СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
METHOD FOR MEASURING DENSITY OF HEAT FLOW

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению количества тепла по сечению излучающей поверхности в сочетании с измерением коэффициента теплопередачи, и может быть использовано для оценки плотности теплового потока или контроля инфракрасного излучения от разогретых объектов, например, при пожаре или различных технологических процессах.
Из уровня техники известны различные способы оценки высокоинтенсивного теплового излучения, основанные на использовании радиометров. Анализ научных публикаций показал, что в научных исследованиях при измерении плотности высокоинтенсивных тепловых потоков применяются, в основном, способы, основанные на схеме датчика Гардона. Например, патент CN203745106U «Датчик теплового потока с жидкостным охлаждением», Китайская Народная Республика, заявка № CN 201320830684; заявл. 16.12.2013, опубл. 30.07.2014. В известном способе для измерения плотности теплового потока используется определение дифференциальной термопарой разности температур на чувствительном элементе, которая возникает в результате охлаждения водой его периферии и нагрева центральной части под действием теплового излучения.
Недостатком данного способа является сложность эксплуатации датчика, ограничения применения по температуре и давлению среды. Скорость измерения ограничена скоростью установления стационарного теплового режима в чувствительном элементе. Также погрешность измерений увеличивается при изменении температуры самого датчика.
Известно авторское свидетельство SU800714A1 МПК G01K17/20, опубликовано 30.01.1981, авторы А.Л. Гуревич, И.Е. Спектор, Е.Г. Капцов. Для осуществления известного способа измеряют температурный перепад между центром приемной площадки и периферийной частью тепловоспринимающего элемента. Температурный перепад измеряется дифференциальной термопарой, образуемой тепловоспринимающим элементом, теплоотводом и токовыводами. Способ позволяет повысить чувствительность и точность измерений с сохранением механической прочности.
Недостатком известного способа является необходимость установления стационарного теплового режима в тепловоспринимающем элементе, что снижает скорость измерения. Также отсутствие защиты теплоотвода от воздействия среды повышает погрешность измерений при исследовании лучистых тепловых потоков в условиях нагретой атмосферы, например, при пожаре. Невозможность учета температуры датчика повышает погрешность при длительных измерениях из-за влияния нагретых частей устройства на тепловоспринимающий элемент. Также, точность измерений снижает ненулевая термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) между теплоотводом и токовыводом, возникающая из-за невозможности подбора абсолютно одинаковых материалов для этих элементов.
Наиболее близким к заявленному способу является способ определения плотности падающего теплового потока с использованием радиометра, основанном на схеме датчика Гардона («Датчик теплового потока с круглой фольгой»: патент CN202393503U, Китайская Народная Республика, заявка № CN 201120496844; заявл. 01.12.2011, опубл. 22.08.2012). Указанный датчик включает чувствительный элемент из фольги, первый термоэлектрод термопары, второй термоэлектрод термопары, третий термоэлектрод термопары, теплоотвод. Причем чувствительный элемент приварен к теплоотводу, первый термоэлектрод приварен к центру чувствительного элемента из фольги, второй и третий термоэлектроды приварены к краю чувствительного элемента у теплоотвода (или третий также приварен в центре, в зависимости от исполнения устройства). Материалы устройства подобраны таким образом, что первый термоэлектрод, чувствительный элемент и второй термоэлектрод образуют дифференциальную термопару, по показаниям которых можно судить о плотности падающего теплового потока, а второй и третий (или первый и третий) термоэлектроды образуют термопару, определяющую температуру края (центра) чувствительного элемента для учета температурной зависимости показаний датчика. Этот способ является ближайшим к заявленному. Согласно описанному способу плотность теплового потока, падающего на датчик теплового потока можно найти из выражения
0
где: Е - ТЭДС между первым и вторым термоэлектродами дифференциальной термопары, В; q - плотность теплового потока, падающего на чувствительный элемент из фольги, Вт; k - калибровочный коэффициент, α - коэффициент теплопроводности материала фольги, Вт/(м⋅К); β - коэффициент температурной зависимости; Т - температура, определяемая термопарой, образованной втором и третьим термоэлектродами (или первым и третьим), °С.
Данный способ принят за прототип.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является небольшая скорость измерения, вызванная необходимостью установления стационарного теплового режима в чувствительном элементе. Формула (1) применима в случае установления ТЭДС между первым и вторым термоэлектродами дифференциальной термопары при достижении постоянного перепада температур между центром и периферией чувствительного элемента. В случае, когда скорость изменения плотности теплового потока выше скорости установления стационарного теплового режима в чувствительном элементе, применение формулы (1) дает большую погрешность измерений.
Техническая проблема заключается в необходимости создания способа измерения плотности теплового потока, который был бы лишен недостатков аналогов, известных на настоящий момент из уровня техники, а именно обеспечивающего высокую точность и скорость измерений.
Технический результат, который достигается при использовании заявленного способа, состоит в сокращении времени измерений и повышении точности результатов измерений.
Технический результат достигается за счет того, что в заявленном способе измерения плотности теплового потока q, включающего фиксацию изменения во времени перепада температур на круглом чувствительном элементе из фольги, возникающего между центром и краем закрепленного по периметру на теплоотводе чувствительного элемента, посредством дифференциальной термопары, образованной первым термоэлектродом, приваренным к центру чувствительного элемента, самим чувствительным элементом и вторым термоэлектродом, приваренным к краю чувствительного элемента у теплоотвода, подключенной к анализирующему электронному блоку и дополнительную фиксацию изменения во времени температуры края чувствительного элемента посредством термопары образованной вторым и дополнительным третьим термоэлектродом, закрепленным в точке крепления второго термоэлектрода и определяют плотность теплового потока по формуле:
2
2
0
где: q - плотность теплового потока, Вт/м; Т - постоянная времени, характеризующая инерционность звена, с; k(t) - коэффициент передачи, характеризующий свойства в статическом режиме, Вт/м⋅В; t - температура на краю чувствительного элемента, К; ΔЕ(τ) - функция ТЭДС от времени, определяемая анализирующим электронным блоком, В; τ - время, с; τ - момент времени, в который производится измерение, с.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена принципиальная схема датчика, с помощью которого реализуется заявленный способ, где: 1 - чувствительный элемент; 2 - массивное основание; 3-5 - термоэлектроды; 6 - тепловая изоляция; 7 - анализирующий электронный блок.
На фиг.2 представлены графические зависимости ТЭДС дифференциальной термопары (ТЭДС ΔЕ) от времени τ, где: 1, 2 и 3 - графики изменения ТЭДС при различных плотностях теплового потока; 1', 2' и 3' - соответствующие расчетные значения.
На фиг.3 представлены результаты измерения переменного теплового потока, где: 1 - падающий на датчик тепловой поток; 2 - необработанный сигнал с датчика; 3 - результат обработки данных заявленным способом.
В соответствии с заявляемым способом применен датчик теплового потока, конструкция которого включает чувствительный элемент 1 из фольги в виде диска, закрепленного на массивном основании 2, прикрепленные к центру и краю чувствительного элемента термоэлектроды 3 и 4, дополнительный термоэлектрод 5, тепловую изоляцию 6, анализирующий электронный блок 7. Чувствительный элемент 1 и термоэлектроды 3 и 4 изготовлены из разных металлов (например, никель и константан), таким образом образуется дифференциальная термопара константан-никель-константан, ТЭДС которой прямо пропорциональна перепаду температур между центром и краем чувствительного элемента. Дополнительный термоэлектрод 5 изготовлен из положительного по отношению к константану металла (например, меди) и закреплен в точке крепления краевого термоэлектрода 4, образуя спай термопары. Таким образом ТЭДС получившейся термопары медь-константан прямо пропорциональна температуре края чувствительного элемента. Все составляющие датчика теплового потока подобраны таким образом, что чувствительный элемент при воздействии на него теплового потока ведет себя как апериодическое звено первого порядка. Термоэлектроды 3, 4, 5 подключены к анализирующему электронному блоку 7, позволяющему отслеживать сигналы и производить вычисления на основании измеренных данных в режиме реального времени. Наличие изоляции и отсутствие жидкостного охлаждения позволяет проводить измерения в условиях повышенной температуры и давления окружающей среды.
Для получения постоянной времени Т, характеризующей инерционность датчика и коэффициента передачи k(t), характеризующего свойства в статическом режиме проводят серию градуировочных опытов. Датчик, подключенный к электронному блоку 7 устанавливают напротив источника теплового потока и закрывают непрозрачной шторкой. После начала измерений шторку быстро убирают и продолжают измерения длительное время. Испытания повторяют при нескольких различных уровнях теплового потока. В результате испытаний получают следующие зависимости:
ΔЕ(τ) - зависимость ТЭДС дифференциальной термопары от времени;
k(t) - зависимость коэффициента передачи от температуры края чувствительного элемента.
По полученным данным были построены графические зависимости 1, 2, 3 ТЭДС ΔЕ от времени τ (фиг.2), которые были аппроксимированы функцией вида
2
2
где: q - плотность теплового потока, Вт/м; Т - постоянная времени, характеризующая инерционность звена, с; k(t) - коэффициент передачи, характеризующий свойства в статическом режиме, Вт/м⋅В; t - температура на краю чувствительного элемента, К; ΔЕ(τ) - функция ТЭДС от времени, определяемая анализирующим электронным блоком, В; τ - время, с.
Аппроксимирование полученных эмпирических данных функцией вида (3) имеет достоверность 0,97, поскольку все составляющие конструкции подобраны таким образом, чтобы датчик теплового потока являлся инерционным звеном первого порядка. Параметры k(t) и Т определяются для конкретного датчика.
0
0
Для определения плотности потока падающего на диск чувствительного элемента до наступления стационарного режима в диске необходимо воспользоваться свойством касательной к кривой разгона апериодического звена первого порядка заключенной между произвольной точкой на кривой с абсциссой τ и точкой с абсциссой τ+Т. Ордината точки ограничивающей касательную справа будет равна значению установившегося выходного сигнала ΔЕ. Таким образом, для определения установившегося выходного сигнала ΔЕ в произвольной точке кривой разгона можно воспользоваться выражением:
По выражению (4) определены значения АЕ для этих кривых на всем диапазоне измерений (кривые 1', 2', 3'). Также на фиг.2 представлена пятипроцентные окрестности установившихся значений для каждой из кривых 1-3.
Из графических данных видно, что сигнал на датчике попадает в пятипроцентную окрестность установившегося режима не ранее чем через 0,8 с после начала измерений. Однако, кривые 1'-3' попадают в эту же окрестность не позже 0,1 с после начала измерений. Наибольшая ошибка в прогнозировании величины ΔЕ в первые моменты измерений обусловлена несовершенством механизма подъема шторки и синхронизированным с ним началом измерений. Угловой коэффициент касательных на начальных участках кривых ΔЕ(τ) (1, 2, 3 на фиг.2) растет, что равнозначно увеличению теплового потока на этом же временном участке. Подобное поведение может быть обусловлено недостаточной скоростью подъема шторки, при которой датчик успевает отреагировать на частичный поток из не полностью открытой печи.
Для определения плотности теплового потока необходимо воспользоваться выражением (2), которое определяет плотность теплового потока q в зависимости от температуры края чувствительного элемента t и ТЭДС дифференциальной термопары ΔЕ(τ). Анализирующий электронный блок имеет встроенное программное обеспечение, позволяющее в режиме реального времени производить расчеты по зависимости (2) после внесения в его память полученных значений k(t) и Т.
Таким образом, экспериментально установлено, что определение плотности теплового потока, падающего на чувствительный элемент датчика Гардона, возможно значительно раньше установления стационарного теплового режима в чувствительном элементе, что сокращает время измерений.
Для оценки точности заявленного способа на датчик подавался переменный тепловой поток. Анализирующий электронный блок непрерывно считывал сигнал с датчика, в режиме реального времени обрабатывал его и записывал результаты во внутреннюю память. Данные, полученные в результате эксперимента, представлены на фиг.3. Форма падающего на датчик сигнала соответствует линии 1, необработанный сигнал с датчика - линии 2, данные, полученные заявленный способом представлены линией 3 на фиг.3. По полученным данным видно, что погрешность определения плотности теплового потока известным способом в среднем в 2,7 раза больше погрешности заявленного способа. Таким образом, экспериментально установлено, что заявленный способ позволяет повысить точность результатов измерений и является промышленно применимым.