СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
METHOD TO MEASURE THERMAL FLOW

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться 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.
2
При известных тепловых сопротивлениях тепловой поток может быть косвенно определен из значений температуры, измеренных в разных точках исследуемого объекта. Обычно определяют плотность теплового потока q [Вт/м], т.е. поток через единицу площади
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>λ</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac></mrow>
где λ - теплопроводность [Вт/м·К], t - значения температур на каких-то точках объекта, между которыми определяется тепловой поток.
При измерении теплового потока при поквартирном учете, например датчиками теплового потока INDIV-3 фирмы Danfoss, измеряют температуру между характерной точкой поверхности радиатора и воздухом в отапливаемом помещении, причем температура воздуха в помещении является постоянной запрограммированной величиной и соответствует нормативному значению 20°С. Однако, условие наличия фиксированного значения второй температуры не всегда выполнимо.
Сложность заключается также в том, что значение теплопроводности λ часто не известно, и тогда необходимо проводить измерения прямым методом, используя датчики теплового потока.
2
Известен способ измерения теплового потока (авторское свидетельство №699360, МПК G01K 17/00, G01K 17/12), который заключается в следующем: на пути потока устанавливают две пластины с разной поглотительной способностью. Измеряемый тепловой поток нагревает обе пластины до определенных равновесных температур. Разность этих температур будет тем выше, чем больше тепловой поток и чем выше разность степеней поглощения пластин. Пластины нагревают горячие и холодные концы термобатарей, измеряют генерируемую термо-ЭДС, по величине которой судят о величине плотности теплового потока. Для этого индикатор градуируют в единицах плотности [Вт/м].
Существенным недостатком этого способа является необходимость точного измерения температуры пластин, для чего приходится их увеличивать. Для повышения чувствительности также необходимо использовать многоспайные термопары. Увеличение толщины пластин означает увеличение массы и габаритов датчика и повышение его теплоизоляционных свойств, что приводит к возрастанию методической погрешности измерения потока.
Известен способ измерения теплового потока, изложенный в статье L.Geiling, Das Termoelement als Strahlungsmesser. (Zschr. Phis., Bd. 3.12, 1951). В этом способе используется датчик, выполненный в виде пластины, состоящей из последовательно чередующихся термоэлектродных материалов (например меди и константана). Границы раздела слоев наклонены под углом 20-45° к плоскостям датчика. Датчик располагают по отношению к потоку таким образом, чтобы между нижней и верхней его поверхностями возникала разность температур, которая возбуждает термо-ЭДС. Измеряют термо-ЭДС, которая накапливается вдоль поверхности датчика и линейно связана с температурным градиентом и, следовательно, с величиной теплового потока.
Недостатком рассмотренного способа является то, что для его реализации необходимо использовать в датчике материалы с резко различными тепловыми, термоэлектрическими свойствами.
Наиболее близким по совокупности технических признаков к предлагаемому является способ измерения тепловых потоков (авторское свидетельство №354289, МПК G01K 7/34). Известный способ заключается в том, что в качестве датчика используют сегнетоэлектрический конденсатор, один электрод которого приводят в тепловой контакт с измеряемым телом, измеряют возникающее напряжение, по величине которого судят о величине теплового потока.
В известном способе измерение потока основано на зависимости диэлектрической проницаемости от температуры - при ее изменении происходит поляризация сегнетоэлектрика, которая является следствием деформации кристаллической решетки. Степень поляризации зависит от количества поглощенного сегнетоэлектриком тепла. Однако если температура не меняется, то поляризация уменьшается свободными зарядами из атмосферы и за счет существующей внутренней проводимости. Таким образом, измеряемое напряжение уже не будет характеризовать реальный тепловой поток. Это явление ограничивает использование сегнетоэлектрических конденсаторов одноразовыми измерениями.
Задачей, решаемой изобретением, является разработка способа измерения теплового потока, позволяющего постоянно отслеживать величину теплового потока контролируемого объекта.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе измерения теплового потока, так же, как и в известном, на пути теплового потока устанавливают сегнетоэлектрический конденсатор. Но в отличие от известного, в предлагаемом способе на обкладки конденсатора подают деполяризующие импульсы электрического напряжения, измеряют скорость изменения напряжения при разряде конденсатора, и определяют тепловой поток по градуировочной зависимости скорости изменения напряжения от теплового потока.
Достигаемым техническим результатом является реализация возможности постоянного измерения не только изменяющихся, но и постоянных тепловых потоков.
Совокупность существенных признаков, сформулированная в п.2 формулы изобретения, характеризует способ измерения теплового потока, в котором измерение скорости изменения напряжения производят на начальном участке замедления указанной скорости.
На этом участке кривой изменения напряжения долевое участие температурного фактора на доменную структуру сегнетоэлектрика увеличивается и обеспечивается максимальная чувствительность способа.
Следует отметить, что прием переключения сегнетоэлектрических конденсаторов для температурных измерений известен, но его используют для измерения температуры. В А.С. №147815 температуру измеряют по величине максимального тока переключения конденсатора. Известны работы (авторское свидетельство №544875 МПК G01K 7/34), в которых авторы предлагают перевести сегнетоэлектрический конденсатор в динамический режим за счет того, что на один из электродов, который не находится в тепловом контакте с объектом, воздействуют импульсами теплового потока постоянной мощности и частоты. В сегнетоэлектрике возбуждают тепловые колебания с амплитудой около некоторой рабочей температуры. Если поддерживать амплитуду и частоту этих колебаний постоянными и при этом изменяется температура, то во внешней цепи конденсатора индуцируется переменный ток, возрастающий по мере повышения температуры до температуры Кюри. Таким образом, каждой температуре соответствует определенная величина тока. Но это воздействие искажает тепловое состояние сегнетоэлектрика и, соответственно, значительно искажает результаты измерения. К тому же, использование в способе источника тепловых импульсов приводит к увеличению габаритов устройства, реализующего способ.
3
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 показаны кривые спада напряжения на конденсаторах с разной площадью сегнетоэлектрика BaTiO
2
2
На фиг.1 площадь конденсатора равна 100 мм, а на фиг.2 - 25 мм. Толщина в обоих случаях одинаковая, равная 0,1 мм.
Изобретение основывается на следующих зависимостях:
Уравнение теплопроводности для одномерного случая:
<mrow><mi>λ</mi><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><mi>t</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>P</mi><mi>V</mi></msub><mo>=</mo><mi>ρ</mi><msub><mi>c</mi><mi>T</mi></msub><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>τ</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
V
T
где P, [Вт/м3] - мощность внутренних источников энергии; c[Дж/К] - теплоемкость; ρ [кг/м3] - плотность, τ - время.
Если температурное поле равномерное, то можно записать:
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>V</mi></msub><mo>=</mo><mi>ρ</mi><msub><mi>c</mi><mi>T</mi></msub><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>τ</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
Тогда полная мощность тепловыделений, т.е. тепловой поток:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mi>ρ</mi><msub><mi>с</mi><mi>T</mi></msub><mi>V</mi><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>δ</mi><mi>τ</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
[Вт], V - объем.
Последнее выражение можно переписать в виде:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mi>T</mi></msub><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>τ</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
Т
T
где С=ρcV
Энергия заряженного конденсатора:
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mi>Э</mi></msub><msup><mi>U</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
,
Э
[Дж], где С - емкость конденсатора, U - напряжение на обкладках конденсатора.
Тогда можно записать:
<mrow><msub><mi>C</mi><mi>T</mi></msub><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>τ</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mi>Э</mi></msub><mfrac><mrow><msup><mi>U</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac><mfrac><mn>1</mn><mi>τ</mi></mfrac></mrow>
,
[Вт],
Последнее выражение показывает связь величины теплового потока со скоростью изменения напряжения разряда конденсатора. Эту связь иллюстрируют фиг. 1 и 2, на которых приведены зависимости напряжения и времени разряда конденсатора. Каждая кривая характеризует тепловой поток, а совокупность кривых на одном графике иллюстрирует постепенное остывание измеряемого объекта и уменьшение теплового потока.
3
0,9
0,1
3
При измерении теплового потока, например батареи отопления, конденсатор устанавливают на пути теплового потока. Конденсатор должен обладать достаточно малыми толщиной и объемом, для того, чтобы практически не искажать проходящий через него тепловой поток. Материал используемого диэлектрика выбирается из условия нахождения точки Кюри выше наиболее высокой температуры диапазона, в котором измеряется тепловой поток. Мы проводили измерения с помощью конденсаторов с сегнетоэлектриком BaTiO, а также BaSrTiO. В последнем случае сегнетоэлектрик имел толщину 0,5 мм, а площадь 50 мм. Точка Кюри соответствовала 80°С. Деполяризующее напряжение соответствовало 3,3 в. Для этих параметров были составлены градуировочные таблицы соответствия скорости изменения напряжения разряда конденсатора величине теплового потока. Измерение скорости изменения напряжения проводилось на начальном участке замедления процесса деполяризации сегнетоэлелектрика, поскольку на этом участке доля теплового влияния на скорость спада кривой напряжения значительно возрастает. Учитывая то обстоятельство, что и батареи отопления и окружающее их пространство обладают достаточно большой тепловой инерцией, деполяризующие импульсы можно подавать достаточно редко - 1 раз в несколько минут, в отличие от систем с быстро меняющейся тепловой ситуацией, в которой импульсы подают непрерывно.
Как следует из описания предложенный способ позволяет проводить измерение не только меняющихся тепловых потоков, но также измерение потоков, величина которых не меняется во времени, поэтому он может является базой для создания устройств учета расхода и потребления тепла.