ДАТЧИК ИНТЕГРАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА Российский патент 1997 года по МПК G01K17/02 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения или контроля теплового потока различных объектов во временном интервале (интегральных тепловых потоков).

Известны различные устройства для измерения тепловых потоков.

В частности, известен датчик потока, содержащий два чувствительных элемента, расположенных с двух сторон вспомогательной стенки [1] В этом устройстве чувствительные элементы выполнены в виде дифференциальной многоспайной термопары, одна из которых расположена с одной стороны вспомогательной стенки, а другая с другой ее стороны. При расположении такого датчика на изотермической поверхности исследуемого образца на гранях промежуточного слоя заданной толщины возникает разность температур, пропорциональная измеряемому тепловому потоку.

Ограничением устройства является сложность и недостоверность получаемых измерений, особенно при проведении их в длительном временном интервале.

Увеличение времени экспозиции, например, от нескольких месяцев до одного года или нескольких лет, является важным фактором, особенно в случае снятия карты тепловых потоков из недр Земли.

Известен датчик интегрального теплового потока, содержащий корпус, два электрода, установленных в нем, выполненных из одного и того же материала и электрически замкнутых между собой, электролит, расположенный между электродами в поверхностном контакте с ними и выполненный с ионной проводимостью по ионам материала электродов [2]
Этот датчик при расположении поверхностей электродов нормально тепловому потоку позволяет измерять посредством термопар температуры, необходимые для вычисления теплового потока через электролит, и перепад температур на электролите. Доклады Академии наук СССР, 1971, т.200, N 1, с.140-141.

Важной особенностью этого устройства является возможность определения интегрального теплового потока по измерениям изменения веса электродов до и после экспозиции и, таким образом, датчик позволяет наиболее просто контролировать (или измерять) интегральный тепловой поток косвенно в заданных промежутках времени, в частности для снятия тепловых потоков из недр Земли в регионах загрязнения почв радиоактивными элементами (например, вследствие аварии на АЭС или в регионах функционирования ядерных энергетических установок и крупномасштабных производств по переработке ядерного топлива).

Ограничением этого устройства является невозможность в некоторых случаях контролировать достоверность получаемых по весовым характеристикам, особенно при проведении длительных измерений через интервалы в месяц и годы. Это связано с тем, что получаемые данные зависят от чистоты и однородности материала электродов, качества электролита, совершенства его кулонометрических характеристик. Кроме того, в случае размещения датчика на некоторой глубине от поверхности земли, например для снятия характеристик тепловых потоков из недр, поверхности электродов датчика могут смещаться от нормали теплового потока вследствие различных воздействий грунтовых вод, смещения грунтов от внешних факторов и т.д.

Задача, решаемая изобретением, повышение надежности и достоверности.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, повышение точности измерений.

Поставленная задача решается тем, что в известный датчик интегрального теплового потока, содержащий корпус, два электрода, установленных в нем, выполненных из одного и того же материала и электрически замкнутых между собой, электролит, расположенный между электродами в поверхностном контакте с ними и выполненный с ионной проводимостью по ионам материала электродов, согласно изобретению введен третий электрод, выполненный из того же материала, что и упомянутые два электрода, расположенный между ними и электрически замкнутый с ним.

Возможны типичные варианты выполнения устройств, в которых например, целесообразно, чтобы:
Возможны типичные варианты выполнения устройства, в которых например, целесообразно, чтобы:
электроды были выполнены из меди, а электролит из водно-спиртового раствора сульфат меди;
электроды были выполнены из серебра, а электролит из иодида серебра;
в третьем электроде было выполнено, по крайней мере, одно отверстие, сообщенное с его наружными поверхностями, или третий электрод был выполнен с меньшей поверхностью, чем поверхность каждого из двух электродов.

Указанные преимущества, полученные за счет введения третьего электрода, станут понятными при рассмотрении вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые рисунки.

Фиг. 1 изображает функциональную схему датчика; фиг.2 конструкцию датчика; фиг.3- то же, что фиг.2 во фторопластовом корпусе.

Датчик содержит (фиг.1, 2, 3) корпус 1, два электрода 2, 3, электролит 4. Введенный третий электрод 5 расположен между двумя электродами 2 и 3, при этом электролит 4 расположен между электродами 2, 3, 5 в поверхностном контакте с ними.

Электроды 2, 3, 5 могут быть выполнены в форме пластины, диска или какой-либо иной формы.

На фиг. 2 также показано уплотнение 6, в случае выполнения корпуса 1 металлическим предназначенное для его герметизации. Корпус 1 (фиг.3) может быть выполнен из материала, стойкого к воздействию окружающей среды, например из фторопласта.

Работа датчика (фиг.1) основана на термогальваническом эффекте электродвижущей силы E и ионном переносе вещества между электродами 2 и 3 гальванической ячейки типа Me (T₂)/Me⁺/Me(T₃), где T₂ температура первого электрода 2; T₃ температура второго электрода 3, а перепад температур ΔT T₂ T₃.

Электродвижущая сила E возникает если температуры T₂ и T₃ первого и второго электродов 2 и 3 поддерживаются различными, а электролит 4 обладает ионной проводимостью для ионов металла электродов. На зависимость переноса вещества от перепада температур t₂ и T₃ между электродами 2 и 3 в режиме короткого замыкания (см. указанный источник информации 3) не оказывает влияния расстояние между электродами 2 и 3, поэтому при введении третьего электрода 5, выполненного из того же материала, что электроды 2 и 3, его масса в процессе измерения не изменяется. Какая масса перенесена на него от электрода 2, такая же масса вещества передана им электроду 3. Таким образом третий электрод 5, расположенный между двумя электродами 2 и 3, выполняет функцию контрольного электрода.

Плотность тока короткого замыкания I (А/см²), темп переноса вещества между электродами 2 и 3 G (г/с•см²) и электродвижущая сила E (Вольт) связаны зависимостями:
E= ΔT•ΔS/zF
I= x•E/δ
G I•A/zF,
где DT перепад температур T₂ и T₃ (К) на электродах 2,3;
ΔS энтропия образования электролита 4 (Дж/моль К);
z-валентность иона;
F число Фарадея, 96478 (Кулон/моль);
x ионная проводимость электролита 4;
δ толщина слоя электролита 4 между электродами 2 и 3 (см)
d=δ₁+δ₂ (фиг.1)
А атомная масса материалов электродов 2, 3, 5.

Интегральный тепловой поток Q определяется:
Q=- П•λ•ΔT/δ
где П площадь поверхности электродов 2,3;
l теплопроводность электролита 4;
DT перепад температур T₂ и T₃;
δ толщина слоя электролита 4 между электродами 2 и 3.

Таким образом связь между темпом переноса вещества G и интегральным тепловым потоком Q (Вт/см²)имеет вид:

где B тарировочная постоянная, равна x•A•ΔS/λ•z•F².

Массоперенос не зависит от величины зазоров между электродами 2 и 5, 3 и 5, что существенно упрощает конструкцию. Поэтому, зная тарировочную постоянную B и изменение веса G электродов 2 и 3 за время экспозиции, легко определить величину интегрального теплового потока Q, прошедшего через поверхность датчика (через поверхности электродов 2, 3 и 5).

При изменении массы третьего электрода 5 и с превышением погрешности измерительной аппаратуры определения весовых характеристик (при идентичности материалов электродов 2, 3, 5 и высоком качестве кулонометрического электролита 4) измерение интегрального теплового потока можно считать неточным и не обладающим достоверностью. Кроме того, для анализа причины изменения массы третьего электрода 5 можно выполнить в нем одно или несколько отверстий 7 (фиг. 1), обеспечивающих контролируемое локальное возмущение ионного тока или можно выполнить третий электрод 5, не полностью перекрывающим своей поверхностью в направлении теплового потока по нормали поверхности электродов 2 и 3 (на фиг.1 это показано штрихпунктирной линией). Таким образом, можно провести оценку погрешностей по изменению весовых характеристик третьего электрода 5.

В зависимости от измеряемого диапазона величин интегрального теплового потока электроды 2, 3, 5 могут быть выполнены из различных материалов, а в качестве кулонометрического электролита 4 могут быть использованы жидкие и твердые электролиты, химически не взаимодействующие с материалом электродов 2, 3, 5. В частности, для электродов 2, 3, 5 из меди и серебра могут быть выбраны в качестве электролита 4 водные растворы их сульфатов (жидкие электролиты) или, например, для электродов 2, 3, 5 из серебра в качестве электролита 4 может быть выбран иодид серебра (твердый электролит).

Работает датчик интегрального теплового потока следующим образом.

Все электроды 2, 3, 5 выполняют из одного и того же химически чистого материала, а электролит 4 подбирается по абсолютной температуре среды в области предполагаемого измерения и по его кулонометрическим качествам.

Датчик устанавливается так, что чтобы протяженные поверхности электродов 2, 3, 5 располагались по нормали к тепловому потоку, а все электроды 2, 3 и 5 и электролит 4 предварительно взвешиваются. После проведения измерений за необходимое время экспозиции по разнице веса электродов 2 и 3 определяют в соответствии с приведенной выше зависимостью величину интегрального теплового потока. При сохранении веса электрода 5 после проведения временной экспозиции измерение считают достоверным, а при изменении веса электрода 5 определяют с заранее заданной точностью погрешность измерения и проводят анализ причин изменения веса электрода 5 (например, идентичность материалов электродов или отклонение теплового потока от нормали). При выполнении в третьем электроде 5 отверстий или при выборе его поверхности меньшей, чем поверхности взаимодействия электродов 2 и 3, появляется возможность дополнительного контроля причин изменения веса электрода 5 и проведение тройного контроля достоверности проведенных измерений.

Датчик интегрального теплового потока позволяет с точностью 0,5 1% измерять тепловые потери теплосетей, зданий, теплопроводов, тепловых машин, отопительных систем, контролировать парниковый эффект. Для ранней диагностики воспалительных процессов устройством можно контролировать тепловые потоки любых зон человеческого тела.

В зависимости от условий и диапазона измерений могут быть использованы датчики различного типа, например, Cu/CuSO₄/Cu.

Использование электролитов 4 в виде водных или спиртовых растворов солей, например, Cu/CuSO₄ + H₂O/Cu отвечает рабочей области температур 30^oC + 100^oC. Для других областей температур, например, 150 - 500^oC, может быть применен датчик Ag/AgI/Ag либо любой другой, использующий электролит 4 с ионной проводимостью в заранее заданном интервале температур. Толщина электродов 2, 3, 5 может быть выбрана порядка 5 100 мкм, а их площадь порядка 1 см² в зависимости от требуемой точности.

Особые преимущества по экономичности и простоте используемого оборудования имеет заявленное устройство для снятия карт наземных и подводных тепловых потоков в зонах экологического контроля выбросов теплостанций или в регионах загрязнения почв радиоактивными элементами, например, в результате аварий на АЭС.

В этом случае корпуса 1 датчиков могут быть промаркированы данными о порядковых номерах, датах изготовления, о весе электродов. Датчики устанавливаются в соответствии с исследуемой картой местности на некоторой глубине от поверхности земли, чтобы уменьшить влияние на измерения погодных и сезонных колебаний температуры или внешних механических воздействий в результате сельскохозяйственной обработки почвы и т.п.

При необходимости измерения теплового потока ≈10^-6Вт/см² за 6 месяцев экспозиции может быть выбран датчик Ag/AgNO₃/Ag. Массоперенос серебра за этот период может составлять величину ≈0,762•10^-3 г/см², поэтому электроды 2, 3, 5 целесообразно выполнять из серебренной фольги толщиной порядка 10^-2см.

Взвесив электроды 2, 3, 5 после проведения измерения, можно с высокой точностью определить интегральные тепловые потоки в различных точках на местности. Чем большее количество датчиков использовано, тем выше достоверность полученных результатов.

Зная карту интегральных тепловых потоков из недр земли, количество дезактивирующих веществ можно вносить в зависимости от интенсивности тепловых потоков и, таким образом, значительно сократить общее количество затрачиваемых дезактивирующих веществ и времени на проведение дезактивации.

Наиболее успешно датчик интегрального теплового потока можно использовать для проведения измерений тепловых потерь различных объектов, а также для контроля и измерения тепловых потоков от различных источников, например, определения тепловых потоков из недр земли для разведки нефтеносных зон, прогнозирования землетрясений, дезактивации почв.

Использование: в измерительной технике для измерения и контроля потоков различных объектов. Сущность изобретения: датчик интегрального теплового потока содержит корпус, два электрода, установленных в нем, выполненных из одного и того же материала и электрически замкнутых между собой, электролит, расположенный между электродами в поверхностном контакте с ними и выполненный с ионной проводимостью по ионам материала электродов. Отличительной особенностью датчика является то, что в него введен третий электрод, выполненный из того же материала, что и упомянутые два электрода, расположенный между ними и электрически замкнутый с ними. Электроды могут быть выполнены из меди, а электролитом может быть водно-спиртовой раствор сульфата меди. Электроды могут быть выполнены из серебра, а электролит - из иодида серебра. В третьем электроде может быть выполнено по крайней мере одно отверстие, сообщенное с наружными поверхностями. Третий электрод может быть выполнен с меньшей поверхностью, чем поверхность каждого из двух электродов. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Датчик интегрального теплового потока, содержащий корпус, два электрода, установленные в нем, выполненные из одного и того же материала и электрически замкнутые между собой, электролит, расположенный между электродами в поверхностном контакте с ними и выполненный с ионной проводимостью по ионам материала электродов, отличающийся тем, что введен третий электрод, выполненный из того же материала, что и упомянутые два электрода, расположенный между ними и электрически замкнутый с ними. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены из меди, а электролит из водно-спиртового раствора сульфата меди. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены из серебра, а электролит из иодида серебра. 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в третьем электроде выполнено по крайней мере одно отверстие, сообщенное с его наружными поверхностями. 5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что третий электрод выполнен с меньшей поверхностью, чем поверхность каждого из двух электродов.