Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1 Теоретические аспекты теплометрии и задачи метрологического обеспечения измерений в теплосбережении 16
1.1 Модель объекта теплопотребления. Взаимосвязьпараметров теплообмена с параметрами теплоносителей 16
1.2 Измерения поверхностной плотности тепловых потоков 21
1.3 Термометрия поверхности твердых тел 29
1.4 Измерения теплопроводности, коэффициентов теплоотдачи и теплового излучения 43
1.5 Измерения параметров теплоносителей приборами учета 77
Раздел 2 Создание калориметрических методов и средств воспроизведения размера единиц измерения параметров теплообмена 100
2.1 Формирование и измерение тепловых потоков в калориметрии 100
2.2 Адиабатический метод и установки для воспроизведения единицы поверхностной плотности теплового потока 112
2.3 Калориметрические методы и установки для исследований и аттестации стандартных образцов излучательных свойств материалов.. 133
2.4 Адиабатический метод и установка для прецизионных измерений высоких значений теплопроводности 145
Раздел 3 Методы и средства передачи размера единиц измерения параметров теплообмена 149
3.1 О классификации способов компарирования при передаче размера единиц физических величин. Модуляционный метод 149
3.2 Метод и кондуктивный компаратор для передачи размера единицы поверхностной плотности теплового потока 154
3.3 Вопросы теории и экспериментальное исследование компаратора излучательных свойств 163
3.4 Разработка методик и средств поверки измерительных преобразователей температуры поверхности 175
3.5 Теплометрические методы и установки для измерений теплопроводности теплоизоляционных материалов 183
Раздел 4 Создание методов и средств измерений параметров теплоносителя и их метрологического обеспечения 196
4.1 Средства метрологического обеспечения термометрии и расходометрии в приборах учета тепла 196
4.2 Теплометрические методы и средства метрологического обеспечения измерений параметров теплоносителей 208
Раздел 5 Разработка нормативной базы метрологического обеспечения теплометрии 227
5.1 Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности теплового потока 227
5.2 Вопросы создания государственной поверочной схемы для средств измерений интегральных коэффициентов теплового излучения материалов 231
5.3 Вопросы концепции развития метрологического обеспечения и создания государственной поверочной схемы для средств измерений теплового потока и количества теплоты в системах теплоснабжения 236
Заключение
Список использованных источников
Приложения
- Измерения поверхностной плотности тепловых потоков
- Адиабатический метод и установки для воспроизведения единицы поверхностной плотности теплового потока
- Метод и кондуктивный компаратор для передачи размера единицы поверхностной плотности теплового потока
- Теплометрические методы и средства метрологического обеспечения измерений параметров теплоносителей
Введение к работе
Все тела в природе - твердые, жидкие и газообразные имеют собственную температуру, которая изменяется в пространстве и во времени. Эти изменения связаны с процессами теплообмена между телами, интенсивность и направление которого определяется важнейшей физической величиной -тепловым потоком. Существуют три вида теплообмена: кондуктивный, конвективный и радиационный. Интенсивность теплового потока при этом определяется не только разностью температур тел, находящихся в процессе теплообмена, но и их свойствами (теплопроводностью, коэффициентами теплового излучения), а также физической величиной, отражающей особенности контактного взаимодействия тел, находящихся в разных агрегатных состояниях (коэффициентом теплоотдачи). Таким образом основными параметрами, характеризующими теплообмен, являются тепловой поток, температура, теплопроводность, коэффициент теплоотдачи и коэффициенты теплового излучения.
Наиболее достоверную информацию о теплофизических свойствах веществ и параметрах, характеризующих процессы теплообмена, получают на основе измерений. Наиболее значительный вклад вклад в теоретическое обоснование и создание методов и средств получения такой информации внесли отечественные ученые Кондратьев Г.М., Чудновский А.Ф., Буравой С.Е., Гордов А.Н., Дульнев Г.Н., Курепин В.В., Олейник Б.Н., Шатунов Е.С., Походун А.И., Сергеев О.А., Ярышев А.Н. (Ленинградская школа теплофизических измерений); Попов М.М., Кириллин В.А, Шейндлин А.Е., Жоров Г.А., Пелецкий В.Э., Петров В.А., Свет Д.Я., Соколов В.А., Улыбин С.А., Филиппов Л.П., Хрусталев Б.А. Чеховской В.Я. (Московская школа); Кутателадзе С.С., Стрелков П.Г., Груздев В.А., Крафтмахер Я.А., Пауков И.Е., Рубцов Б.А. (Новосибирская школа); Геращенко О.А., Грищенко Т.Г., Назаренко Л.А. (Украинская школа); Гомельский К.З., Зиновьев Е.Е., Ивлиев А.Д. (Уральская школа); Чашкин Ю.Р. (Хабаровская школа), а также
зарубежные ученые д-р Ковач Т. (Венгрия), проф. Лин-Шан-Кан (Китай), д-р Штук Д. (Германия), д-р Хакимов О.Ш. (Узбекистан), проф. Квин Т. (Англия), д-р Дюриш С. (Словакия).
Безусловно, что наряду с развитием теплофизического приборостроения, для получения достоверной и точной измерительной информации необходимо наличие технической и нормативной базы метрологического обеспечения тепловых измерений.
Развитие в СССР науки и технологий в послевоенные годы стимулировало развитие метрологии теплофизических измерений, прежде всего, для нужд оборонных отраслей промышленности. Совершенствовались поверочные схемы для средств измерений температуры (расширение диапазона и повышение точности), были созданы поверочные схемы для средств измерений количества теплоты, теплоемкости, теплопроводности, температурного коэффициента линейного расширения твердых тел.
Обострившиеся в последние десятилетия мировые энергетические проблемы, а также переход России к рыночным условиям хозяйствования сместили акценты направленности теплофизических измерений, главным образом, в теплоэнергетику и теплосбережение. На первый план вышли задачи учета тепла, требующие прежде всего точных измерений теплового потока и количества теплоты в системах теплоснабжения. В свою очередь решение этих задач приводит к необходимости поиска эффективных путей теплосбережения, основанных на измерениях и на последующем сокращении тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий и сооружений. Поэтому все более необходимыми и важными из тепловых величин становятся измерения параметров теплообмена, а также измерения эксплуатационных параметров теплоносителя, таких как его температура, расход, теплоемкость (энтальпия), тепловой поток, создаваемый теплоносителем, и выделившееся в системе отопления количество теплоты. Измерения этих параметров определяют качество учетных операций при взаиморасчетах между поставщиками и потребителями тепла и являются технической основой энергосбережения, а,
следовательно, в соответствии с законами РФ «Об обеспечении единства измерений» и «Об энергосбережении» такие измерения подлежат обязательному государственному метрологическому контролю и надзору и требуют наличия не только необходимого и достаточного, но и, желательно, опережающего уровня метрологического обеспечения.
Однако в настоящее время такой уровень не достигнут. Отсутствуют государственные эталоны и соответствующие поверочные схемы для средств измерений теплового потока и количества теплоты в системах теплоснабжения, для средств измерений коэффициентов теплового излучения, для средств измерений теплоемкости теплоносителей и их расхода в диапазоне рабочих температур. Требуют совершенствования эталоны и государственные поверочные схемы для средств измерений теплопроводности и поверхностной плотности теплового потока с целью расширения диапазона измерений и уменьшения погрешностей. Необходимо также совершенствование средств передачи размера единиц и методик выполнения измерений температуры поверхности, поверхностной плотности теплового потока, коэффициента теплоотдачи и температуры теплоносителей. Поэтому перед отечественной метрологией стоит проблема поэтапного решения задач создания и совершенствования методов и средств обеспечения единства измерений основных параметров теплообмена и теплоносителей.
Данная диссертационная работа направлена на решение указанной проблемы. Этим определяется ее актуальность.
Цель настоящей диссертационной работы - решение проблемы повышения точности и обеспечения единства измерений параметров теплообмена и теплоносителей.
Для достижения этой цели необходимо на основе разработки, теоретических и экспериментальных исследований решить задачи создания комплекса методов и средств воспроизведения и передачи размера единиц измерения основных параметров теплообмена и параметров теплоносителя; создания и разработки на основе этого комплекса государственных поверочных
схем для средств измерений поверхностной плотности теплового потока, коэффициентов теплового излучения, теплового потока и количества теплоты в системах теплоснабжения; разработки методов и средств прецизионных измерений поверхностной плотности теплового потока, температуры поверхности, теплопроводности, коэффициентов теплоотдачи и теплового излучения, а также теплового потока и количества теплоты в системах теплоснабжения, расхода, температуры и теплоемкости теплоносителей. Научная новизна работы заключается в следующем:
- предложен новый подход к созданию и классификации методов и
средств теплофизических измерений, основанный на использовании принципов
адиабатического формирования (с помощью открытой адиабатической
оболочки) тепловых потоков или теплометрического (с помощью тепломеров)
измерения тепловых потоков в системе теплообмена ядро - оболочка;
на основе предложенного подхода впервые с использованием принципов адиабатической калориметрии и теплометрического компарирования теоретически обоснованы и экспериментально исследованы методы и созданы эталонные средства измерений поверхностной плотности теплового потока;
впервые созданы методы и эталонные средства измерений интегральных коэффициентов теплового излучения материалов, использующие принципы адиабатического формирования и прецизионной теплометрии, а также стандартные образцы излучательных свойств и метод одновременного компарирования радиационных тепловых потоков;
- предложен новый модуляционный метод разновременного
компарирования физических величин и созданы измерительные установки для
точных измерений интегральной излучательной способности материалов;
- впервые предложена концепция метрологического обеспечения
теплосчетчиков, основанная на прямом измерении теплового потока и
количества теплоты в системах теплоснабжения; предложен и создан комплекс
новых теплометрических методов и средств для измерений этих физических
величин при эксплуатационных значениях температур, давлений и реальных значениях теплофизических свойств теплоносителей.
Результаты теоретических исследований положены в основу разработки технических средств метрологического обеспечения измерений поверхностной плотности теплового потока, температуры поверхности, коэффициентов теплового излучения и теплопроводности материалов; расхода, температуры, теплоемкости, количества теплоты и теплового потока в системах теплоснабжения. Это позволило:
- создать Государственную поверочную схему и тем самым
метрологически обеспечить испытания, поверку и калибровку контактных
средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне от
10 до 2000 Вт/м при температурах от 200 до 400 К;
- повысить точность контактных средств измерений температуры
теплообменных поверхностей объектов техники в диапазоне от минус 200 до
650 С;
- расширить диапазон измерений теплопроводности в область малых
значений (менее 0,2 Вт/(м-К)) на основе существующих эталонных мер
теплопроводности и высоких значений (более 100 Вт/(м-К)) на основе
использования открытой адиабатической оболочки;
- обеспечить единство измерений интегральных коэффициентов
теплового излучения материалов в диапазоне от 0,10 до 0,99 при температурах
от 200 до 850 К;
- создать техническую базу для проведения испытаний и поверки средств
учета тепла при эксплуатационных значениях температур (от 20 до 180 С) и
давлений (до 1 МПа) теплоносителя, а также при реальных значениях его
теплофизических свойств;
- создать эталонные установки и высокоточные средства для
воспроизведения и передачи размеров единиц измерений основных параметров
теплообмена и теплоносителей.
Основные результаты работы реализованы и внедрены (ПриложениеА):
в ФГУП «Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт метрологии» (г. Новосибирск) в установке высшей точности УВТ 53-А-88 и Государственной поверочной схеме для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне от 10 до 2000 Вт/м (МИ 1855-88); в методе и эталонной установке расходомерной массовой 1-го разряда УМПР СНИИМ (зарегистрирована в Госреестре под № 26578-04); в рабочем месте для поверки преобразователей теплового потока РМП ПТП; в теплометрическом методе и проливном стенде для испытаний и поверки теплосчетчиков; в методе и теплометрической установке для измерений теплопроводности теплоизоляционных материалов; в автоматизированном компьютерном комплексе для градуировки преобразователей температуры поверхности, используемых в микроэлектронной технике; в методе и измерительных установках эталонного назначения для исследования и аттестации стандартных образцов излучательных свойств; в методе и компараторе для исследований температурной зависимости интегральных коэффициентов теплового излучения материалов; в адиабатическом калориметре для измерений теплоемкости металлов в нестационарном режиме; в измерительных установках для исследований теплоемкости, интегральной полусферической излучательной способности и электросопротивления металлов и сплавов модуляционным методом; в установке для аттестации плоских преобразователей температуры поверхности; в методе и установке для определения температуры Кюри чистых ферромагнетиков; в установке для определения малых потерь в ферромагнетиках теплометрическим методом; в малогабаритных ампулах для реализации реперных точек температурной шкалы; в установке для исследований температурной зависимости коэффициента теплоотдачи отопительных приборов;
в ФГУП «Федеральный научно-производственный центр «Алтай» (г. Бийск) в методе и установке для определения температуропроводности стеклопластиков в диапазоне от минус 100 до 150 С, основанной на
закономерностях симметричного нагрева плоских образцов с постоянной скоростью; в методе и установке для измерений теплопроводности полимерных резиноподобных материалов при температурах от минус 100 до 250 С в динамическом режиме, основанной на методе симметричного нагрева образцов с теплометрическим способом определения мощности нагревателя; в дифференциальном калориметре с идентичными теплометрическими ячейками для динамических измерений теплоемкости и определения температур фазовых превращений в полимерных материалах при их циклическом нагружении при температурах от минус 150 до 300 С; в методе и аппаратуре для метрологической аттестации поверхностных преобразователей температуры в диапазоне от 50 до 300 С с погрешностью менее 1%, содержащей малоинерционный поверхностный термостат с системой автоматического поддержания температурного режима и эталонный измеритель температуры поверхности стержневого типа со следящей компенсацией теплоотвода; в методе и прецизионном измерителе теплопроводности особо чистых металлов в диапазоне значений более 200 Вт/(м*К) при температурах от 0 до 95 С с погрешностью менее 5%, основанном на адиабатическом методе формирования аксиального теплового потока в цилиндрическом образце.
Созданные на основе этих научно-технических разработок и решений измерительный и метрологический комплексы внедрены на предприятии и используются для исследований стабильности свойств специальных полимерных материалов и изделий; для поверки контактных преобразователей температуры и определения их метрологических характеристик в условиях, максимально приближенных к условиям их эксплуатации на поверхностях объектов техники; для создания датчиков высокоинтенсивньгх тепловых потоков, действие которых основано на решении обратной задачи теплопроводности и которые используются для исследований тепловых режимов при стендовых испытаниях объектов техники;
- в ФГУП «Сибирский научный институт авиации им С.А.Чаплыгина» (г. Новосибирск) в методе и установке для градуировки плоских
поверхностных преобразователей температуры и теплового потока в климатическом диапазоне температур; в кондуктивном методе и теплометрическом компараторе КТМ-01 для определения метрологических характеристик плоских преобразователей теплового потока в диапазоне от 10 до 2000 Вт/м с погрешностью менее 2%; в калориметрическом методе для определения объемной теплоемкости и энтальпии радиоэлектронных блоков с погрешностью менее 5%.
Результаты этих работ использовались при создании и совершенствовании технологии специальных преобразователей температуры и теплового потока, необходимых для исследований надежности и ресурса бортового оборудования летательных аппаратов и их теплового режима;
- в ФГУП «Научно-производственное объединение измерительной
техники» (г. Королев, Московской области) в методе и низкотемпературном
теплометрическом компараторе для метрологической аттестации градиентных
тепломеров при температурах от 120 до 100 С с погрешностью менее 5%.
Метод и установка использовались для исследований специальных тепломеров-преобразователей теплового потока, предназначенных для исследований тепловых режимов объектов ракетной техники;
— в ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт
авиационных материалов» (г. Москва) в методах и аппаратуре для
метрологического обеспечения измерений коэффициентов теплового излучения
материалов: в радиационном методе, основанном на уравнивании потоков
излучения от стандартного и исследуемого образцов; в компараторе
излучательных свойств КИС-01 с неселективным дифференциальным
радиометром; в широкодиапазонном (от 50 до 600 С) измерителе температуры
поверхности с автоматической компенсацией теплоотвода по контактному
термопреобразователю стержневого типа; в адиабатическом измерителе типа
«черное тело» для диапазона температур от 50 до 600 С.
Внедрение этих результатов работы заложило основы метрологического обеспечения терморадиационных характеристик материалов, имеющих важное значение для развития авиакосмической техники;
- в ФГУП «Ростест-Москва» при выполнении работ в рамках
государственного метрологического контроля путем использования
рекомендаций «ГСИ. Малогабаритный проливной стенд поверочный».
Методика поверки теплосчетчиков и водосчетчиков методом
непосредственного сличения (МИ 2452-97) и «ГСИ. Теплосчетчики в составе
автоматизированных систем». Типовая программа испытаний для целей
утверждения типа (МИ 2479-98);
- в ОАО «Научно-производственное предприятие «Эталон» (г. Омск)
используются результаты диссертационной работы, направленные на освоение
серийного производства следующих средств приборного и метрологического
обеспечения параметров теплообмена и параметров теплоносителей:
сухоблочных термостатов ТР-1М и ТС-250-1, предназначенных для поверки
средств измерений температуры, в том числе термопреобразователей в составе
теплосчетчиков в диапазоне от 50 до 250 С; термопреобразователей
сопротивления с унифицированным выходным сигналом ТСПУ 9313 (от минус
200 до 600 С) и ТСМУ 9313 (от минус 50 до 150 С) для измерений
температуры жидких сред в теплоэнергетике; малоинерционных
поверхностных термоэлектрических преобразователей ТХА 9909 и ТХК 9909
для измерений температуры плоских поверхностей в диапазонах от минус 40 до
260 С и от минус 40 до 600 С; гибких пластинчатых поверхностных
термопреобразователей типа «вспомогательная стенка» ТХА 0001, ТХК 0001,
ТСП 9703, ТСМ 9703, предназначенных для измерений температуры плоских,
цилиндрических и криволинейных поверхностей в диапазоне от минус 60 до
700 С; поверхностного термостата ТПР 200-ТТ-1, предназначенного для
поверки средств измерений температуры поверхности в диапазоне от 50 до 200
С с погрешностью менее 0,1 С; малогабаритных ампул для реализации
реперных точек плавления галлия и затвердевания индия Международной
температурной шкалы МТШ-90 с целью их дальнейшего использования при поверке прецизионных термометров из состава теплосчетчиков; теплометрических расходомеров-теплосчетчиков и установки для их испытаний и поверки, основанной на использовании измерительных теплометрических теплообменников; оптоволоконного пирометра ПЛ-7, предназначенного для использования в жестких условиях эксплуатации, в том числе в атомной энергетике, для измерений температуры от 400 до 2000 С.
Основное содержание выполненных разработок и исследований докладывалось и обсуждалось более, чем на 30 международных, всесоюзных и всероссийских конференциях, конгрессах и семинарах, в том числе на Всесоюзном семинаре «Метрологическое обеспечение измерений высоких температур и параметров плазмы» (Харьков, 1979); III Всесоюзном совещании по низкотемпературным измерениям и их метрологическому обеспечению (Москва, 1982); IV Всесоюзной конференции «Метрологическое обеспечение теплофизических измерений при низких температурах» (Хабаровск, 1985); III Всесоюзной конференции «Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур» (Харьков, 1986); Всесоюзной конференции «Современное состояние теплофизического приборостроения» (Севастополь, 1987); IV Всесоюзной конференции «Методы и приборы для точных дилатометрических исследований в широком диапазоне температур» (Ленинград, 1988); VI Всесоюзной конференции «Электротермометрия - 88» (Луцк, 1988); on IMECO-TC 12 Workshop on «Surface thermal measurements» (Budapest, 1988, 1995);VIII Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Новосибирск, 1988); V Всесоюзной конференции «Метрологическое обеспечение теплофизических измерений при низких температурах» (Хабаровск, 1988); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 1992, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004); on European scientific metrological conference «150 th Anniversany of Russian Metrological Service» (St. Petersburg, 1992); Первой Российской конференции по
проблемам термометрии (Подольск, 2001); III Научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение учета энергетических ресурсов» (Москва, 2001); Всероссийском семинаре «Метрологические аспекты промышленной термометрии» (Обнинск, 2002); Международной конференции по проблемам коммерческого учета энергоносителей «Теплосиб» (Новосибирск, 2002, 2003, 2004, 2005); III Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники» (Киев, 2003); Международном научном семинаре «Радиационные измерения истинной температуры тел с неизвестной излучательной способностью» (Москва, 2003); Второй Всероссийской конференции по проблемам термометрии (Обнинск, 2004); Всероссийском семинаре-совещании «Практическое применение контактных и пирометрических средств температурных измерений и средств их метрологического обеспечения» (Омск, 2005); Международном научном конгрессе «Гео-Сибирь» (Новосибирск, 2005), а также на семинарах и совещаниях в ведущих научных и метрологических центрах мира: Институте тепло- и массообмена (Минск, 1987), Метрологическом институте Венгрии (Будапешт, 1987), Институтах прикладной оптики и современной химии (Сиань, 1991, 2001), Физико-техническом институте (Берлин-Брауншвейг, 1994), Научно-технической комиссии (НТК) Госстандарта (Москва, 1993, 2001), Национальном метрологическом институте (Пекин, 1997), Национальном центре стандартизации и метрологии (Алма-Ата, 1998), Словацком метрологическом институте (Братислава, 2003).
На защиту выносятся следующие основные научные положения: -разработанные методы измерения тепловых потоков, основанные на использовании открытой адиабатической оболочки, позволили создать средства высшей точности для воспроизведения размера единиц измерения поверхностной плотности теплового потока, интегральных коэффициентов теплового излучения и теплопроводности материалов;
-предложенные теплометрические методы компарирования позволили создать новые эффективные средства передачи размера единиц измерения основных параметров теплообмена;
- выдвинутая автором идея и концепция метрологического обеспечения измерений теплового потока и количества теплоты в системах теплоснабжения, основанная на использовании измерительных теплообменников, открывает новые возможности повышения точности воспроизведения и передачи размера этих физических величин при эксплуатационных значениях параметров теплоносителей;
-полученные в работе результаты являются основой формирования нового научно-технического направления в метрологическом обеспечении теплофизических измерений - обеспечение единства измерений параметров теплообмена и теплоносителей.
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографии и приложений. Работа содержит 275 страниц, в том числе 65 иллюстраций и 11 таблиц. В библиографии приведено 250 наименований.
Измерения поверхностной плотности тепловых потоков
Для определения тепловых потерь зданий, сооружений, различных теплоэнергетических объектов все более широко используются измерительные преобразователи теплового потока (ПТП) типа «вспомогательной стенки» [5,6].
Принцип действия преобразователей основан на формировании электрического сигнала Е, пропорционального разности температур AT, создаваемой измеряемым тепловым потоком плотностью q на некотором постоянном термическом сопротивлении R, имеющим обычно вид пластины (стенки). Они содержат чувствительный элемент, представляющий собой термическое сопротивление в виде слоя материала 1 толщиной h с теплопроводностью Л, на поверхностях которого размещены датчики температуры 2, чаще всего, спаи дифференциальных термоэлектрических преобразователей (рисунок 3). Контактные пластины (слои) 3 обеспечивают необходимый тепловой контакт с поверхностью объекта и защищают чувствительный элемент от внешних воздействий.
Такие преобразователи, которые часто называют контактными тепломерами, размещают на поверхности объекта, измеряют электрический сигнал и рассчитывают плотность теплового потока по формулегде К — коэффициент преобразования, Вт/ (м .мВ), который зависит от значений R , чувствительности дифференциальных термопреобразователей, и который определяют экспериментальным путем.
Для измерения сигнала ПТП используют милливольтметры илиспециальные переносные или стационарные измерители, которые отображаютрезультат измерений в значениях плотности теплового потока. К такимспециальным средствам измерения относятся, например, цифровые измерителитепловых потоков серии ИТП 20 24, а также информационно измерительные комплексы ИТС, предназначенные для тепловых испытанийстроительных конструкций, выпускаемые Институтом техническойтеплофизики (ИТТФ г. Киев). Аналогичные приборы (ИТП - МГ «Поток»)выпускает СКБ «Строиприбор» (г. Челябинск).
В СССР и России наибольшее распространение получили гальванические термоэлектрические ПТП, разработанные ИТТФ, представляющие собой многоспайную (до 1000 спаев) биметаллическую термобатарею, свернутую в плоскую спираль и расположенную в материале из диэлектрика. Аналогичные преобразователи созданы в Институте измерительной техники (г. Королев) на основе гальванической термобатареи, размещенной в пластине из оргстекла. Для повышения чувствительности преобразователей используют такжеполупроводниковые термобатареи (СКВ теплофизического приборостроения(г.Санкт-Петербург), КБ «Фотон» (г.Тернополь), Сухумский
физико-технический институт). В настоящее время технологию промышленного производства контактных тепломеров осваивает завод «Эталон» (г.Омск). Из зарубежных производителей 11111 наиболее известна фирма «PANENSA» (Швейцария).
Все эти преобразователи широко используются при изучении тепловых процессов, прежде всего, в теплоэнергетике, а также в авиационной и ракетно-космической технике, в геофизике и медицине. Коэффициенты преобразования 11111 обычно имеют значения от 1 до 100 Вт/(м -мВ). Размеры и формы преобразователей различны. Они бывают круглой, квадратной или прямоугольной формы с характерными размерами от 10 до 330 мм и толщиной от 0,5 до 15 мм. Диапазон измеряемых плотностей тепловых потоков -от 1 до 10000 Вт/ м при температурах от - 200 до 650 С. Технические требования к преобразователям приведены в межгосударственном стандарте ГОСТ 30619 [6].
Для метрологического обеспечения средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне от 10 до 2000 Вт/ м в СССР с 1989 г. действует созданная при выполнении настоящей работы Государственная поверочная схема (МИ 1855-88) [6]. Возглавляет поверочную схему созданная и находящаяся в СНИИМ установка высшей точности УВТ 53-А-88, которая предназначена для воспроизведения и хранения размера единицы плотности теплового потока с погрешностью менее 1% (НСП) в диапазоне от 200 до 400 К, а также для передачи размера единицы при помощи образцовых (эталонных) средств измерений (СИ) рабочим (СИ), имеющим пределы допускаемых относительных погрешностей от 4 до 10 % [7, 8].
В настоящее время возросли требования к уровню точности и диапазону измерений, средств воспроизведения и передачи размера единицы q, а также к универсальности их измерительных ячеек относительно размеров и форм ПТП. Кроме этого назрела необходимость изменения статуса УВТ на
Адиабатический метод и установки для воспроизведения единицы поверхностной плотности теплового потока
Выше указывалось, что при решении задач энергосбережения и контроля за рациональным использованием топливно-энергетических ресурсов, необходимо точное измерение тепловых потерь на теплоэнергетических объектах. С этой целью разрабатываются контактные преобразователи теплового потока (ПТП) и соответствующие измерительные приборы, с помощью которых можно контролировать величину тепловых потерь по результатам измерений плотности теплового потока, проходящего через преобразователь, расположенный на объекте. Главной характеристикой 11111 является точность определения его коэффициента преобразования К, равного отношению значения q плотности теплового потока проходящего через чувствительный элемент ПТП, к значению Е его выходного сигнала (К = q/E).
Все эти преобразователи широко используются при изучении тепловых процессов в теплоэнергетике, в авиационной и ракетно-космической технике, в геофизике, в медицине. Коэффициенты К преобразования 11111 имеют значения от 1 до 100 Вт/(м2«мВ). Размеры и формы существующих преобразователей различны. Они бывают круглой, квадратной или прямоугольной формы с характерными размерами от 10 до 330 мм и толщиной от 0,5 до 15 мм. Диапазон измеряемых плотностей тепловых потоков от 1 до 10000 Вт/м при температурах от минус 200 до 650 С.
Вопрос о погрешности 11111 оставался долгое время открытым, так как каждый разработчик и производитель использовал свои методы и средства метрологического обеспечения этих СИ. Лишь в 1989 г. была введена государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне от 10 до 2000 Вт/м [8]. Возглавляет поверочную схему установка высшей точности, которая предназначена для воспроизведения и хранения единицы плотности теплового потока с погрешностью менее 1 % (НСП) в диапазоне от 200 до 400 К и передачи размера единицы при помощи образцовых СИ рабочим СИ, имеющим пределы допускаемых относительных погрешностей от 4 до 10 процентов.
В качестве средств передачи размера единицы поверочная схема предусматривает использовать кондуктивные, радиационные и конвективные компараторы [7,10,28,122,149,150]. Рабочее место для поверки преобразователей теплового потока (РМП 11111), разработанное автором диссертации и изготовленное в количестве 5 шт. на Алма-Атинском заводе «Эталон», прошло в 1988 г. государственные испытания и внедрено в метрологическую практику.
В настоящее время возросли требования к уровню точности и диапазону измерений, средств воспроизведения и передачи размера единицы q; универсальности их измерительных ячеек относительно размеров и форм ПТП. Кроме этого необходимо изменить статус УВТ на государственный эталон при одновременном снижении его погрешности, в частности, для обеспечения метрологического запаса точности и общего ее повышения в поверочной схеме.
Контроль за тепловыми потоками за рубежом чаще всего осуществляется путем косвенных измерений по результатам определения перепада температур на слое теплоизоляции и на основании данных по теплопроводности материала теплоизоляции. Погрешность определения плотности теплового потока в этом случае достигает около 10 % и зависит от надежности данных по теплопроводности. Немногочисленные сведения об устройствах для градуировки измерителей тепловых потоков за рубежом не содержат данных о точности и производительности таких установок. При этом необходимо отметить, что сейчас достигнуты значительные успехи в снижении методических погрешностей измерения плотности тепловых потоков, в частности, через ограждающие конструкции различных объектов [151].
В дальнейшем рассматриваются состояние и пути повышения технического уровня измерительных средств поверки, используемых для метрологического обеспечения контактной теплометрии.
Одним из главных результатов данной работы является создание установки высшей точности (УВТ) для воспроизведения, хранения и передачи размера единицы поверхностной плотности теплового потока. Принцип действия вакуумного адиабатического калориметра предложен автором и основан на использовании для формирования необходимого теплового потока в УВТ открытой адиабатической оболочки [123]. Для этой цели источник теплового потока (рисунок 30) в виде плоского электрического нагревателя 1 одной поверхностью контактирует с поверхностью 11111 (2), которому передается размер единицы q. Другая поверхность нагревателя окружена адиабатической оболочкой 3, температура которой поддерживается с помощью автоматического регулятора равной температуре нагревателя. При этом тепловой поток от нагревателя полностью направлен через ПТП, который стороной, противоположной нагревателю, прижат к термостатированному блоку 4 (холодильнику). Измерения электрической мощности Р, площади F и сигнала Е преобразователя позволяют найти коэффициент его преобразования К = q/E = Р/ Е F (10 q 2000 Вт/м2). Изменяя температуру холодильника, можно определить температурную зависимость К = К(Т).
Метод и кондуктивный компаратор для передачи размера единицы поверхностной плотности теплового потока
Передача размера единицы поверхностной плотности теплового потока q от образцовых рабочим СИ осуществляется в настоящее время в соответствии с МИ 1855-88 кондуктивными или радиационными компараторами. Наибольшее распространение получили кондуктивные компараторы основанные на сравнении показаний одинаковых по размерам поверяемого и эталонного ПТП, когда через них проходит одинаковый тепловой поток. Тепловой поток возникает за счет перепада температур между нагревателем и холодильником, между поверхностями которых помещены оба ПТП.
Установка-компаратор для относительной градуировки преобразователей теплового потока передает значения коэффициента преобразования от образцовых преобразователей к рабочим.
В основу установки положен метод, одним из автором которого является автор данной работы заключающийся в непосредственном сличении двух идентичных преобразователей, образцового и поверяемого, сложенных вместе и помещенных между нагревателем и холодильником, создающими градуировочный тепловой поток необходимой плотности. В отличие от известных методов в данном методе в качестве нагревателя и холодильника использованы не электрические нагреватели, а термоэлектрические батареи, у которых в зависимости от направления электрического тока одна сторона нагревается, а другая охлаждается [149].
На рисунке 40 изображена схема компаратора КТМ-01[10]. Между двумя идентичными термобатареями 1 помещены градуируемый и образцовый преобразователи 2, центрированные между собой кольцом 3. Все устройство помещено в термостатированный корпус 4. Термобатареи расположены и соединены электрически так, чтобы горячая сторона одной и холодная — другой были обращены друг к другу. Питание термобатарей от стабилизированного источника постоянного тока 5. Измерение термоэлектрических сигналов сравниваемых преобразователей производится цифровым милливольтметром 6.
Поскольку установка является всего лишь компаратором, основная погрешность определяется различием величины теплового потока, проходящего через образцовый и градуируемый преобразователи, то есть зависит от боковых тепловых утечек. Нетрудно показать, что в случае полной идентичности верхней и нижней половин (термобатарей и преобразователей) через сравниваемые преобразователи пойдет одинаковый тепловой поток, несмотря на боковой теплообмен, так как теплоприток к боковой поверхности одного преобразователя компенсируется таким же теплооттоком от боковой поверхности другого. То есть распределение плотности теплового потока впреобразователях получается симметричным относительно средней линии, а следовательно, в обоих преобразователях тепловые потоки оказываются одинаковыми.
Таким образом при наличии полной идентичности нижней и верхней частей компаратора боковой теплообмен не влияет на результаты градуировки. На практике получить полную идентичность обеих половин не удается. Это могут быть и неидентичность холодо- (тепло-) производительности термобатарей, и неидентичность тепловых характеристик верхней и нижней половин корпуса, и неидентичность теплофизических свойств сравниваемых преобразователей. В связи с этим в установке для исключения первых двух причин предусмотрена инверсия теплового потока (тока через термобатареи), когда нагреватель и холодильник меняются ролями относительно половин корпуса. Для исключения третьей причины сравниваемые преобразователи меняются местами, то есть меняются местами распределения температур в преобразователях относительно корпуса.
С целью выявления погрешностей, обусловленных указанными причинами, градуировочные опыты на компараторе проводятся при двух направлениях теплового потока и при двух положениях сравниваемых преобразователей. Значения коэффициентов преобразования Кх рассчитываются по формуле (3.9) при постоянно принятом значении коэффициенте преобразования Ко. При этом за истинное значение принимается среднее арифметическое из четырех указанных измерений.
Экспериментальные исследования компаратора показали, что значения коэффициентов преобразования 11111 при изменении направления теплового потока различаются систематически для всех преобразователей на 0,5 - 0,7 %. При перестановке 11111 значения этих коэффициентов расходятся на 5 - 10 %. Из приведенного выше анализа очевидно, что причиной такого разброса при
Теплометрические методы и средства метрологического обеспечения измерений параметров теплоносителей
Блок основного нагревателя, тепломер, образцы и верхний нагреватель окружаются охранным цилиндром 9, температура которого поддерживается близкой к температуре образцов с помощью дифференциальной термопары, установленной между пластинкой тепломера и внешней поверхностью охранного цилиндра. Весь тепловой блок помещается в теплоизолирующий кожух 10, состоящий из двух разъемных половин. При замене образцов верхняя половина кожуха вместе с блоком симметрирующего нагревателя поднимается и открывает доступ к образцам.
Для поддержания необходимых условий нагревания калориметр содержит блок задания теплового режима, с помощью которого устанавливается необходимая скорость нагревания, а также регулируются температуры симметрирующего нагревателя и нагревателя охранного цилиндра. В качестве измерительного прибора использован автоматический потенциометр с предварительным усилителем и блоком переключения измеряемых сигналов. Прибор позволяет одновременно записывать температуру на образце и тепломере.
Исследования калориметра проводились автором данной работы на образцах из полиметилметакрилата и политетрафторэтилена при скорости нагревания от 1 до 3 К/мин. Образца имели вид цилиндрических шайб диаметром 35 мм и толщиной 5 мм. Из опытов с обоими образцами определялась температурная зависимость постоянной кг тепломера по формуле (3.24) с использованием известных значений их теплопроводности [70,245].
Расхождения значений, полученных на разных образцах, не превышали 4 %. Это согласуется с расчетным значением погрешности, полученным из (3.27), так как различие теплоємкостей образцов при этих измерениях составляло около 25 %, а соотношение теплоємкостей образца и тепломера -2:5.
Средний квадратический разброс результатов, полученных на одних и тех же образцах в разных опытах, составлял 2 % несмотря на то, что поверхность образцов не подвергалась специальной обработке. Такое слабое влияние контактных термических сопротивлений получается за счет достаточно большой толщины образцов и отсутствия теплового потока в центре составной пластины, где помещен спай дифференциальной термопары, измеряющей перепад температуры на образце.На описанной калориметре измерена теплопроводность различных полимерных материалов при температурах от минус 100 до 300 С.
Сравнительный метод и установка для измерений теплопроводности теплоизоляционных материалов. Энергетические проблемы привлекают все большее внимание к качеству теплоизоляционных материалов, важнейшей характеристикой которых является теплопроводность. Это обстоятельство стимулирует разработку универсальных методов и средств измерений теплопроводности. При этом универсальность должна проявляться прежде всего в отказе от жесткой регламентации размеров исследуемых образцов, которая свойственна большинству существующих измерительных установок и приборов, рассмотренных, например, в [30].
Лишь методы линейного источника тепла [182, 183] и поверхностного теплового зондирования [160,161] реализуются с минимальными требованиями к размерам образцов. Однако для осуществления метода линейного источника требуются образцы значительных размеров, как правило, более 100 мм. Это ограничивает возможности метода. В методе теплового зондирования используется зависимость разности температур между зондами от теплопроводности. Эта зависимость устанавливается с помощью образцовых мер теплопроводности и, следовательно, метод является сравнительным. Вметоде используется более простая процедура измерений по сравнению с абсолютными методами, в которых необходимы измерения многих электрических и геометрических параметров. Достоинством метода является также возможность интерполяции или экстраполяции градуировочной зависимости, что позволяет измерять теплопроводность в тех областях ее значений, для которых в настоящее время отсутствуют образцовые меры, например, для значений менее 0,2 Вт/(м-К) и от 1,5 до 7 Вт/(м-К). Однако метод поверхностного зондирования пока реализуется только при комнатной температуре [31].
Поэтому в настоящей работе ее автором поставлена задача разработки сравнительного метода измерений, не требующего строгого соблюдения определенных размеров исследуемых образцов и их соответствия размерам образцовых мер, используемых при градуировке. Решение этой задачи найдено им на основе использования однозначной зависимости стационарного теплового потока Q, проходящего через плоский образец и прилегающие к нему тепломеры, от тепловой проводимости G образца. Зависимость Q = f{G) устанавливается предварительной градуировкой по набору образцовых мер, а для выполнения условия однозначности при градуировке и измерениях перепад температур на образцах поддерживается одинаковым [244].
Схема установки, реализующей метод, приведена на рисунке 49. Ее тепловой блок состоит из медных разъемных стаканов 1, снабженных нагревателями 2, 3, тепломеров 4, 5 из титанового сплава ВТ-6, медных контактных дисков 6, 7. Между дисками помещается исследуемый образец 8, поверхность которого покрывается тонким слоем теплопроводной смазки КТП-8. Вблизи поверхности нижнего контактного диска 7 монтируется термопара 9, которая подключается к автоматическому потенциометру 10 и определяет температуру отнесения. Эта температура и необходимый перепад температур на исследуемом образце поддерживаются регуляторами 11,12 типа ВРТ-3.
