СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООБМЕНА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ Российский патент 1994 года по МПК G01N25/32 

Изобретение относится к анализу материалов и сред с помощью электрически нагреваемых термоэлектрических датчиков, температура которых определяется изменениями коэффициентов теплообмена датчика от теплового контакта с анализируемым материалом или средой и может быть использовано для определения концентрации компонентов газовой среды, скорости потоков жидкости, плотности материалов и веществ и других физических величин, функционально связанных с коэффициентом теплообмена подогревных термоэлектрических датчиков.

Для анализа различных сред и материалов наиболее часто используют проволочные датчики, в которых термопара периодически служит нагревателем (на основе эффекта Пельтье) и термоприемником (с использованием эффекта Зеебека). Экспериментально и теоретически доказано, что для тех диаметров термопар, которые обычно применяются для измерения концентрации, плотности, скорости среды и т. п. лучеиспусканием нагретого тела можно практически пренебречь. Поэтому теплообмен подогревного датчика с окружающей средой носит конвективный характер и определяется в основном теплопроводностью термоэлектродов и теплоотдачей в окружающую среду, в которую помещен термодатчик.

Известен способ определения коэффициента теплообмена термоэлектрических датчиков [1] , основанный на решении уравнения теплопроводности нагретого тока с учетом граничных условий по теплообмену с окружающей средой и получении аналитического выражения для коэффициента теплообмена. Так, коэффициент теплообмена нагретого термоэлектрода в неподвижной газовой среде рассчитывается по формуле
α = 0,5 +0,81 Re⁰⁴ [Вт/м² К] , где d - диаметр электрода;
λ- коэффициент теплопроводности пограничного слоя;
λ_с - коэффициент теплопроводности газа вдали от электродов.

Для термодатчиков в виде термопары с косвенным подогревом существует зависимость термоЭДС Е термопаpы от скорости v потока в виде
Е = KI²v^-n [ B] где К - коэффициент, зависящий от конструкции термоэлектрического преобразователя;
I - сила тока;
n - величина, зависящая от режима потока.

Из последнего выражения видно, что коэффициент теплообмена от нагретой термопары в основном определяется скоростью потока, что и позволяет использовать электрически нагреваемые термодатчики для измерения скорости и других физических величин.

Однако расчетному способу определения коэффициента теплообмена датчика присуща низкая точность из-за сложности учета всех условий теплообмена, тепловых потерь на элементах крепления и характера аэродинамических процессов на рабочем участке датчика.

Известен способ определения коэффициента теплообмена термоэлектрических датчиков [2] , заключающийся в электрическом нагреве чувствительного элемента датчика, измерении мощности тепловыделения, температуры поверхности чувствительного элемента датчика, температуры исследуемой среды и определении коэффициента теплоотдачи αпо формуле
α = , где ΔQ - тепловой поток от поверхности чувствительного элемента датчика;
Т₁ - температура чувствительного элемента датчика;
Т₂ - температура исследуемой среды;
F - площадь поверхности чувствительного элемента датчика.

Этот способ также не обеспечивает высокую точность определения коэффициента из-за больших погрешностей измерения малых тепловых потоков существующими микрокалориметрами. Измерение тепловыделения по рассеиваемой электрической мощности затруднено из-за непостоянства соотношения электрических сопротивлений электродов и рабочего спая термопары, а также неравномерности выделения тепла по чувствительному спаю термопары и в прилегающих участках термоэлектродов. Эти погрешности особенно велики в полупроводниковых термопарах, имеющих высокоомные, но нестабильные термо- элементы.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения коэффициента теплообмена термоэлектрических датчиков [3] , заключающийся в том, что приводят рабочий спай термоэлектрического датчика в тепловой контакт с исследуемым материалом или средой, нагревают его до значения температуры выше температуры окружающей среды, измеряют значение термоэлектродвижущей силы на свободных концах термоэлектрического датчика, компенсируют тепловыделение в спае эффектом Пельтье от электрического тока, пропускаемого через спай термоэлектрического датчика, а коэффициент теплообмена рассчитывают по формуле
α = , где Q_к(I) - компенсирующий тепловой поток за счет эффекта Пельтье, пропорциональный току I;
F - поверхность теплообмена рабочего спая датчика;
Т₁ - температура нагретого спая, пропорциональная термоэлектродвижущей силе;
Т_о - начальная температура спая датчика.

Тепловыделение или поглощение тепла в исследуемой среде определяется по значению и направлению тока через спай термодатчика. Связь между электрическим током и тепловым потоком определяется или градуировкой, или расчетным путем при известных параметрах термоэлектрического датчика (или термобатарей). Однако известному способу присуща и невысокая точность. Это объясняется влиянием тепла Джоуля на компенсирующий тепловой поток, которое с одной стороны нарушает линейность между компенсирующей мощностью от эффекта Пельтье и электрическим током, с другой стороны, неконтролируемо подогревают рабочий спай от части объемно выделяющегося тепла в электродах датчика. Кроме того, на точность измерения температуры нагретого спая существенное влияние оказывает непостоянство коэффициента Зеебека для используемых термоэлектродов и зависимость его от температуры спая.

Цель изобретения - повышение точности определения коэффициента теплообмена термоэлектрических датчиков, нагреваемых за счет эффекта Пельтье в спае термоэлектрода с исключением влияния тепла Джоуля и непостоянства коэффициента Зеебека термоэлектродов.

Цель достигается тем, что в известном способе определения коэффициента теплообмена, который заключается в том, что приводят рабочий спай термоэлектрического датчика в тепловой контакт с исследуемым материалом или средой, пропускают постоянный ток через спай и нагревают его до значения температуры выше температуры исследуемого материала или среды, измеряют значение термоэлектродвижущейся силы на свободных концах термоэлектрического датчика, измеряют температуру свободных концов и температуру исследуемого материала или среды, определяют коэффициент теплообмена спая датчика по математическому выражению, дополнительно введены следующие операции: прерывают ток через спай термоэлектрического датчика; измеряют термоэлектродвижущую силу на его свободных концах через временной интервал, равный 4-5 значениям тепловой постоянной времени датчика; пропускают ток того же значения, но в противоположном направлении через спай, и охлаждают его до значения температуры ниже температуры исследуемого материала или среды; измеряют значение термоэлектродвижущейся силы на свободных концах через тот же временной интервал, а коэффициент теплообмена α вычисляют по математическому выражению
α = , где Е₁, Е₂, Е₃ - значения термоэлектродвижущей силы соответственно после нагрева, без нагрева и после охлаждения спая термоэлектрического датчика;
F - поверхность нагрева или охлаждения спая термоэлектродов;
П - коэффициент Пельтье, зависящий от материалов термоэлектродов;
I - значение тока через спай термоэлектродов;
Т₁ - температура исследуемого материала или среды;
Т_о - температура свободных концов термоэлектродов.

Введенные операции позволяют получить дополнительную информацию о теплообмене рабочего спая термоэлек- трического датчика с исследуемым материалом или средой. Операции измерения термоэлектродвижущей силы при прерывании тока через спай и измененном направлении протекающего тока позволяют расчетным путем исключить влияние тепла Джоуля на теплообмен спая датчика в исследуемой среде. Расчет коэффициента теплообмена по предложенному математическому выражению исключает непостоянство коэффициента Зеебека на получаемый результат. Измерения термоэлектродвижущей силы после каждого переключения, спустя временные интервалы, равные 4-5 значениям тепловых постоянных времени спая, позволяют разделить эффекты Пельтье и Зеебека во времени и осуществить высокоточные измерения термоэлектродвижущей силы, отражающей процессы нагрева и охлаждения спая датчика. Указанные отличия позволяют решить поставленную задачу на изобретательском уровне.

На чертеже представлена схема устройства для определения коэффициента теплообмена термоэлектрических датчиков.

Устройство содержит измерительную камеру 1, термоэлектрический датчик 2, состоящий из двух термоэлектродов 3, 4 и рабочего спая 5, двухполюсного переключателя 6 на три положения, источник 7 постоянного напряжения, миллиамперметр 8, переменный резистор 9 и милливольтметр 10.

Входы двухполюсного переключателя 6 соединены со свободными концами термоэлектродов датчика, рабочий спай 5 которого помещен в измерительную камеру 1. Противоположные выходы переключателя 6 соединены между собой и подключены к выходам источника 7 постоянного напряжения через миллиамперметр 8 и переменный резистор 9. К средним выходам переключателя 6 подключен милливольтметр 10.

Сущность способа определения коэффициента теплоотдачи термоэлектрических датчиков заключается в следующем.

Рабочий спай термоэлектрического датчика приводят в тепловой контакт с исследуемым материалом или средой. Пропускают через спай постоянный ток в таком направлении, чтобы выделить нагрев спая до температуры
Т₂ = Т₁ + ΔТ, (1) где Т₁ - температура исследуемого материала или среды;
ΔТ - температура перегрева спая датчика.

Измеряют температуру Т₁ исследуемого материала или среды. Температура перегрева датчика определяется суммарной рассеиваемой электрической мощностью в спае и прилегающих участках термоэлектродов, а также теплообменом с окружающей средой
ΔT = , (2) где П - коэффициент Пельтье, зависящий от материалов термоэлектродов;
I - ток, протекающий через спай термоэлектродов;
r - сопротивление термоэлектродов;
К - коэффициент, учитывающий долю тепла Джоуля, поступающего в спай;
α- коэффициент теплообмена, зависящий от теплопроводности исследуемого материала или среды, а также скорости среды, если она подвижна;
F - поверхность теплообмена спая термоэлектродов.

Измеряют установившееся значение термоЭДС Е₁ на свободных концах термоэлектродов датчика и силу тока I, протекающего через спай. Для этого измерение термоЭДС Е₁ проводят после включения тока через временной интервал, равный 4-5 значениям тепловой постоянной времени датчика. После указанного интервала, измеряемая термоЭДС равна
E₁= ST₁+ _T, (3) где S - чувствительность термоэлектрического датчика, определяемая коэффициентом Зеебека;
Т_о - температура окружающего воздуха, в котором расположены свободные концы термоэлектродов.

Измеряют температуру Т_о окружающего воздуха. Силу тока I выбирают из условия перегрева рабочего спая датчика на 5-10 К и допустимой плотности тока в термоэлектродах датчика.

Затем прерывают ток через спай (I = 0) и измеряют после указанного интервала установившееся значение термоЭДС
Е₂ = S(Т₁ - Т_о) . (4)
Далее пропускают через спай тот же ток I, но в противоположном направлении. В результате охлаждения спая термоэлектродов датчика его термоЭДС принимает значение
E₃= ST₁+ -T (5)
Измеряют после указанного временного интервала установившееся значение термоЭДС Е₃.

После проведения измерений термоЭДС определяют разность термоЭДС нагретого и охлажденного спая датчика
E₁-E₃= 2S. (6)
Вычисляют относительную разность термоЭДС (6) с учетом значения ЭДС Е₂ из выражения (4)
= (7)
Из равенства (7) определяют коэффициент теплообмена спая термоэлектрического датчика с исследуемым материалом или средой
α = [Вт/м²·К] (8)
По измеренным значениям термоЭДС Е₁, Е₂, Е₃, силе тока I, пропускаемого через спай, и температурам Т₁ и Т_о вычисляют коэффициент теплообмена α. Как видно из расчетного выражения (8) полученное значение α не зависит от количества тепла Джоуля, поступающего в спай термоэлектродов датчика, и чувствительности S датчика, определяемой коэффициентом Зеебека термоэлектродов. Указанные преимущества позволяют опpеделять коэффициент теплообмена датчиков с полупроводниковыми электродами n- и р-типа, которые обладают более высокой чувствительностью при анализе состава и свойств различных материалов и сред.

В качестве примера реализации способа рассмотрим работу устройства, изображенного на чертеже.

Анализируемую смесь пропускают через измерительную камеру 1, где размещен термоэлектрический датчик 2. Свободные концы термоэлектродов 3 и 4 выведены из камеры и их температура определяется температурой Т_оокружающего воздуха. Рабочий спай 5 датчика находится при температуре исследуемой смеси Т₁. Температуры Т_о и Т₁ измеряются одним из известных способов (измерители температуры на чертеже не показаны).

Вначале двухполюсный переключатель 6 устанавливают в верхнее положение. Ток, вызывающий дополнительный нагрев спая 5, протекает от источника 7 напряжения, а сила тока I через спай измеряется миллиамперметром 8 и регулируется переменным резистором 9. После нагрева спая 5 переключатель 6 переводится в среднее положение и производится отсчет значения термоЭДС Е₁ подогретого спая 5 по милливольтметру 10. Затем через временной интервал, равный 4-5 значениям тепловой постоянной времени датчика 2, производится следующий отсчет термоЭДС Е₂, который соответствует ненагретому спаю 5, находящемуся при температуре Т₁.

После снятия отсчета двухполюсный переключатель 6 переводят в нижнее положение, при котором через спай 5 пpотекает тот же ток I, но в противоположном направлении. После охлаждения спая 5 до установившейся температуры, что достигается после временного интервала в 4-5 значений тепловой постоянной времени датчика 2, вновь переключатель 6 переводится в среднее положение и сразу же производится отсчет значения термоЭДС Е₃охлажденного спая по милливольтметру 10. По результатам измерений термоЭДС Е₁, Е₂, Е₃, силы тока I и значениям температур Т_о и Т₁ по формуле (8) вычисляется коэффициент теплообменаα, по которому определяют состав и свойства анализируемой смеси.

При экспериментальных исследованиях способа в качестве термоэлектрического датчика использовалась термопара типа ЗТХК с диаметром термоэлектродов 1,2 мм, которая помещалась в воздушную среду с относительной влажностью 80% . Для перегрева рабочего спая при Т_о = 293 К и Т₁ = 473 К (Е₂ = 6,51 мВ) на 7 К (Е₁ = 6,63 мВ) через его спай пропускался ток I = 0,8 А. Изменение направления тока на противоположное вызывало охлаждение рабочего спая на 6,2 К (Е₃ = 6,41 мВ). Рабочему спаю термопары придавалась шаровидная форма диаметром 2,5 мм, что создавало поверхность теплообмена с площадью ≈2,85˙10^-6 м². Вычисление по формуле (8) с учетом коэффициента Пельтье П = 0,0065 В позволило определить коэффициент теплообмена
α = = = 549,9 Вт/м² К
Изменение относительной влажности воздуха в измерительной камере от 40 до 98% обуславливало изменение коэффициента теплообмена от α_мин = 274,9 Вт/м²К до α_макс = 646,2 Вт/м²К . При этом значение коэффициента теплообмена не зависит от относительного уровня выделяемого или поглощенного тепла Пельтье в спае термопары и тепловых помех из-за выделяющегося тепла Джоуля в термоэлектродах.

Изобретение может быть использовано в измерительной технике для анализа материалов и сред с помощью электрически нагреваемых термоэлектрических датчиков, температура которых определяется изменением коэфициента теплообмена датчика от теплового контакта с анализируемым материалом или средой. Сущность изобретения: рабочий спай термоэлектрического датчика приводят в тепловой контакт с исследуемым материалом или средой, пропускают через него постоянный ток и нагревают до температуры выше температуры исследуемого материала или среды. Затем прерывают ток, протекающий через спай, и через временной интервал, равный 4 - 5 значениям тепловой постоянной времени датчика, измеряют термоэлектродвижущуюся силу на свободных концах терможлектрического датчика. Далее пропускают ток того же значения, но в противоположном направлении, и охлаждают рабочий спай до значения температуры ниже температуры исследуемого материала или среды. При этом измеряют значение термоэлектродвижущей силы на свободных концах через тот же временной интервал, а коэффициент теплообмена определяют по формуле α=2ПJE₂/[F(E₁-E₃)(T₁-T₀)] , где E₁, E_2, E₃ - значения термоэлектродвижущей силы соответственно после нагрева, без нагрева и после охлаждения спая термоэлектрического датчика; F - поверхность нагрева; П - коэффициент Пельтье, зависящий от материалов термоэлектродов; J - значение тока через спай термоэлектродов; T₁ - температура исследуемого материала или среды; T₀ - температура свободных концов термоэлектродов. Повышение точности достигается за счет исключения влияния тепла Джоуля и непостоянства коэффициента Зеебека термоэлектродов. 1 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООБМЕНА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ, заключающийся в том, что приводят рабочий спай термоэлектрического датчика в тепловой контакт с исследуемым материалом или средой, пропускают постоянный ток через спай и нагревают его до значения температуры выше температуры исследуемого материала или среды, измеряют значение термоэлектродвижущейся силы на свободных концах термоэлектрического датчика, измеряют температуру свободных концов и температуру исследуемого материала или среды, определяют коэффициент теплообмена спая датчика по математическому выражению, отличающийся тем, что прерывают ток через спай термоэлектрического датчика, измеряют термоэлектродвижущую силу на его свободных концах через временной интервал, равный 4 - 5 значениям тепловой постоянной времени датчика, пропускают ток того же значения, но в противоположном направлении через спай и охлаждают его до значения температуры ниже температуры исследуемого материала или среды, измеряют значение термоэлектродвижущей силы на свободных концах через тот же временной интервал, а коэффициент теплообмена α вычисляют по математическому выражению
α= ,
где E₁, E₂, E₃ - значения термоэлектродвижущей силы соответственно после нагрева, без нагрева и после охлаждения спая термоэлектрического датчика;
F - поверхность нагрева или охлаждения спая термоэлектродов;
П - коэффициент Пельтье, зависящий от материалов термоэлектродов;
I - значение тока через спай термоэлектродов;
T₁ - температура исследуемого материала или среды;
T₀ - температура свободных концов термоэлектродов.