Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления
METHOD FOR MEASURING SPECIFIC THERMAL RESISTANCE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для исследования теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов с большой величиной удельного теплового сопротивления, преимущественно вакуумных теплоизоляционных изделий.
Известен способ измерения удельного теплового сопротивления, заключающийся в формировании теплового потока, пропускании теплового потока через первый эталонный объект, затем от внутренней поверхности исследуемого объекта к наружной поверхности исследуемого объекта, измерении зависимости от времени температуры внутренней поверхности исследуемого объекта в области прохождения теплового потока, измерении зависимости от времени температуры наружной поверхности исследуемого объекта в области прохождения теплового потока, пропускании теплового потока после исследуемого объекта через второй эталонный объект, измерении зависимости от времени температуры поверхности первого эталонного объекта в области входа теплового потока в первый эталонный объект и измерении зависимости от времени температуры поверхности второго эталонного объекта в области выхода теплового потока из второго эталонного объекта, определении перепадов температур с использованием первого эталонного объекта и второго эталонного объекта, с учетом которых определяют тепловые потери и величину удельного теплового сопротивления [см. патент РФ №2330270, кл. G01N 25/18, опубл. 27.07.2008 Бюл. №21, «Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления», авторы: Е.В. Абрамова и др.].
Известно устройство, содержащее источник тепловой энергии, вырабатывающий тепловой поток, первый измеритель температуры, второй измеритель температуры, третий измеритель температуры, четвертый измеритель температуры, электронный блок обработки, выход первого измерителя температуры соединен с первым входом электронного блока обработки, выход второго измерителя температуры соединен с вторым входом электронного блока обработки, выход третьего измерителя температуры соединен с третьим входом электронного блока обработки, выход четвертого измерителя температуры соединен с четвертым входом электронного блока обработки, первый эталонный объект и второй эталонный объект, при этом обеспечивается прохождение теплового потока последовательно через первый эталонный объект, исследуемый объект и второй эталонный объект, первый измеритель температуры размещен между наружной поверхностью источника тепловой энергии и наружной поверхностью первого эталонного объекта в области прохождения теплового потока, второй измеритель температуры размещен между наружной поверхностью первого эталонного объекта и внутренней поверхностью исследуемого объекта в области прохождения теплового потока, третий измеритель температуры размещен между наружной поверхностью исследуемого объекта и примыкающей к ней наружной поверхностью второго эталонного объекта в области прохождения теплового потока, четвертый измеритель температуры размещен на наружной поверхности второго эталонного объекта в области выхода теплового потока из второго эталонного объекта, причем электронный блок обработки обеспечивает возможность вычисления удельного теплового сопротивления по сигналам от первого, второго, третьего и четвертого измерителей температуры [см. патент РФ №2330270, кл. G01N 25/18, опубл. 27.07.2008 Бюл. №21, «Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления», авторы: Е.В. Абрамова и др.].
Недостаток данного способа и устройства заключается в низких потребительских свойствах при испытаниях исследуемого объекта с очень большой величиной удельного теплового сопротивления, например, вакуумного теплоизоляционного изделия, из-за большого времени эксперимента, вызванного необходимостью достижения стационарного теплового режима при измерении температуры во втором эталонном объекте, размещенном после исследуемого объекта по ходу прохождения теплового потока.
Наиболее близким техническим решением является способ измерения удельного теплового сопротивления, заключающийся в том, что тепловой поток разделяют на два потока, один из которых пропускают последовательно через первый эталонный объект с малой величиной удельного теплового сопротивления, и исследуемый объект, а другой поток пропускают последовательно через второй эталонный объект с малой величиной удельного теплового сопротивления и третий эталонный объект с большой величиной удельного теплового сопротивления, определяют интервалы времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину, по разности этих интервалов времени определяют величину отношения удельного теплового сопротивления исследуемого объекта к известному удельному тепловому сопротивлению третьего эталонного объекта из графика зависимости между этими величинами, который получают предварительно путем замены исследуемого объекта на варианты четвертого эталонного объекта с различной известной величиной удельного теплового сопротивления и одинаковой с исследуемым объектом теплоемкостью [см. патент РФ №2736322, кл. G01N 25/18, опубл. 13.11.2020 Бюл. №32, «Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления», авторы: А.Н. Балалаев и др.].
Недостаток данного способа заключается в большой погрешности способа, возникающей при измерении удельного теплового сопротивления исследуемого объекта с близким удельным тепловым сопротивлением к известному удельному тепловому сопротивлению третьего эталонного объекта из-за малой величины разности интервалов времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину, и близости при этом величины разности интервалов времени к погрешности измерения времени.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство измерения удельного теплового сопротивления, содержащее источник тепловой энергии, вырабатывающий тепловой поток, прибор измерения электрической мощности, первый эталонный объект, второй эталонный объект, объект измерения, первый измеритель температуры, второй измеритель температуры, третий измеритель температуры, электронный блок обработки, позволяющий регистрировать значение температуры на текущий момент времени, выход первого измерителя температуры соединен с первым входом электронного блока обработки, выход второго измерителя температуры соединен с вторым входом электронного блока обработки, выход третьего измерителя температуры соединен с третьим входом электронного блока обработки, к второму эталонному объекту примыкает третий эталонный объект с большой известной величиной удельного теплового сопротивления, а вместо объекта измерения могут устанавливаться геометрически подобные с измеряемым объектом варианты четвертого эталонного объекта с различными известными величинами удельного теплового сопротивления, первый и второй эталонные объекты, имеющие малую величину удельного теплового сопротивления, размещены с двух противоположных сторон источника тепловой энергии, при этом обеспечивается прохождение одной части теплового потока последовательно через первый эталонный объект и исследуемый объект или один из вариантов четвертого эталонного объекта, а другой части теплового потока обеспечивается прохождение последовательно через второй эталонный объект и третий эталонный объект, первый измеритель температуры размещен в пазу первого эталонного объекта, который расположен на равном расстоянии от его противоположных граней и на равном расстоянии от кромок противоположных граней, второй измеритель температуры размещен в пазу второго эталонного объекта, который расположен на равном расстоянии от его противоположных граней и на равном расстоянии от кромок противоположных граней, третий измеритель температуры размещен в окружающей среде [см. патент РФ №2736322, кл. G01N 25/18, опубл. 13.11.2020 Бюл. №32, «Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления», авторы: А.Н. Балалаев и др.].
Недостаток данного устройства заключается в сложности конструкции, в частности, в необходимости использования третьего и четвертого эталонных объектов с большой величиной удельного теплового сопротивления.
Техническим результатом предлагаемого способа измерения удельного теплового сопротивления и устройства для его осуществления является снижение погрешности способа за счет увеличения разности интервалов времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданную величину, а также упрощение конструкции устройства.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что тепловой поток формируют и разделяют на два потока, один из которых пропускают последовательно через первый эталонный объект с малой величиной удельного теплового сопротивления, и исследуемый объект, а другой поток пропускают через второй эталонный объект с малой величиной удельного теплового сопротивления, согласно изобретению, определяют интервалы времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на определенные заданные величины, по средней разности интервалов времени, деленных на соответствующую величину повышения температуры первого и второго эталонных объектов, определяют величину удельного теплового сопротивления исследуемого объекта из графика зависимости между этими величинами, который получают предварительно путем замены исследуемого объекта на варианты третьего эталонного объекта с различной известной величиной удельного теплового сопротивления, с одинаковыми с исследуемым объектом геометрическими размерами и близкими значениями температуропроводности.
Такой вариант реализации заявленного способа измерения удельного теплового сопротивления позволяет обеспечить снижение погрешности способа за счет увеличения разности интервалов времени, в течение которых температура первого и второго эталонных объектов повышается на заданные величины, что достигается увеличением интервалов времени, в течение которых температура второго эталонного объекта повышается на заданную величину, из-за теплообмена открытой поверхности второго эталонного объекта с окружающей средой.
Технический результат достигается по п.2 формулы изобретения тем, что в известное устройство, содержащее источник тепловой энергии, вырабатывающий тепловой поток, прибор измерения электрической мощности, первый эталонный объект, второй эталонный объект, первый измеритель температуры, второй измеритель температуры, третий измеритель температуры, электронный блок обработки, выход первого измерителя температуры соединен с первым входом электронного блока обработки, выход второго измерителя температуры соединен с вторым входом электронного блока обработки, выход третьего измерителя температуры соединен с третьим входом электронного блока обработки, первый и второй эталонные объекты, имеющие малую величину удельного теплового сопротивления, размещены с двух противоположных сторон источника тепловой энергии, при этом обеспечивается прохождение одной части теплового потока последовательно через первый эталонный объект и исследуемый объект, а другой части теплового потока через второй эталонный объект, первый измеритель температуры размещен в пазу первого эталонного объекта, который расположен на равном расстоянии от его противоположных граней и на равном расстоянии от кромок противоположных граней, второй измеритель температуры размещен в пазу второго эталонного объекта, который расположен на равном расстоянии от его противоположных граней и на равном расстоянии от кромок противоположных граней, третий измеритель температуры размещен в окружающей среде, согласно изобретения, дополнительно введены геометрически подобные с исследуемым объектом варианты третьего эталонного объекта с различными известными величинами удельного теплового сопротивления, одинаковыми с исследуемым объектом геометрическими размерами и близкими значениями температуропроводности, которые своим расположением могут замещать исследуемый объект, при этом обеспечивается прохождение одной части теплового потока последовательно через первый эталонный объект и один из вариантов третьего эталонного объекта, свободная поверхность второго эталонного объекта размещена в окружающей среде, что обеспечивает прохождение другой части теплового потока через второй эталонный объект в окружающую среду.
Такой вариант выполнения заявленного устройства для измерения удельного теплового сопротивления позволяет упростить конструкцию за счет уменьшения количества эталонных объектов.
То, что поставленная задача изобретения действительно решается в заявленном способе и устройстве, можно проиллюстрировать следующим образом.
1
2
В качестве источника тепловой энергии в заявленном способе и устройстве используется плоский преобразователь электрической энергии в тепловую энергию. В прилегающие к нему с двух сторон первый и второй эталонные объекты с преобразователя электрической энергии поступают удельные тепловые потоки, соответственно, q, и q. Так как первый и второй измерители температуры размещены в геометрических центрах первого и второго эталонных объектов, а коэффициенты теплопроводности этих объектов велики (например, для алюминиевого сплава коэффициент теплопроводности равен 200 Вт/(м К)), то измеряемые температуры в геометрических центрах этих объектов при небольшой их толщине в 2…5 мм можно принять за среднемассовые. Материал и геометрические размеры первого и второго эталонных объектов удобно принять одинаковыми.
1
2
Так как второй эталонный объект имеет свободную поверхность, охлаждаемую воздухом окружающей среды за счет свободной конвекции, а такая же по величине поверхность первого эталонного объекта сопряжена с исследуемым объектом, что создает сопротивление отводу теплоты, то при постоянных величинах q, и q среднемассовая температура первого эталонного объекта будет расти быстрее, чем среднемассовая температура второго эталонного объекта, причем, разность скоростей роста среднемассовых температур первого и второго эталонных объектов тем больше, чем больше удельное тепловое сопротивление исследуемого объекта. На зависимость между разностью скоростей роста среднемассовых температур первого и второго эталонных объектов кроме удельного теплового сопротивления исследуемого объекта также влияет теплоемкость объекта измерения и его геометрические размеры [3, с. 39, 40]. Таким образом, для определенных геометрических размеров, коэффициента теплопроводности, плотности и удельной теплоемкости объекта измерения существует зависимость между разностью скоростей роста среднемассовых температур первого и второго эталонных объектов и удельного теплового сопротивления объекта измерения. Эту зависимость можно найти экспериментально, если заменить исследуемый объект на геометрически подобные ему варианты третьего эталонного объекта с различными известными величинами удельного теплового сопротивления и близкими с исследуемым объектом значениями температуропроводности, что означает приблизительно одинаковые значения частного от деления коэффициента теплопроводности на плотность и удельную теплоемкость [3, с. 36, 37]. Однозначность и одинаковость найденной экспериментально зависимости для различных вариантов третьего эталонного объекта и исследуемого объекта обеспечивается равенством площадей различных частей поверхностей этих объектов.
При исследовании нескольких вариантов третьего эталонного объекта строится график экспериментальной зависимости средней разности скоростей роста среднемассовых температур первого и второго эталонных объектов от удельного теплового сопротивления вариантов третьего эталонного объекта. Для определения удельного теплового сопротивления исследуемого объекта, вместо третьего эталонного объекта устанавливается объект измерения, проводится эксперимент по определению средней величины разности скоростей роста среднемассовых температур первого и второго эталонных объектов, по которой из графика экспериментальной зависимости определяется величина удельного теплового сопротивления объекта измерения.
Погрешность данного способа определения удельного теплового сопротивления объекта измерения из графика экспериментальной зависимости можно минимизировать, если разность времени нагревания первого и второго эталонных объектов на одну и ту же величину температуры будет значительно больше погрешности прибора для измерения времени. Данную разность можно увеличить по сравнению с прототипом, если поместить открытую поверхность второго эталонного объекта в окружающую среду для отбора теплоты от второго эталонного объекта за счет свободной конвекции. Температура второго эталонного объекта при этом растет медленнее, чем в прототипе способа, разность времени нагревания первого и второго эталонных объектов на одну и ту же величину температуры будет больше, и погрешность заявляемого способа определения удельного теплового сопротивления объекта уменьшится. Кроме того, если в качестве ординаты графика экспериментальной зависимости использовать не разности времен, за которые среднемассовые температуры первого и второго эталонных объектов повышаются на заданную величину, как в прототипе способа, а среднюю разность скоростей роста среднемассовых температур первого и второго эталонных объектов, то среднеквадратичная погрешность заявляемого способа также будет уменьшаться. Расчеты показали, что максимальная среднеквадратичная погрешность заявляемого способа измерения удельного теплового сопротивления составляет 6%.
За счет сокращения числа эталонных объектов в заявляемом устройстве по сравнению с прототипом устройства упрощается конструкция заявляемого устройства.
Итак, задача изобретения действительно решается в заявленных способе измерения удельного теплового сопротивления и устройстве для его осуществления.
На фиг. 1 представлен местный вид конструктивного исполнения заявленного устройства с исследуемым объектом.
На фиг. 2 показан разрез А-А первого эталонного объекта с соотношениями размеров.
На фиг. 3 представлена аксонометрическая проекция конструктивного исполнения заявленного устройства с четвертым эталонным объектом.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Позиции на фигурах:  – источник тепловой энергии;  – первый эталонный объект;  – паз в первом эталонном объекте;  – первый измеритель температуры;  – второй эталонный объект;  – паз во втором эталонном объекте;  – второй измеритель температуры;  – исследуемый объект;  – третий измеритель температуры;  – электронный блок обработки измерения температуры;  – прибор измерения электрической мощности;  – третий эталонный объект.
8
8
12
1
11
2
12
5
4
7
3
6
2
5
2
5
9
4
7
9
10
4
7
9
τ
τ
4
7
τ
τ
2
5
t
τ
τ
τ
τ
12
t
t
12
12
8
8
12
t
s
1
s
2
s
1
s
2
s
1
s
2
s
1
s
1
s
2
s
2
s
2
s
1
s
2
s
1
нач
нач
кон
кон
кон
нач
кон
нач
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что перед испытанием исследуемого объекта  (фиг 1) проводят предварительные испытания, в которых вместо исследуемого объекта  устанавливают один из нескольких вариантов третьего эталонного объекта  (фиг. 3), на источник тепловой энергии  подают постоянную электрическую мощность, которую измеряют и контролируют с помощью прибора измерения электрической мощности , тепловой поток разделяют на два потока, один из которых пропускают последовательно через первый эталонный объект  с большой величиной коэффициента теплопроводности (малой величиной удельного теплового сопротивления), и один из вариантов третьего эталонного объекта  с известной величиной коэффициента теплопроводности (удельного теплового сопротивления), а другой поток пропускают последовательно через второй эталонный объект  с большой величиной коэффициента теплопроводности (малой величиной удельного теплового сопротивления), с помощью измерителей температуры , , размещенных в пазах  и  таким образом, чтобы их рабочие органы находились в геометрических центрах первого эталонного объекта  и второго эталонного объекта  (фиг. 2), замеряют среднемассовые температуры первого эталонного объекта  и второго эталонного объекта , с помощью измерителя температуры , размещенного в окружающей среде, замеряют температуру окружающей среды. Электрические сигналы измерителей температуры , ,  преобразуют с помощью электронного блока  в численные значения температуры, которые фиксируют на моменты времени измерения. По достижении значений температуры, определенных с помощью измерителей температуры  и , например, значению температуры окружающей среды, определенной с помощью измерителя температуры , плюс 2°С, эти значения температуры фиксируют на моменты времени  и  (обеспечение наступления регулярного теплового режима первого рода). По достижении значений температуры, определенных с помощью измерителей температуры  и , равных, например, значению температуры окружающей среды плюс 5°С, эти значения температуры фиксируют на моменты времени  и . Далее рассчитывают величины интервалов времени нагрева эталонных объектов  и  на заданную величину, например, на ∆ = 3°С – ∆τ и ∆τ, равные разностям между  и ,  и , соответственно, и вычисляют величину разности между ∆τ и ∆τ. Повторяют все действия для других вариантов третьего эталонного объекта  и строят графическую зависимость средней разности скоростей роста среднемассовых температур первого и второго эталонных объектов – (∆τ/∆ - ∆τ/∆) от удельного теплового сопротивления третьего эталонного объекта . Затем в вместо третьего эталонного объекта  устанавливают исследуемый объект  и проводят действия по нахождению величины средней разности скоростей роста среднемассовых температур первого и второго эталонных объектов, по которой определяют величину удельного теплового сопротивления исследуемого объекта  из графика зависимости разности скоростей роста среднемассовых температур первого и второго эталонных объектов от отношения удельного теплового сопротивления третьего эталонного объекта . В общем случае величина повышения температуры ∆ для первого и второго эталонных объектов может быть разной.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, показанными на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
1
2
3
4
5
6
7
9
10
11
12
3
6
2
5
4
3
6
4
2
5
1
11
1
2
1
5
2
8
5
9
4
10
7
10
9
10
2
5
8
12
8
12
8
Устройство для реализации заявляемого способа измерения удельного теплового сопротивления содержит источник тепловой энергии , выполненный, например, в виде двух плоских керамических пластин со спиральным электрическим нагревателем между ними, первый эталонный объект  с пазом , первый измеритель температуры , второй эталонный объект , с пазом , второй измеритель температуры , третий измеритель температуры, электронный блок обработки измерения температуры , прибор измерения электрической мощности, третий эталонный объект . Пазы  и  проходят по середине толщины соответственно первого эталонного объекта  и второго эталонного объекта  (фиг. 2). Первый измеритель температуры  и второй измеритель температуры 7 находятся, соответственно, в пазах  и , а рабочие органы первого измерителя температуры  и второго измерителя температуры 7 располагаются в геометрических центрах, соответственно, первого эталонного объекта  и второго эталонного объекта . Выходные клеммы источника тепловой энергии  соединены с внешним источником электроэнергии и прибором измерения электрической мощности , одна плоская поверхность источника тепловой энергии  совмещена с первой плоской поверхностью первого эталонного объекта , другая плоская поверхность источника тепловой энергии  совмещена с первой плоской поверхностью второго эталонного объекта , вторая плоская поверхность первого эталонного объекта  совмещена с плоской поверхностью исследуемого объекта , вторая плоская поверхность второго эталонного объекта  размещена в окружающей среде, третий измеритель  температуры может быть размещен в окружающей среде вблизи предлагаемого устройства, выход первого измерителя температуры  соединен с первым входом электронного блока обработки измерения температуры , выход второго измерителя температуры  соединен с вторым входом электронного блока обработки измерения температуры , выход третьего измерителя  температуры соединен с третьим входом электронного блока обработки измерения температуры . Первый эталонный объект  и второй эталонный объект  обладают малой величиной удельного теплового сопротивления, что позволяет получать высокую скорость нагрева этих объектов и равномерную по объему температуру. Исследуемый объект  (фиг. 1) допускает замену на третий эталонный объект  (фиг. 3), который имеет несколько различных вариантов исполнения, имеющих одинаковые с объектом измерения  габаритные геометрические размеры и близкие значения температуропроводности, но отличающихся друг от друга значениями удельного теплового сопротивления, что позволяет обеспечить однозначность и одинаковость экспериментальной зависимости между средней величиной разности скоростей роста среднемассовых температур первого и второго эталонных объектов и величиной удельного теплового сопротивления для различных вариантов третьего эталонного объекта  и исследуемого объекта .
1
11
2
5
2
8
2
8
5
5
4
7
9
10
Т
Т
T
8
12
s
1
s
2
h
Устройство для реализации заявляемого способа измерения удельного теплового сопротивления работает следующим образом. Источник тепловой энергии  имеет на входе постоянную электрическую мощность, которая измеряется и контролируется прибором измерения электрической мощности , преобразуется в тепловой поток и разделяется на два тепловых потока, первый из которых входит в первый эталонный объект , а второй тепловой поток входит во второй эталонный объект . Первый тепловой поток расходуется на нагрев первого эталонного объекта , исследуемого объекта  и выходит в окружающую среду через свободные торцевые поверхности первого эталонного объекта  и свободные поверхности исследуемого объекта . Второй тепловой поток расходуется на нагрев второго эталонного объекта  и выходит в окружающую среду через свободные поверхности второго эталонного объекта . Сигналы от измерителей температуры , ,  обрабатываются электронным блоком обработки измерения температуры  в виде численных значений переменных ,  и  на фиксируемый момент времени τ. Предложенное устройство допускает замену исследуемого объекта  на варианты четвертого эталонного объекта .
Предлагаемое изобретение позволяет уменьшить среднеквадратическую погрешность заявляемого способа измерения удельного теплового сопротивления до 6%.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ на изобретение №2330270, кл. G01N 25/18. Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления / Е.В. Абрамова, А.И. Богоявленский, О.Н. Будадин, и др. – Заявка №2006120331/28, Заявлено 31.05.2006; Опубл. 27.07.2008; Приоритет 31.05.2006 // Изобретения. Полезные модели. – 2008. - Бюл. №21.
2. Патент РФ на изобретение №2736322, G01N 25/18. Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления / А.Н. Балалаев, М.А. Паренюк, Д.М. Тимкин. – Заявка № 2018146922; Заявлено 26.12.2018; Опубл. 13.11.20; Приоритет 26.12.2018// Изобретения. Полезные модели. – 2020. – Бюл. №32.
3. Суслов В.А. Тепломассообмен: учеб. пособие / СПбГУПТД ВШ ТиЭ. СПб., 2016. Часть 1. – 98 с.