УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
DEVICE FOR CALIBRATING HEAT FLUX SENSORS

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для калибровки датчиков теплового потока, основанным на радиационно-конвективном способе.
Известны устройства, реализующие радиационный способ. Аналогом предлагаемого изобретения являются излучатели теплового потока известной мощности, в качестве которых используют модели абсолютно черного тела (АЧТ). Чаще всего такие излучатели конструктивно выполняют в виде горизонтальной трубчатой печи, внутри которой помещается тепловой блок в виде стакана из материала с высокой теплопроводностью. Блок снабжают термометрическим каналом для размещения в нем эталонного датчика температуры. Нагретая полость стакана служит источником теплового излучения (см. Б.Н.Олейник, С.И.Лаздина, В.П.Лаздин, О.М.Жагулло. Приборы и методы температурных измерений: уч. пособие. М.: изд-во стандартов, 1987, 296 с.).
Условием близости свойств излучения такой полости к АЧТ является выполнение двух условий: малость площади ее выходного отверстия по отношению к площади полости излучателя (блока) и однородность температурного поля полости. Степень близости такого излучателя к свойствам АЧТ определяется коэффициентом черноты, который для реальных тел может изменяться в пределах 0<ε<1. Значение этого коэффициента для моделей АЧТ находят только расчетным путем на основании данных по геометрическим параметрам излучателя и однородности его температурного поля. Наиболее удачные конструкции АЧТ имеют расчетное значение ε более 0,99. Тепловой поток на выходе излучателя определяется при этом по закону Стефана-Больцмана.
Недостатком таких устройств является то, что используются расчетные значения ε, достоверность которых невозможно подтвердить. Другим недостатком является невозможность учета конвективной составляющей теплообмена, поэтому необходимо наличие вакуума, что существенно усложняет конструкцию устройства и его эксплуатацию.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству, взятой в качестве прототипа, является установка для радиационной градуировки датчиков теплового потока, содержащая излучатель в виде плоской модели АЧТ, корпус, снабженный кожухом и термостатируемой блендой, спаи термоэлектрического датчика температуры, теплосток в виде теплообменника, охлаждаемого протекающей жидкостью, на котором размещаются эталонные и калибруемые датчики теплового потока, два одинаковых кольца, кронштейн, рукоятка, осевой винт и направляющая, а также столешница и клеммная колодка (см. Декуша Л.В., Грищенко Т.Г., Зайцев В.Б. Установка для радиационной градуировки преобразователей теплового потока. / Промышленная теплотехника, т.25, №4. - 2003. ISSN 0204-3602).
К недостаткам таких устройств относится возможность возникновения погрешностей, обусловленных неидентичностью геометрии и свойств калибруемых и эталонного датчиков, приводящая к неодинаковости взаимодействия теплового излучения с их поверхностью. Кроме этого для осуществления такого способа необходимо иметь эталонный датчик высокой точности.
Поэтому актуальной является задача создание тепловых излучателей не с расчетным, а с измеряемым значением теплового потока, позволяющих проводить калибровку датчиков не только в вакууме, но и в условиях атмосферы при наличии конвективного теплообмена.
Технический результат от внедрения устройства заключается в том, что оно позволяет осуществлять калибровку датчиков теплового потока в условиях, наиболее близких к реальным условиям их эксплуатации.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для калибровки датчиков теплового потока содержит тепловой излучатель, снабженный датчиком температуры, и теплосток, на котором размещен калибруемый датчик, согласно изобретению в нем тепловой излучатель выполнен в виде стакана, на поверхности которого размещен электрический нагреватель, подключенный к источнику питания и измерителю мощности, введен тепловой экран, окружающий излучатель и повторяющий его форму, на поверхности которого размещены датчик температуры и электрический нагреватель, подключенные к регулятору температуры экрана, а теплосток выполнен в виде термоэлектрической батареи Пельтье, охлаждаемой тающим льдом и подключенной к источнику питания, калибруемый датчик снабжен датчиком температуры и размещен на термобатарее так, что перекрывает выходное отверстие излучателя, и подключен к измерителю сигнала.
Предлагаемое устройство представлено на фиг.1, где: 1 - калибруемый датчик, 2 - тепловой излучатель, 3 - теплоизолирующее кольцо, 4 - измеритель сигнала калибруемого датчика, 5 - электрический нагреватель теплового излучателя, 6 - источник питания электрического нагревателя излучателя, 7 - измеритель мощности, 8 - тепловой экран, 9 - электрический нагреватель теплового экрана, 10 - датчик температуры теплового экрана, 11 - регулятор температуры теплового экрана, 12 - датчик температуры теплового излучателя, 13 - датчик температуры калибруемого датчика, 14 - источник питания батареи Пельтье, 15 - термоэлектрическая батарея Пельтье, 16 - сосуд с тающим льдом.
u
u
0
u
Устройство работает следующим образом. Калибруемый датчик 1 помещают в теплоизолирующее кольцо 3 на выходном отверстии излучателя 2. На внешнюю поверхность датчика устанавливают термобатарею Пельтье 15 вместе с сосудом с тающим льдом 16. Регулируя ток в термобатарее 15 источником 14, устанавливают по сигналу датчика 13, регистрируемому измерителем 4, необходимую температуру калибруемого датчика. К нагревателю теплового излучателя 5 подводят электрическую мощность P от источника питания 6, которую измеряют измерителем 7. С помощью регулятора 11 устанавливают мощность нагревателя 9 экрана 8, при которой его температура становится равной температуре излучателя, что определяется по показаниям датчиков температуры 10 и 12. В этом случае подводимая к тепловому излучателю 2 электрическая мощность P, преобразуясь в тепло, создает тепловой поток Q на выходном отверстии излучателя, равный мощности P.
o
Так как калибруемый датчик 1 расположен вблизи выходного отверстия излучателя и перекрывает его, то плотность теплового потока q, проходящего через датчик, определится соотношением
o
где F - площадь выходного отверстия излучателя.
Следовательно, измеряя мощность электрического нагревателя теплового излучателя, площадь его выходного отверстия, а также электрический сигнал Е датчика, рассчитывают значение его коэффициента преобразования К по формуле:
Важным преимуществом предлагаемого устройства является возможность калибровки датчиков теплового потока без использования эталонного датчика в условиях, максимально приближенных к условиям эксплуатации датчиков при их размещении на поверхностях различных объектов.