Введение к работе
\ \ \\ 5
Актуальность темы. Суперионные проводники - класс твердых тел, обладающих в определенном температурном интервале высоким значением ионной или ионно-электронной проводимости. Ионная проводимость соединения RbAg4Is равна 0,25...0,28 (Ом см)'1 а соединения Cu4RbCl3I2 - 0,5 (Ом см)'1 при комнатной температуре.
Открытие суперионных проводников создало предпосылки для их применения в микроэлектронике, радиотехнике и приборостроении наряду с традиционными для этих отраслей промышленности материалами - металлами и полупроводниками. Создаются новые элементы функциональной электроники на основе явлений, происходящих на гетеропереходе суперионного проводника с ионно-электронным проводником, металлическим электродом или полупроводником. Последние достижения в области электроники и ионики твердого тела показывают перспективность использования преобразователей на основе суперионных и ионно-электронных проводников, таких как интеграторы дискретного действия, конденсаторы повышенной емкости, инжекционные интеграторы, в качестве интегрирующих элементов и элементов аналоговой памяти. При этом интегрирование входного сигнала осуществляется автоматически без применения дополнительных элементов и функциональных блоков. Дальнейшее хранение информации на данных элементах в течение длительного временного интервала происходит без потребления электрической энергии по цепи питания.
Одной из наиболее важных научно-технических задач, встречающейся в науке, технике и производстве, является измерение расхода тепловой энергии. Современные методы измерения тепловой энергии основаны на непрерывном измерении температуры и массового расхода теплоносителя.
Актуальной задачей является исследование возможности использования интегрирующих элементов функциональной электроники на основе суперионных проводников, обладающих свойствами энергонезависимой памяти, при разработке новых методов измерения и контроля расхода тепловой энергии.
<>сс. национальная]
ЬИБЛИОТЕКА
{ СПе
« 09
Целью настоящей диссертационной работы является разработка способа измерения расхода тепловой энергии локального отопительного прибора на основе суперионного интегратора дискретного действия.
Основные задачи, которые необходимо было решить при выполнении данной работы, заключались в следующем:
Изучение мировых и отечественных достижений в области создания интегрирующих элементов на основе суперионных проводников, а также измерителей тепловой энергии.
Исследование интегрирующих свойств интегратора дискретного действия.
Разработка способа измерения температуры с использованием интегратора дискретного действия на основе суперионного проводника и термопреобразователя.
Исследование процесса теплопередачи локального отопительного прибора.
Разработка способа измерения расхода тепловой энергии локального отопительного прибора с использованием интегратора дискретного действия на основе суперионного проводника.
Создание измерительньж устройств, осуществляющих разработанные способы измерения.
Методы исследования. Теоретические разделы диссертационной работы базируются на основах теории конвективной теплопередачи и теплового излучения, теории измерительньж устройств. Практические результаты получены на основе разработанньж экспериментальных устройств в лабораторньж и промышленных условиях.
Научная новизна.
Исследован интегратор дискретного действия на основе суперионного проводника RbAg4I5 с емкостью 1,2 Кл в режиме записи постоянным и пульсирующим токами. Показано, что для токов записи от 0,5 до 10 мкА и токов считывания от 1 до 10 мкА для временньж интервалов от нескольких часов до одного месяца погрешность цикла запись-считывание не превышает 1 %.
Исследована измерительная цепь, состоящая из интегратора дискретного действия на основе суперионного проводника RbAg4I5 и термопреобразователя, при измерении температуры. Показано, что для токов записи от 0,3 до 3,5 мкА, для временного интервала 10 суток погрешность цикла запись-4
считывание не превышает 2 %. Разработан способ измерения средней разности температур двух сред.
Исследован процесс теплопередачи локального отопительного прибора при изменении температуры прибора 60... 100 С и температуры окружающей среды 10, 20, 30 С. Показано, что при комнатных температурах величина теплового потока прямо пропорциональна разности средней температуры конвектора и комнатной, а коэффициент теплопередачи имеет постоянную величину.
Предложены метод и алгоритм измерения расхода тепловой энергии локального источника тепловой энергии. Разработаны способ и устройство на основе суперионного проводника и термоэлектрического преобразователя для учета расхода тепловой энергии локального отопительного прибора. Новизна способа измерения расхода тепловой энергии и технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение.
Практическая ценность, реализация и внедрение результатов исследований.
Разработан способ учета расхода тепловой энергии локального отопительного прибора, заключающийся в непрерывном интегрировании сигнала пропорционального разности температур локального отопительного прибора и окружающей среды с помощью интегратора дискретного действия и термоэлектрического преобразователя; считывании заряда с интегратора и определении расхода тепловой энергии с учетом коэффициента теплоотдачи соответствующего температурным условиям. Получены расчетные соотношения для определения расхода тепловой энергии. Создано и исследовано в лабораторных условиях измерительное устройство, реализующее предложенный способ. Устройство при измерении и хранении информации не потребляет энергию по цепи питания.
Разработан способ измерения средней разности температур двух сред, заключающийся в непрерывном интегрировании сигнала пропорционального измеряемой разности температур с помощью интегратора дискретного действия на основе суперионного проводника и термоэлектрического преобразователя. Создано и исследовано на промышленном предприятии измерительное устройство, реализующее предложенный способ. Устройство при измерении и хранении информации не потребляет энергию по цепи питания, отличается просто-
той конструкции и надежностью. Результаты экспериментальных исследований подтверждены соответствующим актом о проведении и приемке работ.
3. Проведены экспериментальные исследования возможности измерения средней и суммарной освещенности, заключающейся в непрерывном интегрировании сигнала пропорционального измеряемой освещенности с помощью интегратора дискретного действия на основе суперионного проводника и полупроводникового фотоэлектрического преобразователя. Создано и исследовано в лабораторных условиях измерительное устройство, реализующее предложенный способ. Хранение информации устройством осуществляется без потребления дополнительной энергии по цепи питания.
Теоретические и практические результаты работы были использованы в КГТУ им. А.Н. Туполева при вьшолнении НИР по разработке измерительньж систем на основе суперионньж проводников, а также при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и представлялись на следующих конференциях:
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 98», Зеленоград, 20-22 апреля, 1998 г.
Шестая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Таганрог, 6-11 сентября, 1999 г.
Всероссийская конференция «Кинетика электродных процессов и ионно-электронный транспорт в твердьж электролитах», Екатеринбург, 25-26 апреля, 2000 г.
5-ый семинар «Ионика твердого тела», Черноголовка, 11-13 мая, 2000 г.
Международная научно-техническая конференция «Проектирование и эксплуатация электронных средств», Казань, 5-8 июня, 2000.
Республиканская выставка «Энергосберегающие технологии, оборудование и материалы», Казань, ВИКО, 15-17 июня, 2000.
6-ой семинар «Ионика твердого тела», Черноголовка, 19-20 июня, 2002 г.
8. 5-ая международная выставка «Энергетика. Ресурсосбережение», Казань,
18-20 декабря, 2003.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 1 патент на изобретение.
Основные положения, представляемые к защите.
Способ учета расхода тепловой энергии локального отопительного прибора с использованием интегратора дискретного действия на основе суперионного проводника и термоэлектрического преобразователя. Способ измерения средней разности температур с использованием интегратора дискретного действия на основе суперионного проводника и термоэлектрического преобразователя. Результаты экспериментальных исследований разработанных измерителей.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, иллюстрирована 55 рисунками и 11 таблицами, и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 76 наименований и приложения.
