исследуемых материалов, Это достигается тем, что цифровой датчик теплового потока (ЦЦТП) состоит из двух термобатарей цифровых датчиков температуры 1 и 2 (фиг.1), в каждой термобатарее цифровые датчики температуры 3 располагаются в одной плоскости и соединены параллельно по системе 1 - Wire. Термобатареи расположены параллельно друг другу на фиксированном расстоянии. Пространство между ними заполнено слоем материала с известной теплопроводностью и аналогичного материалу корпуса датчиков. Оба вывода от двух термобатарей подключены к ПК или иному устройству.

Особенность цифрового датчика температуры в том, что каждый цифровой датчик температуры имеет индивидуальный идентификационный номер, это позволяет сначала соединять их параллельно, а потом с помощью ПК вычленить сигнал от каждого датчика температуры отдельно. Например: поместим в прибор, где задействован данный датчик 4, образец материала 5 с меньшими, чем датчик, размерами, в качестве примера примем размеры цифрового датчика теплового потока - 10×10 см, размеры образца - 4×4 см. С помощью нагревателя 6 (фиг.2) сформируем равномерный поток тепла через датчик теплового потока 4. В этом случае распределение температуры вдоль оси, отмеченной штриховой линей 7 на фиг.2, со стороны термобатарей 1 и 2 будет следующим (фиг.3 и фиг.4). Где на фиг.3 показано распределение температуры по данным первой термобатареи на контакте с нагревателем, на фиг.4 - распределение температуры по данным второй термобатареи на контакте с образцом. Данные графики можно представить в виде термограмм поверхностей датчика теплового потока 4 со стороны контакта с нагревателем и образцом (фиг.5 и фиг.6).

При условии равномерного теплового потока от нагревателя температура на контакте датчика теплового потока с нагревателем одинакова во всех точках как вдоль штриховой линии 7, так и на всей поверхности датчика (фиг.5 и фиг.6).

Из фиг.4 видно, что наблюдается снижение температуры в месте контакта «датчик теплового потока - образец», обусловленное отводом тепла от датчика теплового потока за счет теплопроводящих свойств образца. Датчики температуры, входящие в состав второй термобатареи и не находящиеся в контакте с образцом, контактируют с воздухом. По той причине, что теплопроводность воздуха мала, поступающее тепло не отводится и температура на границе «датчик теплового потока - воздух» выше, чем температура на границе «датчик теплового потока - образец». Поэтому, зная указанное распределение температуры на поверхности как первой, так и второй термобатареи (фиг.4 и фиг.6), все цифровые датчики температуры, выходящие из области контакта с образцом, исключаются из дальнейших расчетов. Следовательно, исключается погрешность, вносимая цифровыми датчиками температуры, находящимися в контакте с воздухом.

Это дает возможность использовать указанный датчик теплового потока для широкого круга образцов с различными геометрическими размерами (в плоскости контакта образцов с датчиком теплового потока).

Расчет искомой величины плотности теплового потока q[Вт/м²] следующий: при рассчитанной средней температуре на границе «нагреватель-ЦДТП» и «образец-ЦДТП» рассчитывается: $q = - (\frac{λ}{L}) Δ T$ , где величина $(\frac{λ}{L})$ находится из калибровочных экспериментов.

Данный датчик в составе прибора по определению теплопроводности может быть использован для обнаружения и изучения и неоднородности структуры материала, вызываемого дефектами, включениями, неравномерной плотностью материала и т.д., методом тепловой волны при условии, что размеры неоднородностей сопоставимы с размерами единичного цифрового датчика температуры и толщиной образца вдоль оси Z (фиг.1), а также условии, что теплофизические характеристики неоднородностей и основного материала слагающего образец различны.

Эксперимент проводится следующим образом (фиг.2): с одной стороны образца 5 нагревателем 6 формируется непродолжительный равномерный тепловой поток. С помощью второго датчика теплового потока 8, а именно термобатареи на контакте с образцом 9 фиксируется поле температур, по которому можно судить о наличии включений, областей с различной плотностью и тд., если поле температур неравномерно; и однородности структуры образца, если температура во всех точках одинакова.

Литература

1. ГОСТ 26263-84 Грунты. Метод лабораторного определения теплопроводности мерзлых грунтов. - М.: Изд-во стандартов, 1985. - 9 с.

2. Датчик теплового потока. Патент SU 1696910 A1; G01K 17/08. Черюканов С.Д., Грищенко Т.Г., Декуша Л.В. и др.

Цифровой датчик теплового потока, включающий термобатарею из соединенных термочувствительных элементов, отличающийся тем, что состоит из двух параллельных термобатарей, в качестве термочувствительных элементов использованы цифровые датчики температуры, которые расположены в одной плоскости и соединены параллельно в каждой термобатарее.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для определения фактической величины тепловых потерь в водяных и паровых тепловых сетях системы теплоснабжения подземной прокладки в режиме эксплуатации.

Калориметр переменной температуры (варианты) // 2529664

Изобретение относится к области исследования свойств материалов с помощью калориметрических измерений и может быть использовано в калориметрах переменной температуры.

Способ определения теплоты адсорбции и теплоты смачивания поверхности и измерительная ячейка калориметра // 2524414

Изобретение относится к области исследования свойств взаимодействия поверхности с флюидами и может быть использовано для определения теплоты адсорбции и смачивания поверхности.

Способ измерения тепловых эффектов дифференциальным модуляционным сканирующим калориметром и калориметр для его осуществления // 2523760

Изобретение относится к приборам и методам исследования теплофизических свойств веществ с применением дифференциального калориметра и может найти применение при исследовании веществ и смесей веществ естественного происхождения, применяемых в пищевой и фармацевтической отраслях промышленности.

Фотоприемное устройство для измерения энергетических параметров вакуумного ультрафиолетового излучения // 2519519

Изобретение относится к области энергетической фотометрии и касается фотоприемного устройства для измерения энергетических параметров вакуумного ультрафиолетового излучения.

Способ интеллектуального энергосбережения на основе инструментального многопараметрового мониторингового энергетического аудита и устройство для его осуществления // 2516203

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована при решении задач энергетического аудита. Заявлен способ и устройство интеллектуального энергосбережения, согласно которым измеряют температуру теплоносителя на входе и выходе энергопотребляющего объекта, измеряют массу теплоносителя за определенный промежуток времени, определяют количество энергии, потребляемой объектом.

Способ измерения импульса тепла // 2504744

Изобретение относится к области калориметрии и может быть использовано для измерения импульсных тепловыделений. Заявлен способ измерения импульса тепла, включающий размещение в калориметрической ячейке реакционного сосуда с веществом, инициирование исследуемого теплового процесса после установления в калориметре регулярного теплового режима, измерение одновременно с инициированием количества теплоты Q, выделяемой в ячейке.

Термостатно-тахометрический теплосчетчик // 2502959

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения тепловой энергии, подаваемой жидким теплоносителем от котлоагрегатов к отопительным системам и системам горячего водоснабжения зданий коммунального назначения, жилого фонда, школ, детских садов и иных сооружений промышленности.

Способ определения удельной объемной теплоты сгорания горючего газа в бомбовом калориметре и устройство для заполнения калориметрической бомбы горючим газом // 2485487

Изобретение относится к области исследования свойств материалов с помощью калориметрических измерений и может быть использовано в бомбовых калориметрах для определения теплоты сгорания горючих газов.

Устройство для регулирования теплового режима аккумулятора и измерения мощности его тепловыделения // 2472258

Изобретение относится к теплотехнике и может найти преимущественное применение при экспериментальных исследованиях теплоэнергетического режима отдельного аккумулятора аккумуляторной батареи космического аппарата.

Устройство для измерения тепловой энергии, излучаемой радиаторами, конвекторами или подобными устройствами, в частности для пропорционального распределения стоимости отпления и/или кондиционирования // 2561365

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах отопления и кондиционирования. Устройство (1) для измерения тепловой энергии, излучаемой радиаторами, конвекторами или подобными устройствами, в частности для пропорционального распределения стоимости отопления и/или кондиционирования, содержащее радиатор (2), соединенный, через подающий патрубок (3) и возвратный патрубок (4), соответственно с трубой (5) для подачи горячей воды, подаваемой котлом (7) к радиатору (2), и с трубой (6) для возврата воды на выходе из радиатора (2) к указанному бойлеру (7). Устройство содержит первый измеритель (8) для температуры воды, протекающей через подающий патрубок (3), и второй измеритель (9) для температуры воды, протекающей через возвратный патрубок (4), а также расходомер (10) для воды, протекающей через патрубок (2). Технический результат - упрощение монтажа и обслуживания устройств отопления и кондиционирования. 1 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ измерения сопротивления теплоотдачи отопительного прибора // 2566640

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения тепловых характеристик отопительных приборов. Согласно заявленному способу тепловой режим помещения, в котором находится отопительный прибор, приводится в нестационарное во времени состояние, измеряется поведение во времени средней температуры отопительного прибора, средней температуры воздуха в помещении, средней температуры внутренних ограждений и температуры внешней среды. Нестационарное состояние обеспечивается выключением отопительного прибора. Используется нестационарное уравнение теплового баланса для самого отопительного прибора. Технический результат - повышение точности измерений.

Способ и устройства для измерения магнетокалорического эффекта // 2571184

Изобретение относится к области измерений термомагнитных свойств материалов и может найти применение при разработке технологии магнитного охлаждения и/или нагрева вблизи комнатной температуры, для применений в промышленности и в быту. Согласно заявленному способу образец и блок приводят предварительно в максимально возможный тепловой контакт. Измерение изменения температуры производят на теплоизолированном в вакууме немагнитном теплопроводящем блоке. Затем по данным измерения изменения температуры теплоизолированного в вакууме немагнитного блока, обусловленного изменением магнитного поля, производят расчет удельного на единицу массы магнетокалорического эффекта образца материала в квазиизотермическом режиме. Заявленный способ реализуется посредством устройства, включающего источник магнитного поля, в котором расположена вакуумная камера, в которой размещена измерительная вставка, содержащая теплоизолированные блок немагнитного теплопроводящего материала и исследуемый образец, а также датчик температуры. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 14 ил.

Способ калибровки термоэлектрических датчиков тепловых потоков // 2577389

Изобретение относится к области теплометрии и может быть использовано при калибровке датчиков теплового потока. Способ калибровки термоэлектрического датчика теплового потока заключается в том, что собственное электрическое сопротивление датчика теплового потока измеряют при пропускании переменного тока величины от 1 до 20 мА, а термоэлектрическую добротность измеряют при пропускании постоянного тока величины от 1 до 20 мА, после чего определяют чувствительность термоэлектрического датчика из следующего выражения: где Se - чувствительность термоэлектрического датчика; ACR - собственное сопротивление термоэлектрического датчика; Z - термоэлектрическая добротность датчика; s - площадь чувствительной поверхности термоэлектрического датчика; α - коэффициент Зеебека (термоЭДС) термоэлемента; 2N - количество термоэлементов или спаев в термоэлектрическом датчике. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл.

Способ калибровки и поверки измерительной системы узла учета тепловой энергии и теплоносителя с учетом возмущений // 2578046

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для выявления несанкционированных утечек тепловой энергии. Предложен способ калибровки и поверки измерительной системы узла учета тепловой энергии и теплоносителя с возмущениями, основанный на переключении потока теплоносителя с подающего трубопровода через образцовый узел калибровки на возвратный трубопровод и отключении измерительной системы от объекта потребления. В поток теплоносителя вводят дополнительный образцовый узел калибровки, контролируют неоднородность температурного поля системы отопления внутри объекта и примыкающих объектов без приборов учета. При этом сличают показания образцовых узлов калибровки между собой и характер неоднородности изменения температурных полей. По результатам сличения и неоднородности полей судят о произведенном воздействии возмущений и отключения объекта от теплосетей на погрешности и достоверность измерения учета тепловой энергии и теплоносителя. Технический результат - повышение достоверности результатов. 24 з.п. ф-лы, 15 ил.

Устройство наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня для оценки эффективности теплозащитных покрытий на нем // 2582153

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для теплофизических исследований теплозащитных покрытий на днище поршня и наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня по скорости повышения температуры его внутренней поверхности при нагреве с внешней стороны, и может быть использовано для исследования эффективности влияния теплозащитного покрытия на температуру поршня. Устройство наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня для оценки эффективности теплозащитных покрытий на нем включает баллон сжиженного газа с насадкой, соединенный через регулировочный кран с ротаметром, соединенным шлангом с горелкой Бунзена, которая установлена под испытуемым поршнем, помещенным в цилиндре, имеющем отверстие в нижней части и закрепленном на штативе, на котором также закреплен тепловизор, расположенный над поршнем с его внутренней стороны, причем в нижней части цилиндра установлен защитный экран, а также подвижная заслонка с возможностью перекрытия отверстия в цилиндре. Применение заявляемого устройства позволяет повысить точность определения температуры внутренней поверхности днища поршня во всех ее точках и, соответственно, повысить эффективность оценки теплозащитных покрытий на днище поршня. 1 ил.

Устройство для измерения теплового потока в камере сгорания и способ его установки // 2586089

Группа изобретений относится к устройствам для измерения тепловых потоков, а также к способам установки устройств для измерения теплового потока в стенке камеры сгорания, и может быть использована для измерения тепловых потоков в камерах сгорания двигателей при высоких давлениях и температурах. Устройство для измерения теплового потока в камере сгорания содержит калориметрическое тело с заделанным в него спаем проводов термопары и теплоизолирующее кольцо. Причем калориметрическое тело выполнено в виде цилиндра с торцевым буртиком со стороны, противоположной тепловоспринимающей поверхности цилиндра. При этом провода термопары расположены в керамической трубке, на которую последовательно установлены теплоизолирующее кольцо и металлическая кольцевая заглушка с резьбой на внешней поверхности для поджима теплоизолирующего кольца к торцевому буртику цилиндра. Причем на цилиндр калориметрического тела под торцевым буртиком установлена теплоизолирующая шайба. Предложен также способ установки предлагаемого устройства для измерения теплового потока в стенке камеры сгорания. Технический результат - повышение точности измерения теплового потока от высокотемпературной среды к стенке камеры сгорания при высоких давлениях в камере сгорания. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Капиллярный титрационный калориметр для исследования митохондрий // 2610853

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения тепловой мощности в процессах трансформации и диссипации энергии в суспензиях живых митохондрий в исследованиях в области митохондриальной термодинамики, направленных на создание новых фармсредств и перспективных биотехнологий. Предложенный калориметр для исследования митохондрий содержит корпус, объединяющий шприцы, состоящий из двух соединяемых частей, первая из которых служит для обеспечения соосности шприцов и калориметрических камер, а вторая служит для закрепления вспомогательных трубок и для обеспечения соосности вспомогательных трубок и калориметрических камер, исключая регулировочные операции для обеспечения соосности дозирующих игл и калориметрических камер при перемешивания реагентов в калориметрических камерах. Технический результат - обеспечение измерений в условиях перемешивания исследуемого образца с предотвращением выпадения митохондрий в осадок. 1 ил.

Способ определения аэродинамического нагрева высокоскоростного летательного аппарата в опережающих лётных исследованиях на крупномасштабной модели // 2616108

Изобретение относится к области авиационно-космической техники. Способ определения аэродинамического нагрева натуры в опережающих летных исследованиях на модели включает определение высоты и скорости полета модели, теплопроводности, объемной теплоемкости и степени черноты материала ее теплозащиты, а также аэродинамического теплового потока на наружной поверхности натуры в сходственных с моделью точках из условия подобия в этих точках распределений температуры в материалах теплозащиты модели и натуры. Температуру и кондуктивный тепловой поток на наружной поверхности модели определяют из решения интегральных уравнений по измеренным в материале теплозащиты с помощью термопар температурам. Последовательно определяют высоту полета модели, статические температуру и давление воздушного потока на высоте полета модели, теплопроводность материала теплозащиты модели, объемную теплоемкость материала теплозащиты модели и степень черноты материала теплозащиты модели. В материале теплозащиты модели устанавливают термопары и проводят опережающие летные исследования на модели. После проведения испытаний последовательно определяют на наружной поверхности модели температуру, кондуктивный тепловой поток и аэродинамический тепловой поток. Изобретение направлено на повышение точности определения аэродинамического нагрева натуры. 5 ил.

Капиллярный титрационный нанокалориметр для исследования митохондрий // 2618670

Изобретение относится к измерениям тепловой мощности в процессах трансформации и диссипации энергии в суспензиях живых митохондрий в исследованиях в области митохондриальной термодинамики, направленных на создание новых фармсредств и перспективных биотехнологий. Предложенный нанокалориметр для исследования митохондрий содержит средство, обеспечивающее соосность шприцов и калориметрических камер, выполненное в виде подвижной платформы, на которой установлен объединяющий шприцы корпус с установленными на нем датчиком температуры и исполнительным органом регулятора температуры в виде термоэлектрического преобразователя Пельтье, который снабжен теплообменником, включенным в контур охлаждения термостатирующей оболочки. Технический результат - улучшение эксплуатационных характеристик нанокалориметра за счет исключения трудоемких операций по перезаправке дозирующего шприца при многократном введении добавки митохондрий в калориметрическую камеру. 1 ил.