Введение к работе
з
Актуальность темы исследования. Теплообмен является одним из важнейших и глобальных явлений природы. Количественно теплообмен характеризуют тепловым потоком. Тепловой поток - это количество теплоты (энергии), передаваемой через изотермическую поверхность в единицу времени.
При решении различных технических задач часто возникает необходимость сравнения интенсивности тепловых потоков, пронизывающих поверхности объектов, имеющих разные площади. Для этого используют понятие «поверхностная плотность теплового потока», которое характеризует тепловой поток, отнесённый к площади теплообмена.
Степень разработанности проблемы
Вид измерений, связанный с определением теплового потока и его поверхностной плотности, принято называть теплометрией. Технической основой теплометрии являются измерительные преобразователи (датчики) теплового потока, которые преобразуют измеряемую плотность теплового потока в электрический сигнал. Датчики теплового потока широко используют при изучении тепловых процессов в теплоэнергетике, в авиационной и ракетно-космической технике, в геофизике и медицине.
Первыми научными центрами в области теплометрии были Институт технической теплофизики (ИТТФ) академии наук Украины (г. Киев), Харьковский авиационный институт, Институт измерительной техники (г. Королёв), Институт холодильной промышленности и головное специализированное конструкторское бюро теплофизического приборостроения (г. Санкт-Петербург), конструкторское бюро «Фотон» (г. Тернополь), Сухумский физико-технический институт. В 1979 г. в Сибирском государственном НИИ метрологии (СНИИМ) совместно с ИТТФ начались работы, направленные на создание основ метрологического обеспечения теплометрии. В результате этих работ в 1988 г. была создана установка высшей точности УВТ 53-А-88, возглавляющая государст-
4 венную поверочную схему для средств измерений поверхностной плотности теплового потока МИ 1855-881 в диапазоне от 10 до 2 000 Вт/м2.
В настоящее время тепловые измерения широко используют для определения теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций зданий и сооружений, при проведении испытаний на жаропрочность строительных материалов и проверки безопасности рабочих мест вблизи источников нагрева.
Возникший в последние годы рост потребности в измерениях теплового потока привёл к необходимости дальнейшего развития их метрологического обеспечения. В связи с этим в СНИИМ был создан и в 2008 г. утверждён Государственный первичный эталон ГЭТ 172-2008, имеющий повышенные по сравнению с УВТ 53-А-88 показатели точности, а также расширенные диапазоны воспроизводимых значений единицы плотности теплового потока и температуры. В этом году введён в действие ГОСТ Р 8. 749-20122, являющийся нормативной основой метрологического обеспечения теплометрии в РФ. Внедрение эталона ГЭТ 172-2008 и введение в действие этого стандарта предусматривают наличие соответствующих средств передачи единицы от первичного эталона эталонам, а от них - различным средствам теплометрии.
В связи с этим актуальной является общая задача создания современных средств передачи единицы плотности теплового потока, обеспечивающих калибровку, в том числе массовую, средств теплометрии при выпуске их из производства и при эксплуатации. Выполненные разработки и исследования направлены на решение этой актуальной задачи.
Цель научного исследования - совершенствование метрологического обеспечения измерений плотности теплового потока на основе создания кондуктив-ных методов и средств калибровки.
МИ 1855-88 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне 10-2 000 Вт/м .
ГОСТ Р 8. 749-2012 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне от 1 до 10 000 Вт/м .
5 Для достижения этой цели необходимо было решить следующие частные задачи:
- провести анализ состояния метрологического обеспечения теплометрии
и по его результатам сформулировать требования к новым методам и средствам
передачи единицы плотности теплового потока;
-разработать теоретически обоснованные методы и средства передачи единицы, обеспечивающие массовую калибровку средств теплометрии;
создать калибровочные установки, реализующие разработанные методы;
экспериментально исследовать разработанные методы и созданные средства калибровки и определить их метрологические характеристики.
Объектом исследования является метрологическое обеспечение измерений плотности теплового потока.
Предметом исследования являются кондуктивные методы и средства передачи единицы поверхностной плотности теплового потока.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые предложена и исследована возможность использования термо
магнитного эффекта Нернста - Эттингсгаузена для калибровки датчиков тепло
вого потока;
предложен, разработан и исследован метод кондуктивной калибровки датчиков теплового потока, основанный на принципе большого теплового сопротивления рабочей среды теплометрического блока;
предложена, теоретически обоснована и экспериментально исследована методика алгоритмического исключения влияния неоднородности теплового поля на результаты калибровки датчиков теплового потока;
предложен и исследован новый метод кондуктивной калибровки датчиков теплового потока с последовательно-параллельным расположением датчиков относительно распространения теплового потока.
6 Теоретическая значимость работы:
выявлено аномально высокое значение коэффициента Нернста КРТ-полупроводниковых структур (кадмий-ртуть-теллур CdxHgi_xTe);
предложенная методика алгоритмического определения показателя неоднородности теплового поля является основой получения точной измерительной информации о неоднородности других физических полей.
Практическая значимость работы:
- разработанные варианты кондуктивного метода позволяют создавать ка
либровочные установки, предусмотренные новой государственной поверочной
схемой для средств измерений поверхностной плотности теплового потока;
- созданные методы и средства передачи единицы поверхностной плотности теплового потока позволяют обеспечить массовую калибровку средств теп-лометрии при их выпуске из производства и при эксплуатации.
Методы исследования
В работе использовались методы теоретической и прикладной метрологии, теории теплообмена и теплопроводности, теплофизического и теплотехнического эксперимента.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
результаты исследований подтвердили возможность применимости термомагнитных явлений к созданию кондуктивных средств передачи единицы плотности теплового потока;
метод и установка на основе использования рабочей среды с большим тепловым сопротивлением позволяют передавать единицу плотности теплового потока датчикам различных форм и размеров;
методика калибровки и установка с параллельным по тепловому потоку расположением датчиков, использующие алгоритмическое исключение влияния неоднородности теплового поля, позволяют передавать единицу плотности теплового потока средствам измерений, оснащённым большим количеством однотипных датчиков;
7 - метод калибровки и установка на основе последовательно-параллельного по тепловому потоку расположения датчиков позволяют передавать единицу плотности теплового потока средствам измерений, оснащённым большим количеством датчиков, идентичных по форме и размеру эталонному датчику. Соответствие диссертации паспорту научной специальности Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.11.15 -Метрология и метрологическое обеспечение (технические науки) по следующим пунктам области исследований: 3 - проведение фундаментальных научных исследований по изысканию и использованию новых физических эффектов с целью создания новых и совершенствования существующих методов и средств измерений высшей точности; 4 - совершенствование системы обеспечения единства измерений в стране.
Степень достоверности и апробация результатов исследования Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конгрессах, конференциях и семинарах: VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (г. Санкт-Петербург, ЛИТМО, 2009 г.); V, VI, VII, VIII, IX Международных конгрессах «ГЕО-Сибирь» (г. Новосибирск, СГГА, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.); VIII, IX учебно-методическом семинаре-совещании «Эталонные и рабочие средства измерения в области теплофизики. Энергоаудит» (г. Омск, НПП «Эталон», 2010, 2011 гг.); II Всероссийской научно-практической конференции «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты» (г. Махачкала, ДГТУ, 2010 г.); IV Всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии «ТЕМПЕРАТУРА-2011» (г. Санкт-Петербург, ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»); XIII Российской конференции по теп-лофизическим свойствам веществ РКТС-13 (г. Новосибирск, ИТФ СО РАН, 2011 г.); VII Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники» (г. Киев, ИТТФ РАН Украины, 2011 г.).
8 Основные результаты работы внедрены:
в производственный процесс на предприятиях: ФГУП «Сибирский государственный НИИ метрологии» (г. Новосибирск) - для выполнения метрологических и научно-исследовательских работ в области теплометрии; ОАО «Научно-производственное предприятие «Эталон» (г. Омск) - при испытаниях и подготовке производства теплометрических установок для поверки датчиков теплового потока;
в учебный процесс: ФГБОУ ВПО СГГА, ГОУ ДПО «Академия стандартизации, метрологии и сертификации (учебная)» (Новосибирский филиал) -при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам «Метрологическое обеспечение теплотехнических измерений», «Приборное и метрологическое обеспечение учёта тепла», «Поверка и калибровка средств теплотехнических измерений».
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, три статьи опубликованы в изданиях, определенных в перечне российских рецензируемых научных журналов и изданий.
Структура и объем работы
Общий объем работы составляет 118 страницы. Диссертационная работа состоит из введения, заключения и трёх разделов. Работа содержит 14 таблиц, 26 рисунков. Список литературы включает 51 наименование.
Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 002-2013.
