СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
INCREASING THE SPEED OF MEASUREMENT OF NON-STATIONARY HEAT FLUX IN TIME.

Изобретение относится к измерительной технике, к области термометрии при измерении нестационарного теплового потока через поверхность. Предлагаемый способ измерения нестационарного теплового потока может быть использован при исследовании теплообмена, для измерения теплоотдачи с поверхностей, при изготовлении металлических теплоизолирующих экранов, при разработке и оптимизации систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, для измерения утечек теплового потока через ограждающие поверхности в строительстве, металлургии и энергетике.
Известен способ вспомогательной стенки для измерения теплового потока через поверхность (Пилипенко Н.В. Основы проектирования комбинированных приемников теплового потока. Учебное пособие. - СПб.: Университет ИТМО, 2016. - С.14). Суть способа вспомогательной стенки заключается в том, что на пути измеряемого потока располагают стенку с известной теплопроводностью λ. Измерив перепад температур ΔT по толщине стенки 8, вычисляют тепловой поток q.
Известен способ измерения теплового потока (Патент RU (11) №2 488080, опубликовано 20.07.2013, МПК G01K 17/08(2006.01)). 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. Способ, согласно изобретению, 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. Преимущество изобретения заключается в повышении точности измерения изменяющихся и постоянных тепловых потоков.
Наиболее близким по Способу определения нестационарного теплового потока является способ определения нестационарного теплового потока (Патент RU (11) №2551836, опубликовано 27.05.2015, МПК G01K 17/08 (2006.01)). Изобретение относится к области тепловых измерений и может быть использовано при исследовании теплообмена и управления процессами в металлургии, энергетике и других отраслях народного хозяйства. Сущность способа определения нестационарного теплового потока заключается в измерении разности и скорости изменения средних температур приемной и обратной поверхностей тепломера, а также дополнительно в измерении в сечениях тепломера скорости изменения средней по площади температуры и температуры в точках его боковой поверхности, а тепловой поток определяют по приведенной в этом способе формуле. Технический результат: способ по прототипу позволяет увеличить точность определения нестационарного теплового потока.
Основным недостатком указанного способа определения нестационарного теплового потока является его высокая погрешность измерений вследствие необходимости дополнительных измерений скорости изменения средней по площади температуры в сечениях тепломера и температуры в точках его боковой поверхности и, соответственно, невозможности точно контролировать изменения теплового потока.
Техническая проблема заключается в повышении точности определения нестационарного теплового потока на поверхности тепломера и в его сечениях.
Техническим результатом в предлагаемом способе определения нестационарного теплового потока является повышение точности определения нестационарного теплового потока.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
2
1
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
2
2
1
2
1
1
2
2
2
1
Технический результат в предложенном Способе определения нестационарного теплового потока, включающем измерение разности изменения температуры направленного теплового потока на поверхности тепломера и в его сечениях, достигается тем, что предварительно размещают электроды на приемной поверхности тепломера, которым является тонкая электропроводная пластина, расположенная на пути прохождения теплового потока, путем пропускания через электроды электрического тока на частотах ω и ω (ω>ω) в приповерхностном слое и в объеме тепломера формируют электрические скин-слои, соответственно, толщиной δ и δ (δ<δ) существенно меньшие толщины h тепломера, измеряют импедансы Z[jω,T(δ,t)] и Z[jω,T(δ,t] скин-слоев на соответствующих частотах на приемной стороне тепломера и в его объеме, по которым определяют электрические сопротивления R[ω,T(δ,t)] и R[ω,T(δ,t)] скин-слоев с учетом предварительной калибровки температурной зависимости сопротивлений R=ƒ(ω,Т(δ)) и R=ƒ(ω,T(δ)) тепломера, при заданных частотах ω и ω (ω>ω) для конкретного материала тепломера, и по электрическим сопротивлениям R[(ω,T(δ,t)] и R[ω,T(δ,t)] скин-слоев тепломера определяют значения нестационарных температур Т(δ,t) и T(δ,t), соответствующих толщинам δ и δ, и определяют нестационарный тепловой поток q(t) как отношение разности температур ΔT=T(δ,t)-T(δ,t) к разности значений толщин скин-слоев Δδ=δ-δ по формуле:  где k - коэффициент пропорциональности, определяемый в процессе первичной калибровки тепломера.
На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства, разъясняющая осуществление способа определения нестационарного теплового потока.
На фиг. 2 приведен алгоритм работы блока 6 вычислителя температуры T(δ,t) и нестационарного теплового потока q(t) по определению нестационарного теплового потока.
0
s
0
s
0
s
s
Функциональная схема устройства, разъясняющая осуществление способа определения нестационарного теплового потока, приведенная на фиг. 1, включает: 1 - Генератор синусоидальных сигналов, 2 - Подключенный к схеме измерения тепломер - тонкая электропроводная пластина со скин-слоями, 3 - Первый электрод, 4 - Вычислитель импеданса Z[jω,T(δ,t)], 5 - Второй электрод, 6 - Вычислитель температуры T(δ,t) и нестационарного теплового потока q(t), 7 - скин-слой; 8 - Сумматор электрических сигналов. Причем, выходы генератора синусоидальных сигналов 1 соединены со входами сумматора электрических сигналов 8. Выход сумматора электрических сигналов 8 соединен с одним из входов вычислителя импеданса Z[jω,T(t)] 4 и посредством первого электрода 3 и второго электрода 5 и скин-слоев 7 в тепломере 2 с другим входом вычислителя импеданса Z[jω,T(t)] 4. Выходы вычислителя импеданса Z[jω,T(t)] 4 соединены со входами вычислителя температуры T(t) и нестационарного теплового потока q(t) 6.
В примере конкретной реализации в качестве генератора синусоидальных сигналов 1 могут быть использованы высокочастотные генераторы, например, высокочастотный генератор российского производства АКИП-3417, Г4-194 и др. В качестве вычислителя импеданса Z[jω,T(t)] 4 могут быть использованы векторные анализаторы, анализаторы импеданса, например, анализатор импеданса Е4990А фирмы Keysight. В качестве вычислителя температуры T(δ,t) и нестационарного теплового потока q(t) 6 могут быть использованы ЭВМ или микроконтроллер. В качестве тепломера используется тонкая электропроводная пластина, например, толщиной порядка 0,1-0,5 мм, изготовленная, например, из латуни. Измеряемым объектом может быть любой объект или конструкция, в которых необходимо измерить или контролировать нестационарный тепловой поток q(t). В качестве сумматора электрических сигналов 8 для суммирования может быть использовано суммирующее устройство на операционном усилителе.
1
m
1
2
m
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
0
s
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
2
2
2
1
Рассмотрим осуществление предлагаемого способа определения нестационарного теплового потока, функциональная схема которого приведена на фиг 1. Способ определения нестационарного теплового потока q(t) заключается в том, что предварительно размещают тепломер 2, которым является тонкая электропроводная пластина, на пути прохождения теплового потока q(t). Далее на поверхности тепломера 2 размещают первый 3 и второй электрод 5. С помощью генератора синусоидальных сигналов 1 формируют напряжения U(t)=U sin ωt и U(t)=U sin ωt на частотах ω и ω (ω>ω) соответственно. Напряжения U(t) и U(t) подаются на вход сумматора электрических сигналов 8, выходным сигналом которого является U(t)+U(t). Далее суммарное напряжение U(t)+U(t) подается на первый электрод 3 и на вход вычислителя импеданса Z[jω,T(δ,t)] 4. При этом, посредством первого электрода 3 и второго электрода 5 обеспечивается протекание электрического тока i(t)+i(t) через тепломер 2 на частотах ω и ω (ω>ω), соответственно, формируя у поверхности и в объеме тепломера 2 скин-слои 7, проникающие на глубину δ и δ (δ<δ) соответственно, существенно меньшие толщины h тепломера 2. Затем, с помощью вычислителя импеданса Z[jω,T(t)] 4 измеряют импедансы Z[jω,T(δ,t)] и Z[jω,T(δ,t)] скин-слоев 7, по которым определяют электрические сопротивления R[ω,T(δ,t)] и R[ω,T(δ,t)] скин-слоев 7 на приемной стороне и в объеме тепломера 2, соответственно. Далее, посредством вычислителя температуры T(δ,t) и нестационарного теплового потока q(t) 6 с программой расчета нестационарного теплового потока, по найденным электрическим сопротивлениям R[ω,T(δ,t)] и R[ω,T(δ,t)] определяют значения нестационарных температур T(δ,t) и Т(δ,t), соответствующих толщинам δ и δ (δ<δ), с учетом предварительной калибровки температурной зависимости сопротивлений R=ƒ(ω,Т(δ)) и R=ƒ(ω,T(δ)) тепломера 2. Далее также посредством вычислителя температуры T(δ,t) и нестационарного теплового потока q(t) 6 определяют нестационарный тепловой поток q(t) как отношение разности температур ΔT=T(δ,t)-T(δ,t) к разности значений толщин скин-слоев Δδ=δ-δ по формуле:  где k - коэффициент пропорциональности, определяемый в процессе первичной калибровки тепломера.
1
1
1
1
2
2
2
2
1
2
1
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
На фиг. 2 приведен алгоритм работы блока 6 вычислителя температуры T(δ,t) и нестационарного теплового потока q(t) по определению нестационарного теплового потока. На начальном этапе данного алгоритма осуществляется измерение импедансов Z[jω,T(δ,t)] и Z[jω,T(δ,t)] скин-слоев на соответствующих частотах ω и ω (ω>ω). Далее определяют электрические сопротивления скин-слоев R[ω,Т(δ,t)] и R[ω,T(δ,t)]. С учетом предварительной калибровки температурной зависимости сопротивлений R=ƒ(ω,T(δ,t)) и R=ƒ(ω,T(δ,t)) тепломера, определяют значения нестационарных температур T(δ,t) и T(δ,t), соответствующих толщинам скин-слоев δ и δ (δ<δ). Далее по известным толщинам скин-слоев δ и δ и измеренным значениям нестационарных температур T(δ,t) и T(δ,t) определяют величину нестационарного теплового потока q(t) согласно формуле:  где k - коэффициент пропорциональности, определяемый в процессе первичной калибровки тепломера
Достижение технического результата обусловлено использованием известного физического эффекта - возникновения скин-слоя в поверхностном слое проводника при пропускании переменного тока высокой частоты ω. Толщина скин-слоя δ является функцией частоты ω и уменьшается с ее повышением по выражению:
0
где σ - удельная электрическая проводимость материала тепломера, μ - относительная магнитная проницаемость вещества, μ - магнитная постоянная, ω=2πƒ - угловая частота. Например, для частот в мегагерцовом диапазоне толщина скин-слоя 5 для меди порядка 4 мкм, в гигагерцовом диапазоне - 0,4 мкм. [Л.А. Вайнштейн Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1990 г. - С. 47.]. Подбирая частоту со переменного тока можно сформировать практически необходимую толщину δ скин-слоя. Чем тоньше скин-слой, тем меньше его тепловая инерция при измерении нестационарной температуры, что обеспечивает высокое быстродействие и точность при определении нестационарного теплового потока.
При этом импеданс скин-слоя является комплексной величиной и зависит от частоты ω:
1,2
1,2
1,2
где  - комплексное значение напряжения,  - комплексное значение тока. Тогда импеданс Z[jω,T(δ,t)] можно представить в виде суммы действительной и мнимой части:
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
где R(ω,T(δ,t)), i=1,2 - действительная составляющая импеданса Z[jω,T(δ,t)], i=1,2, соответствующая активному сопротивлению R, а мнимая - X(ω,T(δ,t)), i=1,2 соответствует реактивной составляющей импеданса Z[jω,T(δ,t)], i=1,2.
По теоретически известным зависимостям и с учетом предварительной калибровки [Савельев И.В. Курс общей физики: Уч пособие. В 3-х томах. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. - 3-е изд., испр. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1988. - С. 104-106], [Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. - М.: Энергоиздат, 1988. т. 3. - С. 239-289.] определяют температурную зависимость сопротивления R=ƒ(T) для конкретного материала тепломера.
Таким образом, подбирая частоту со переменного тока, можно сформировать практически любую толщину 8 скин-слоя, необходимую для определения нестационарного теплового потока
Для металлов и сплавов теоретическая зависимость сопротивления от температуры R=ƒ(T) как правило, является линейной и выражается формулой:
0
0
i
где R - сопротивление материала при температуре T, α - температурный коэффициент сопротивления материала. Следовательно, температуру T каждого i-го слоя (i=1,2) определяют по сопротивлению из формулы
0i
0i
i
где R - сопротивление i-го скин-слоя при Т=T, R - сопротивление i-го скин-слоя (i=1,2).
Значение температурного коэффициента сопротивления а для неизвестного материала также можно определить экспериментально или другими известными методами.
1
1
1
1
2
2
2
2
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
На практике, в общем случае, необходима предварительная калибровка. Тогда по предварительно калиброванной температурной зависимости сопротивлений R[ω,T(δ)] и R[ω,T(δ)] на частотах ω и ω (ω>ω) для конкретного материала тепломера 2 определяют значения нестационарных температур на приемной стороне пластины T(δ,t) и Т(δt), соответствующих толщинам δ и δ.
1
1
2
2
2
1
Таким образом, значение нестационарного теплового потока q(t) определяется как отношение разности температур ΔT=T(δ,t)-T(δ,t) к разности значений толщин скин-слоев Δδ=δ-δ по формуле:
где k - коэффициент пропорциональности, определяемый в процессе первичной калибровки тепломера.
1
2
За счет применения тонких электрических скин-слоев порядка 0,1-10 микрон существенно уменьшается инерционность и повышается быстродействие измерения температур Т и Т, а следовательно, позволяет повысить точность измерений.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
2
1
2
1
1
1
2
2
2
2
1
1
2
2
1
2
1
1
2
2
2
1
По сравнению с прототипом в предлагаемом техническом решении в способе определения нестационарного теплового потока технический результат достигается за счет того, что предварительно размещают электроды на приемной поверхности тепломера, которым является тонкая электропроводная пластина, расположенная на пути прохождения теплового потока, путем пропускания через электроды электрического тока на частотах ω и ω (ω>ω) в приповерхностном слое и в объеме тепломера формируют электрические скин-слои, соответственно, толщиной δ и δ (δ<δ) существенно меньшие толщины h тепломера, измеряют импедансы Z[jω,T(δ,t)] и Z[jω,T(δ,t)] скин-слоев на соответствующих частотах на приемной стороне тепломера и в его объеме, по которым определяют электрические сопротивления R[ω,T(δ,t)] и R[ω,T(δ,t)] скин-слоев с учетом предварительной калибровки температурной зависимости сопротивлений R=ƒ(ω,Т(δ)) и R=ƒ(ω,T(δ) тепломера, при заданных частотах ω и ω (ω>ω) для конкретного материала тепломера, и по электрическим сопротивлениям R[ω,(δ,t)] и R[ω,Т(δ,t)] скин-слоев тепломера определяют значения нестационарных температур Т(ω,t) и T(δ,t), соответствующих толщинам δ и δ, и определяют нестационарный тепловой поток q(t) как отношение разности температур ΔТ=Т(δ,t)-Т(δ,t) к разности значений толщин скин-слоев Δδ=δ-δ по формуле:  где k - коэффициент пропорциональности, определяемый в процессе первичной калибровки тепломера.