Устройство для измерения количества теплоты

Полезная модель относится к технике теплофизических измерений и может найти применение для измерения количества тепла, передаваемого сквозь пакет материалов защитной одежды при воздействии термического поражающего фактора (ТПФ) на кожные покровы человека под защитной одеждой.
В настоящее время наибольшее распространение в лабораторной практике в нашей стране и за рубежом получили тепловые датчики, изготовленные на основе медного калориметра.
В зарубежных стандартах, например [1], при сравнительных испытаниях пакетов материалов одежды при воздействии открытого пламени применяется тепловой датчик на основе медного калориметра с толщиной приемной площадки 1,6 мм. За критерий поражения принимается приращение температуры датчика на (24±0,2)°С.
2
Наиболее близким по техническому решению, выбранным за прототип, является тепловой датчик, регламентируемый ГОСТ Р 12.4.234-2012 ССБТ [2]. В датчике прошедшее через испытуемый пакет материалов количество теплоты измеряют с помощью медного калориметра. Калориметр из электротехнической меди диаметром 40 мм и толщиной 1,6 мм, прикрепленный на месте штифтами к панели из изоляционного картона минимальной толщиной 13 мм, на открытую поверхность медного калориметра напылением нанесен тонкий слой матовой черной термостойкой краски с коэффициентом черноты более 0,9. В центре медного диска закреплена хромель-алюмелевая либо железо-константановая термопара. Выходной сигнал с датчика преобразуется в значение падающей энергии (Дж/м) умножением приращения температуры (ΔТ) на коэффициент, зависящий от массы медного калориметра, площади его поверхности, открытой для воздействия, и теплоемкости меди, и сравнивают с кривой Столл.
Конструкция описанного теплового датчика имеет определенный недостаток, заключающийся в относительно высокой инерционности, его габаритах, не позволяющие осуществить монтаж на ограниченной неровной поверхности термоманекена без нарушения кривизны его поверхности.
Решаемая техническая задача в предлагаемом техническом решении заключается в снижении инерционности устройства при оптимальных минимальных размерах медного диска, позволяющих осуществить монтаж на ограниченной неровной поверхности термоманекена без нарушения кривизны его поверхности.
Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения количества теплоты, включающее диск из электротехнической меди, покрытый напылением тонким слоем матовой черной термостойкой краски с коэффициентом черноты более 0,9, диаметром 20,0 мм и толщиной 0,5 мм.
Технический результат, достигается оснащением заявленного устройства диском из электротехнической меди, имеющего оптимальные минимальные размеры (диаметр 20,0 мм и толщина 0,5 мм), который крепится на текстолитовый корпус устройства диаметром 25,0 мм и толщиной 15,0 мм. Использование указанного диска позволяет снизить инерционность.
Полезная модель поясняется рисунком (фиг. 1), на котором приведена схема устройства для измерения количества теплоты передаваемой через пакет защитной одежды.
Устройство для измерения количества теплоты содержит медь-константановую термопару 1, диск из электротехнической меди 2 диаметром 20,0 мм и толщиной 0,5 мм, покрытый с внешней стороны тонким слоем черной матовой краски с коэффициентом черноты более 0,9, текстолитовый корпус устройства 3 диаметром 25,0 мм и толщиной 15,0 мм и текстолитовую обойму 4.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
2
Измеряемая теплота поглощается приемным элементом 2 (диск из электротехнической меди) и вызывает его нагрев, температура которого измеряется дифференциальной медь-константановой термопарой 1, образуемой медью приемного элемента и константановым электродом. Выходной сигнал с устройства регистрируется средством измерения и преобразуется в значение количества теплоты (Дж/м).
Предложенное устройство было опробовано на термоманекене при прогнозировании ожогового поражения кожных покровов человека при воздействии ТПФ через пакет материалов защитной одежды.
Таким образом, к преимуществам заявляемого устройства для измерения количества теплоты передаваемой через пакет защитной одежды в условиях воздействия термических поражающих факторов относятся низкая инерционность не менее чем в 3 раза, оптимальные минимальные размеры диска из электротехнической меди (диаметром 20,0 мм и толщиной 0,5 мм), позволяющие использовать устройство в составе термоманекена в ходе проведения экспериментальных исследований по определению термозащитных свойств защитной одежды.
Пример 1.
Для уточнения конструкции были изготовлены три схожих устройства, различающихся между собой только размерами приемной площадки калориметра (таблица 1).
Устройства I, II и III изготовлены вышеописанным способом и представляют собой три реализации предлагаемой конструкции. С целью проверки возможности использования предлагаемого метода монтажа проводов термопары датчиков предварительно были откалиброваны.
Далее были проведены испытания по определению значения выходного сигнала от времени разработанных и изготовленных устройств при воздействии теплового лучистого потока постоянной плотности, результаты которых в виде графических зависимостей представлены на фиг. 2.
Из анализа графических зависимостей, представленных на фиг. 2, видно, что устройство I показало более быстрый рост выходного сигнала в начале нагрева, чем устройство II с медным диском такой же толщины. Это объясняется меньшим диаметром и, как следствие, меньшей массой самой приемной площадки. Наибольший выходной сигнал у устройства II можно объяснить тем, что потери тепла с торца диска приводят к снижению температуры по краям диска и сохранению более высокого значения в центре. Усиление данного эффекта происходит при увеличении толщины диска, которая приводит к увеличению теплопотерь (как у устройства III), или при уменьшении диаметра диска (как у устройства I).
Устройство II показало самый высокий выходной сигнал, что свидетельствует о его большей чувствительности, а по скорости его роста лишь незначительно уступило устройству I. Исходя из результатов проведенных исследований, размеры устройства II могут быть приняты в качестве оптимальных.
Таким образом, из таблицы 1 видно, что устройство II обеспечивает снижение инерционности (в сравнении с прототипом не менее чем в 3 раза).
Литература
1. ISO 9151:1995 «Protectiv clothing against heat and flame: determination of heat transmission on exposure to flame».
2. ГОСТ P 12.4.234-2012 ССБТ. Одежда специальная для защиты от термических рисков электрической дуги. Общие технические требования и методы испытаний. - Введ. 2013-12-01. - М.: Стандартинформ, 2014. - 35 с.