УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к строительной технике и может быть преимущественно использована для измерения теплофизических характеристик различных строительных конструкций, например, стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др.
Известно устройство для бурения скважин [1], позволяющее получать образцы материалов с различной глубины. Измеряя параметры этих образцов, можно получить информацию о физических и химических свойствах и конфигурации глубинных слоев. Недостаток известного устройства заключается в том, что оно не обеспечивает неразрушающего контроля исследуемого объекта.
Известны многочисленные варианты устройств для ультразвуковой дефектоскопии, например, [2, 3], позволяющие определить наличие неоднородностей в различных конструкциях и конфигурацию этих неоднородностей, однако приборы такого рода не позволяют провести измерение теплофизических характеристик исследуемых материалов, в частности, удельного теплового сопротивления.
Известны многочисленные варианты устройств для измерения теплового сопротивления различных радиоэлектронных приборов, например, описанное в [4] устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов. Недостаток известного технического решения заключается в узкой области применения: его можно использовать только для измерения теплового сопротивления транзисторов.
Известно описанное в [5] устройство для определения характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, термопару и электронный блок обработки. Термопара расположена на поверхности исследуемого
образца. Выход термопары подключен к входу электронного блока обработки. Главный недостаток известного устройства заключается в том, что при использовании импульсного нагрева необходима сложная обработка результатов измерений, для чего требуется сложная аппаратура. Это приводит к значительному удорожанию проведения измерений. Кроме того, большая сложность обработки результатов измерений приводит к снижению их точности и достоверности.
Известно применение тепловизора для измерения теплофизических характеристик ограждающих конструкций [6]. Недостаток этого варианта заключается в высокой стоимости тепловизора и необходимости использовать обслуживающий персонал высокой квалификации.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство [7], содержащее источник тепловой энергии, измеритель температуры, электронный блок обработки, при этом выход измерителя температуры соединен с входом электронного блока обработки. Оно также дополнительно содержит наружный теплообменник, первый соединительный трубопровод, второй соединительный трубопровод, устройство для прокачивания теплоносителя, второй, третий и четвертый измерители температуры, при этом в качестве источника тепловой энергии применен преобразователь электрической энергии в тепловую энергию, содержащий нагревательный элемент и корпус-теплообменник, выход первого соединительного трубопровода соединен с входом наружного теплообменника, выход наружного теплообменника соединен с входом второго соединительного трубопровода, выход второго соединительного трубопровода соединен с входом устройства для прокачивания теплоносителя, выход устройства для прокачивания теплоносителя соединен с входом первого соединительного трубопровода, наружная поверхность наружного теплообменника снабжена тепловой изоляцией, кроме примыкающей к наружной поверхности исследуемого объекта наружной поверхности наружного теплообменника, наружная поверхность корпуса-теплообменника снабжена
тепловой изоляцией, кроме примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта наружной поверхности корпуса-теплообменника, измеритель температуры размещен внутри первого соединительного трубопровода, второй измеритель температуры размещен на неснабженной тепловой изоляцией наружной поверхности наружного теплообменника, третий измеритель температуры размещен внутри второго соединительного трубопровода, четвертый измеритель температуры размещен на неснабженной тепловой изоляцией наружной поверхности корпуса-теплообменника, выход второго измерителя температуры соединен с вторым входом электронного блока обработки, выход третьего измерителя температуры соединен с третьим входом электронного блока обработки, а выход четвертого измерителя температуры соединен с четвертым входом электронного блока обработки.
Недостаток известного технического решения заключается в низких потребительских свойствах за счет низких точности и достоверности. Наличие этого недостатка вызвано тем, что в известном устройстве никак не учитываются потери, обусловленные тем, что часть тепловой энергии уходит от источника тепловой энергии и наружного теплообменника в окружающую среду, а часть поступающей в исследуемый объект тепловой энергии уходит по исследуемому объекту в стороны от главного направления распространения теплового потока по исследуемому объекту и не попадает в наружный теплообменник (это явление называется боковым теплообменом).
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее источник тепловой энергии, 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, внесены следующие усовершенствования: оно дополнительно содержит первый эталонный объект, 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 наружной поверхности исследуемого объекта наружной поверхности 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.
Такой вариант выполнения заявленного устройства для измерения удельного теплового сопротивления позволяет повысить потребительские свойства за счет повышения точности и достоверности путем учета бокового теплообмена, так как применение первого эталонного объекта позволяет задавать тепловой поток, входящий в исследуемый объект, а применение второго эталонного объекта позволяет определять тепловой поток, выходящий из исследуемого объекта.
В частном случае (п.2 формулы полезной модели) первый эталонный объект выполнен трехслойным, причем его слои расположены последовательно по направлению распространения теплового потока. Выполнение в первом эталонном объекте первого и третьего слоев из материалов с высокой теплопроводностью позволяет обеспечить равномерное температурное поле в направлениях, перпендикулярных направлению распространения теплового потока.
В частном случае (п.3 формулы полезной модели) второй эталонный объект выполнен трехслойным, причем его слои расположены последовательно по направлению распространения теплового потока. Выполнение во втором эталонном объекте первого и третьего слоев из материалов с высокой теплопроводностью позволяет обеспечить равномерное температурное поле в направлениях, перпендикулярных направлению распространения теплового потока.
В частном случае (п.4 формулы полезной модели) устройство для измерения удельного теплового сопротивления дополнительно содержит тепловую изоляцию, причем наружная поверхность источника тепловой энергии снабжена тепловой изоляцией, кроме примыкающей к наружной поверхности первого эталонного объекта, наружная поверхность первого эталонного объекта снабжена тепловой изоляцией, кроме примыкающей к наружной поверхности источника тепловой энергии и примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта. Такой вариант конструктивного выполнения устройства позволяет снизить энергетические потери при проведении измерений.
Покажем, что в заявленном устройстве действительно обеспечивается решение поставленной задачи.
Рассмотрим для простоты, что в качестве источника тепловой энергии используется преобразователь электрической энергии в тепловую энергию. В таком источнике тепловой энергии выделяется тепловая мощность Р, определяемая из соотношения
где I - сила тока, проходящего через нагреватель [A]; U - приложенное к нагревателю напряжение [В].
2
Удельный тепловой поток q в Вт/м определяется по формуле
где F - площадь контакта первого эталонного объекта с исследуемым объектом.
В стационарном тепловом режиме выполняется следующее соотношение
1
1
2
2
c
c
1
c
2
где Δt - перепад температур на втором слое первого эталонного объекта с известным для данного слоя тепловым сопротивлением r [К/Вт]; Δt - перепад температур на втором слое второго эталонного объекта с известным для данного слоя тепловым сопротивлением r; Δt - перепад температур в исследуемом объекте, суммарное тепловое сопротивление которого r подлежит измерению; q, q, q - удельные тепловые потоки, определяющие потери тепловой энергии за счет неодномерности распространения теплового потока от источника тепловой энергии к третьему слою второго эталонного объекта.
Из (3) можно получить следующие соотношения:
Рассмотрим вначале ситуацию, когда боковые потери тепловой энергии малы, что может быть задано соотношениями:
В этом случае вместо (4)-(6) можно записать
1
2
c
1
2
В соотношениях (10)-(12), как и в (4)-(6), задаваемыми величинами являются q, r и r, а измеряемыми величинами - Δt, Δt и Δt.
с
При выполнении условий (7)-(9) по любой из формул (10)-(12) легко определить тепловое сопротивление исследуемого объекта (как однородного, так и составного - из нескольких слоев). В противном случае определение теплового сопротивления r усложняется.
Наиболее строго выполняется условие (9). Это обусловлено тем, что второй слой второго эталонного объекта принимается тонким, а первый и третий слои второго эталонного объекта изготавливаются из материала с высокой теплопроводностью, например, из меди, что исключает возникновение значимого градиента температур из центра к краям, а, следовательно, не приводит к заметным поперечным тепловым потокам.
По той же причине можно считать, что выполняется соотношение
С учетом (13) и (9) соотношения (4)-(6) можно представить в виде
с
Из сопоставления соотношений (10)-(12) и (14)-(16) видно, что определение величины r по формулам (10) и (11) дают заниженное значение определяемой величины удельного теплового сопротивления. Формулы
с
(12) и (16) совпадают, поэтому можно считать, что они позволяют определять значение r с минимальной погрешностью.
c
На практике величина q неустранима и труднооценима до начала проведения измерений, но ее можно определить, приравнивая правые части формул (14) и (16), а также (15), и (16), в результате можно получить соответственно:
1
c
2
c
с
Таким образом, измерив в эксперименте три температурных перепада: Δt, Δt и Δt, можно определить тепловые потери q, а также и величину удельного теплового сопротивления r по одной из формул (14), (15) и (16) с учетом (17).
В процессе измерений удобно использовать такие первый и второй эталонные объекты, в которых вторые слои имеют равные тепловые сопротивления, то есть когда выполняется равенство:
В этом случае из (17) можно получить
то есть потери на боковой теплообмен оказываются пропорциональными разнице перепадов температур на втором слое первого эталонного образца и на втором слое второго эталонного образца.
Легко видеть, что, подставив (19) в (15), получим соотношение, точно совпадающее с (16), которое и можно использовать для определения искомой величины удельного теплового сопротивления исследуемого объекта.
Таким образом, достоинством описанного устройства является возможность учета бокового теплообмена, поэтому заявленное устройство свободно от указанного недостатка прототипа. Это обусловлено тем, что в заявленном устройстве непосредственно измеряется входящий в исследуемый объект тепловой поток (по перепаду температур в первом эталонном
объекте с известным тепловым сопротивлением). Поэтому потери тепловой энергии из первого эталонного объекта в окружающую среду никак не влияют на результаты измерений. Величина же мощности тепловых потерь из второго эталонного объекта в окружающую среду вообще равна тепловому потоку, проходящему через второй эталонный объект. В результате единственной, требующей учета величиной тепловых потерь является тепловой поток, уходящий в боковом наравлении. Очевидно, что по этим причинам различие между тепловыми потоками, проходящими через первый и второй эталонные объекты, значительно снижается.
Итак, задача полезной модели действительно решается в заявленном устройстве для измерения удельного теплового сопротивления.
Сущность полезной модели поясняется описанием варианта выполнения заявленного устройства и чертежом, на котором приведена схема варианта конструктивного выполнения заявленного устройства.
Устройство для измерения удельного теплового сопротивления содержит источник тепловой энергии, тепловую изоляцию 1, первый измеритель температуры 2, второй измеритель температуры 3, третий измеритель температуры 4, четвертый измеритель температуры 5, электронный блок обработки 6, выход первого измерителя температуры 2 соединен с первым входом электронного блока обработки 6, выход второго измерителя температуры 3 соединен с вторым входом электронного блока обработки 6, выход третьего измерителя температуры 4 соединен с третьим входом электронного блока обработки 6, выход четвертого измерителя температуры 5 соединен с четвертым входом электронного блока обработки 6. Устройство для измерения удельного теплового сопротивления также содержит первый эталонный объект 7, второй эталонный объект 8, наружная поверхность источника тепловой энергии снабжена тепловой изоляцией 1, кроме примыкающей к наружной поверхности первого эталонного объекта 7, наружная поверхность первого эталонного объекта 7 снабжена тепловой изоляцией 1, кроме примыкающей к наружной поверхности источника тепловой энергии
и примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта 9, первый измеритель температуры 2 размещен между наружной поверхностью источника тепловой энергии и наружной поверхностью первого эталонного объекта 7 в области прохождения теплового потока, второй измеритель температуры 3 размещен между наружной поверхностью первого эталонного объекта 7 и внутренней поверхностью исследуемого объекта 9 в области прохождения теплового потока, третий измеритель температуры 4 размещен между наружной поверхностью исследуемого объекта 9 и примыкающей к наружной поверхности исследуемого объекта 9 наружной поверхности второго эталонного объекта 8 в области прохождения теплового потока, четвертый измеритель температуры 5 размещен на наружной поверхности второго эталонного объекта 8 в области выхода теплового потока из второго эталонного объекта 8.
Источник тепловой энергии содержит корпус-теплообменник 10, внутри которого размещен нагревательный элемент 11. Измеритель тока 12 предназначен для измерения величины проходящего через нагревательный элемент 11 электрического тока. Клеммы 13 и 14 предназначены для подключения к внешнему источнику электрической энергии. Первый эталонный объект 7 выполнен трехслойным, причем его слои 15, 16 и 17 расположены последовательно по направлению распространения теплового потока. Второй эталонный объект 8 выполнен трехслойным, причем его слои 18, 19 и 20 расположены последовательно по направлению распространения теплового потока.
Устройство работает следующим образом. Вырабатываемый источником тепловой энергии (заключенным в корпус-теплообменник 10 нагревательным элементом 11) тепловой поток проходит последовательно через первый эталонный объект 7, исследуемый объект 9 и второй эталонный объект 8. Сигналы от измерителей температуры 2. 3, 4 и 5 поступают в электронный блок обработки 6, который производит вычисление удельного теплового сопротивления.
При проведении эталонных измерений необходимо дождаться установления стационарного теплового режима. Наступление этого режима определяется по неизменности во времени показаний значений температуры, измеряемых первым 2, вторым 3, третьим 4 и четвертым 5 измерителями температуры. Эти экспериментально полученные величины используются при расчете удельного теплового сопротивления.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Сухов Р.И., Лебедкин Ю.М., Кузнецов В.Г. и др. Способ бурения скважин и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение №2237148, приор. 1999.10.06, публ. 2001.07.20, МПК7 Е 21 В 6/02, Е 21 В 7/00, Е 21 В 10/36.
2. Пилин Б.П., Марков А.А., Молотков С.Л. Способ ультразвуковой дефектоскопии и устройство, его реализующее. Патент РФ на изобретение №2131123, приор. 1996.01.12, публ. 1999.05.27, МПК6 G 01 N 29/04.
3. Бобров В.Т., Тарабрин В.Ф., Ордынец С.А., Кулешов Р.В. Ультразвуковой дефектоскоп «Ласточка». Патент РФ на изобретение №2231783, приор. 2001.08.09., публ. 2003.07.10, МПК7 G 01 N 29/04.
4. Сергеев В.А. Устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов. Заявка на патент РФ на изобретение №2000127414/09, приор. 2000.10.31, публ. 2002.10.10, МПК7 G 01 R 31/26.
5. Медведев В.В., Троицкий О.Ю. Устройство для определения характеристик материалов. Патент РФ на изобретение №2212653, приор. 2002.05.28, публ. 2003.09.20, МПК7 G 01 N 25/18.
6. Тепловой неразрушающий контроль изделий: Научно-методическое пособие / О.Н. Будадин, А.И. Потапов, В.И. Колганов, Т.Е. Троицкий-Марков, Е.В. Абрамова. - М.: Наука, 2002. С.11-13.
7. Дацюк Т.А., Исаков П.Г., Лаповок Е.В., Платонов С.А., Соколов Н.А., Ханков С.И. Устройство для измерения теплового сопротивления
(варианты) Патент на полезную модель №52186, приоритет 27 мая 2005 г., зарег. В Гос. реестре ПМ РФ 10 марта 2006 г., МПК G 01 N 25/18 (2006.01).