Радиационный метод поверки датчиков теплового потока на основе адиабатического излучателя

УДК 536.6

Н.А. Курбатова, В.Я. Черепанов СГГ А, ФГУП «СНИИМ», Новосибирск

РАДИАЦИОННЫЙ МЕТОД ПОВЕРКИ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА НА ОСНОВЕ АДИАБАТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ

Предложен и теоретически обоснован радиационный метод формирования теплового потока заданной плотности. Разработана экспериментальная измерительная установка, позволяющая исследовать этот метод.

N.A. Kurbatova, V.Ya. Cherepanov

Siberian Scientific-Research Institute of Metrology (SSRIM) 4 Dimitrova, Novosibirsk, 630004, Russian Federation; Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

RADIATING METHOD VERIFICATION OF A HEAT FLUX SENSORS ON A BASIS ADIABATICALLY EMITTER

The radiating method of formation of a thermal flow of given density is offered and theoretically proved. The experimental measuring installation allowing to investigate this method is developed.

В последние годы для решения вопросов рационального использования энергетических ресурсов получили широкое распространение и применение средства измерений плотности теплового потока и появилась необходимость повышения уровня их метрологического обеспечения.

Для решения этих задач в ФГУП «СНИИМ» создан Государственный первичный эталон единицы поверхностной плотности теплового потока и утвержден под номером ГЭТ 172-2008 [1]. В настоящее время завершается утверждение Государственной поверочной схемы для средств измерений

л

поверхностной плотности теплового потока в диапазоне от 1 до 10 000 Вт/м . В качестве рабочих эталонов поверочная схема предусматривает использование теплометрических установок различных принципов действия. В данной работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований радиационного метода передачи единицы плотности теплового потока от теплометрической установки рабочим средствам измерений, основанным на использовании термоэлектрических датчиков теплового потока [2].

Формирование теплового потока плотностью q в радиационном методе основано на законе Стефана-Больцмана:

q — £°

где s - эффективный интегральный коэффициент черноты излучения в системе излучатель-датчик теплового потока; а - константа Стефана-Больцмана; Tq , Тд - значения абсолютной температуры излучателя и датчика.

Если То >> Тд, то закон принимает вид

д = ва704.

В другом случае, когда То ~ Тд, закон (1) можно представить в виде

Ч = 4 ааТо3

Множители перед разностью температуры в этом случае можно интерпретировать как коэффициент теплоотдачи излучением а8 , который равен

а8 = 4 еаГ03.

Л

Для получения плотности теплового потока, например, равной 1 Вт/м , необходимую разность температуры АТ между излучателем и датчиком, как следует из (3) и (4), можно рассчитать по формуле

АТ =

Для больших значений q для расчета необходимо использовать равенства (1) или (2).

Рабочий эталон на основе теплометрической установки предполагает возможность самостоятельного воспроизведения единицы плотности теплового потока и ее передачи теплоизмерительным приборам и системам. Поверка такой установки осуществляется датчиками, входящими в состав первичного эталона. В качестве источника теплового потока в настоящей работе предложено использовать излучатель, окруженный открытой адиабатической оболочкой [3, 4]. При этом через открытое пространство адиабатической оболочки выходит тепловой поток Qo, который в стационарном температурном режиме равен мощности Рн источника нагрева излучателя. Если перекрыть это открытое пространство датчиком теплового потока, то через него будет проходить тепловой поток, плотность которого ц0 определится соотношением

Яо=Оо/Ро=Рн/Ро,

где Г0 - площадь датчика.

Следовательно, измеряя мощность нагревателя, площадь воспринимающей тепловой поток поверхности и сигнал Е датчика, можно рассчитать значение его коэффициента преобразования К, который является основной метрологической характеристикой датчика:

К = Р/ГЕ.

Схема теплометрической установки, реализующей описанный метод, представлена на рис. 1. Поверяемый датчик 3 устанавливают на пеноплексовое теплоизолирующее кольцо, расположенное на выходном отверстии теплового излучателя 4. Нагреватель представляет собой медный стакан, по поверхности которого бифилярно намотан нагреватель из изолированного манганинового провода. Нагреватель снабжен токовыми и потенциальными выводами, которые подключены, соответственно, к стабилизированному источнику питания постоянного тока 5 и к входным клеммам ин многоканального измерителя постоянного напряжения, имеющего погрешность около 5 мкВ. В токовую цепь нагревателя последовательно включена мера Я0 электрического сопротивления, потенциальные зажимы и 0 которой также подключены к клеммам многоканального измерителя. Излучатель расположен внутри адиабатического экрана 6, изготовленного из меди и повторяющего форму излучателя. Внешняя поверхность излучателя и внутренняя поверхность экрана покрыты полированной алюминиевой фольгой, которая сводит к минимуму радиационную составляющую теплообмена между излучателем и экраном. Внешняя поверхность экран снабжена нагревателем из константанового провода. Для снижения влияния температуры среды экран закрыт слоем теплоизоляции 7. Температура экрана измеряется с помощью медь-константановой термопары 8, сигнал которой еэ поступает на один из входов

измерителя.

Рис. 1. Схема теплометрической установки:

1 - радиатор, 2 - термобатарея, 3 - датчик, 4 - излучатель, 5 - источник питания, 6- адиабатический экран, 7 - теплоизоляция, 8 - термопара экрана, 9 -дифференциальная термопара, 10 - регулятор температуры экрана, 11 и 12 -термопара и регулятор температуры Пельтье-батареи

Адиабатизация излучателя достигается поддержанием равенства его температуры и температуры экрана с помощью дифференциальной термопары 9, подключенной к регулятору 10, имеющему разрешающую способность около

0.5 мкВ. Термопара изготовлена из термоэлектродов манганин-константан и содержит 8 пар спаев.

На внешнюю поверхность датчика 3 устанавливают Пельтье-батарею 2. Температура ее поверхности, контактирующей с датчиком, поддерживается постоянной с помощью термопары 11 и регулятора 12. Для увеличения теплоотдачи Пельтье-батареи на ее верхней поверхности расположен радиатор

1.

Условием адиабатичности излучателя является малость теплового потока Qоэ между излучателем и экраном, по сравнению с мощностью Рн нагревателя.

Значение этого теплового потока зависит, прежде всего, от значения

теплового сопротивления пространства, например, воздушного зазора, а также значения разности температур между излучателем и экраном. Как показано в [3], значение можно определить по формуле:

Щ: = \ЯМ + ос + 4б<уГъо ]-1,

где X, й - теплопроводность и толщина зазора; а - коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности излучателя, обращенной к экрану; в -коэффициент черноты в системе образец-экран; То - температура излучателя.

В табл. 1 приведены рассчитанные по формуле (8) значения теплового сопротивления и соответствующие значения остаточного теплового потока

плотностью Qоэ для разных сред. Значения этой плотности рассчитаны по формуле:

Яоэ=АТоэ/ЯТ’

где АТоэ - разность температур излучателя и экрана, равная 3 мК.

Таблица 1

Среда Вт/(м-К) d, мм а, Вт/(м2-К) 8 То, К ^, (К-м2)/Вт боэ, Вт/м2

Вакуум 0 3 0 0,05 400 1,4 0,02

Воздух 0,03 3 5 0,05 200 0,04 0,12

Воздух 0,03 3 10 0,05 400 0,01 0,3

Условие адиабатичности, в общем случае, имеет вид: боэ^^Або,

где 8^ - допустимое значение относительного вклада остаточного теплообмена в суммарную погрешность формирования теплового потока Qо на выходном отверстии излучателя.

Следовательно, нижний предел задаваемой излучателем плотности цо теплового потока, как следует из (10), не должен быть ниже значения, определяемого неравенством

Чо^ЯоэРоэ/ЬаРо’

где Гоэ - площадь поверхности теплообмена между излучателем и экраном; ¥о - площадь выходного отверстия излучателя.

2 3 2

Для значений цоэ = 0,3 Вт/м , Роэ = 8-10" Вт/м (длина излучателя около

-5 Л

100 мм, диаметр 25 мм); 8^ =0,01; Г0 = 0,3-10' м

Л

следует, что qo > 800 Вт/м , а для доэ =0,12 значение q0 должно превышать 200 Вт/м2.

Отсюда следует, что для выполнения адиабатических условий для меньших значений до необходим вакуум. В табл. 2 приведены результаты сравнения значений плотности теплового потока цо, задаваемого адиабатическим излучателем и q х, измеренного эталонным датчиком № 120 с коэффициентом преобразования 22,5 Вт/(м2-мВ), полученные в воздушной среде.

Таблица 2

№ п/п п, час То, °С АТ °С 1Л1 оэ> ^ Рн , Вт qо, Вт/м2 q х, Вт/м2 Ех, мВ 5, %

1 1100 1310 23,15 25,40 0,003 0,003 0,08 180,3 184,3 190,6 8,190 8,470 5,4

2 1207 1405 24,07 25,05 0,003 0,003 0,08 179,3 167,0 178,7 7,424 7,930 0,5

Расхождение сравниваемых значений плотности теплового потока в опыте № 1 составляет около 6 %, а во втором - около 0,3 %. Как видно из таблицы возможной причиной заметного расхождение значений в первом опыте является недостаточная стабильность температурного режима излучателя.

В результате выполнения работы предложен и теоретически обоснован радиационный метод формирования теплового потока заданной плотности и разработана экспериментальная измерительная установка, позволяющая

определять метрологические характеристики датчиков теплового потока при их поверке и калибровке.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лозинская, О.М. Государственный первичный эталон единицы поверхностной плотности теплового потока [Текст] / О.М. Лозинская, Н.И. Рыбак, В.Я. Черепанов, Э.М. Шейнин, В.А. Ямшанов // Измерительная техника. - 2009. - № 10. - С. 52-55.

2. ГОСТ 30619-98. Энергосбережение. Преобразователи теплового потока термоэлектрические общего назначения. Общие технические условия. - Введ. 2006 - 01 - 01.

- Киев: Госстандарт Украины, 2000. - 21 с.

3. Черепанов, В.Я. Адиабатический метод формирования и измерения тепловых потоков в эталонах физических величин [Текст] / В.Я. Черепанов // Сб. материалов научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2006». Специализированное приборостроение, метрология. - СГГА.

- Новосибирск, 2006. - т.4, ч.2. - С. 201-206.

4. Черепанов, В.Я. Разработка методов и средств метрологического обеспечения измерений коэффициентов теплового излучения материалов [Текст] / В.Я. Черепанов // Сб. материалов научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2005». Специализированное приборостроение, метрология. - СГГА. - Новосибирск, 2005. - т.6. - С. 176-181.

© Н.А. Курбатова, В.Я. Черепанов, 2010