ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ АДАПТЕР И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ ТАКОЙ АДАПТЕР Российский патент 2020 года по МПК G01K1/14 G01K1/16 G01K17/20 G01N25/18 G01D11/30 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к измерениям теплового потока. В частности, изобретение относится к измерительным устройствам, подходящим для измерения теплового потока через объекты, такие как элементы конструкций. Изобретение также относится к вспомогательным приспособлениям, применяемым с такими устройствами и измерениями, и к способу измерения теплового потока.

Уровень техники

Определение теплового потока через элемент конструкции, такой как стена, потолок или пол имеет важное значение в строительной отрасли. Величину теплового потока обычно описывают полным коэффициентом теплопередачи, или так называемым общим коэффициентом теплопроводности U. В дополнение к теоретическим расчетам часто необходимо иметь возможность измерения фактической скорости теплового потока от существующих реальных конструкций.

В патентном документе WO 2013/153251 раскрыт один способ и устройство для определения теплового потока посредством измерений. В данном способе по меньшей мере два датчика температуры помещены вплотную к поверхности исследуемой конструкции. Первый датчик температуры является теплоизолированным от второго датчика температуры таким образом, чтобы тепловой поток влиял на температуру конструкции в большей степени, чем на температуру, измеряемую вторым датчиком температуры. Определяют разность температур между первым и вторым датчиками температуры. После этого, путем подачи тепла к первому датчику температуры или путем рассеивания тепла от него и, основываясь на количестве поданного или рассеянного тепла, можно определить тепловой поток через конструкцию.

Другие методы измерения тепловых потоков раскрыты в патентных документах DE 27 24 846, JPH 05332851 и CN 2476020Y.

Поверхности реальных существующих конструкций часто бывают неровными, в результате чего тепловой контакт между измерительным устройством и поверхностью является неоптимальным. Это делает точные измерения температуры труднодостижимыми и вызывает погрешности измерений. Таким образом, существует необходимость в усовершенствованиях технологии измерений теплового потока.

Раскрытие сущности изобретения

Целью настоящего изобретения является обеспечение решения для повышения точности измерений теплового потока на реальных поверхностях и, в частности, шероховатых поверхностях.

Конкретной целью является обеспечение решения, которое можно легко применить с существующими измерительными устройствами для измерения теплового потока для повышения их надежности при использовании для измерения поверхностей элементов реальной конструкции, имеющих изменяющиеся структуры поверхности.

Одна из целей состоит в обеспечении нового измерительного устройства, пригодного для такого использования, и нового способа измерения.

Изобретение основано на идее обеспечения, предпочтительно в виде адаптера, устанавливаемого на измерительном устройстве для измерения теплового потока, прибора, уменьшающего тепловой поток между зоной измерения устройства для измерения теплового потока и его окружающей средой. Это достигается за счет обеспечения обода, располагаемого вокруг измерительной головки измерительного устройства для измерения теплового потока, при этом обод выполняют, по меньшей мере частично, из упругого, например, эластичного и, предпочтительно, теплоизолирующего материала, способного адаптироваться к форме неровных поверхностей для тепловой изоляции измерительной головки от окружающей среды.

Таким образом, в одном аспекте изобретение обеспечивает измерительное устройство, содержащее измерительную головку, имеющую первый датчик температуры для измерения температуры поверхности и нагревательный элемент, подающий тепло к измеряемой поверхности. Кроме того, обеспечен адаптер, размещенный по существу вокруг измерительной головки для подгонки, благодаря эластичности обода, измерительной головки вплотную к измеряемой поверхности. Таким образом, адаптер герметично изолирует зону измерения, образованную измерительной головкой, ободом адаптера и поверхностью.

Наконец, изобретение обеспечивает новый способ для измерения теплового потока через поверхность, включающий в себя следующие шаги:

- обеспечивают устройство для измерения, раскрытое в настоящей заявке,

- располагают измерительную головку вплотную к поверхности,

- прижимают измерительную головку к поверхности таким образом, чтобы адаптер был, по меньшей мере частично, сжат и деформирован для увеличения тепловой изоляции, в частности в боковом направлении, измерительной головки от окружающей среды за пределами обода, подводят тепло к измеряемой поверхности с помощью нагревательного элемента,

- считывают значения температуры поверхности с помощью первого датчика температуры и, опционально, второго датчика температуры, и,

- определяют тепловой поток с помощью значений температуры внутри и вне помещения и подаваемого тепла в установившемся состоянии. В типичной конфигурации температуру внутри помещения и мощность нагрева определяют данным прибором, тогда как температуру вне помещения можно обеспечить с помощью внешних средств.

Более конкретно, настоящий адаптер отличается тем, что изложено в отличительной части п. 1.

Устройство и способ измерения в соответствии с настоящим изобретением отличаются тем, что изложено в отличительных частях пп. 13 и 16 соответственно.

Данное изобретение обеспечивает значительные преимущества. Упругий обод адаптирует измерительную головку измерительного устройства так, чтобы она плотно прилегала к измеряемой поверхности конструкции, в результате чего зона измерения является теплоизолированной от воздушного пространства за ее пределами. Иными словами, воздушный слой между измерительной головкой устройства и поверхностью остается на месте.

Адаптер, большей частью открытый спереди измерительной головки, очень легкий и лишь незначительно увеличивает общую теплоемкость измерительного оборудования. Таким образом, погрешности измерения, вызванные самим оборудованием, минимизируются.

Особые преимущества достигаются на шероховатых или выпуклых поверхностях, таких как оштукатуренные поверхности, бетонные поверхности, кирпичные поверхности, поверхности из натуральной древесины и декорированные внутренние поверхности, в качестве нескольких примеров. В связи с этим любое тепло, подведенное к зоне измерения, как правило, с помощью теплового элемента измерительного устройства, определяется с большей точностью. Это делает измерения более точными благодаря отсутствию конвекции или по меньшей мере пониженной конвекции воздуха, протекающего из/в воздушное пространство в пределах измерительной головки. По вышеназванным причинам настоящее изобретение хорошо подходит для измерения существующих конструктивных элементов, в частности, стен, полов и потолков зданий и различных позиций и частей, находящихся в них.

Зависимые пункты формулы изобретения ориентированы на выбранные варианты осуществления изобретения.

В некоторых вариантах осуществления обод содержит манжету, выполненную из первого материала, и уплотнение, выполненное из второго, упругого материала. Уплотнение, которое может быть выполнено из вспененного материала, обеспечивает плотную подгонку обода к поверхности, вследствие чего манжета сохраняет форму обода и позиционирует адаптер относительно измерительного устройства. Первый материал может быть упругим или неупругим при условии, что уплотнение проходит по передней стороне манжеты так, чтобы оно могло быть плотно прижато к поверхности. Как правило, манжету выполняют из самоподдерживающегося материала, который сохраняет форму адаптера до, во время и после сжатия.

В некоторых вариантах осуществления обод содержит первую тепловую контактную площадку, расположенную внутри обода и поддерживаемую ободом с помощью одного или более первых опорных элементов, в частности, удлиненных опорных элементов, расположенных между ободом и площадкой. Тепловая контактная площадка может быть выровнена относительно датчика температуры измерительного устройства так, чтобы достигать не только улучшенной тепловой изоляции, но также хорошего теплового контакта между датчиком и поверхностью, когда устройство прижато к поверхности.

В некоторых вариантах осуществления адаптер содержит вторую тепловую контактную площадку, расположенную снаружи обода и поддерживаемую ободом с помощью одного или более вторых опорных элементов. Вторая контактная площадка может быть выровнена относительно второго датчика температуры, эталонного датчика измерительного устройства для измерения теплового потока так, чтобы она также находилась в хорошем контакте с поверхностью. Настоящее изобретение хорошо подходит для поверхностей с неровностью по меньшей мере 1 мм, как правило, 1-5 мм, например, 1-2,5 мм в направлении, перпендикулярном плоскости поверхности, например, поверхностей, имеющих наибольшую высоту неровностей 1-2,5 мм и наименьшее расстояние от максимума до максимума 1-5 мм. Такая шероховатость типична, например, на оштукатуренных поверхностях, бетонных поверхностях, кирпичных поверхностях, поверхностях из натуральной древесины и декорированных внутренних поверхностях.

Адаптер может быть либо смонтирован на заводе, либо выполнен с возможностью отдельного монтажа (заменяемый) на измерительном устройстве.

Эти и другие варианты осуществления и их преимущества раскрыты подробнее со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1А и 1В показан адаптер в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения в плоскостях, параллельной и перпендикулярной к измеряемой поверхности соответственно.

На Фиг. 2А и 2В показан адаптер в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения в плоскостях, параллельной и перпендикулярной к измеряемой поверхности соответственно.

На Фиг. 3 изображен пример крепления тепловой контактной площадки к адаптеру.

На Фиг. 4А и 4В изображены виды сбоку и сверху (если смотреть со стороны измеряемой поверхности) соответственно измерительного устройства в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.

На Фиг. 5 показано измерительное устройство для измерения теплового потока, оборудованное адаптером в соответствии с некоторыми аспектами изобретения, расположенным вблизи конструкции.

Осуществление изобретения

Термин «передний» (например, передняя поверхность или передняя сторона) относится к направлению измерительного устройства, обращенному к измеряемой поверхности. Термин «боковой» относится к направлениям в плоскости, параллельным указанной поверхности.

Термин «измерительная головка» относится к части измерительного устройства, содержащей необходимые средства, в частности, датчик температуры и нагревательный элемент, для подачи тепла к измеряемой поверхности с целью проведения измерения теплового потока. «Зона измерения» остается под измерительной головкой при расположении вплотную к подлежащей измерению конструкции.

Термин «упругий материал» охватывает материалы, которые локально деформируются при сжатии и снова принимают первоначальную форму после окончания сжатия. В частности, термин охватывает материалы, определяемые как эластичные, такие как эластичные полимерные материалы.

«Уплотнение» в данном контексте по существу означает улучшение воздухонепроницаемости.

На Фиг. 1А и 1В изображен адаптер 10А, содержащий обод 12 и первую тепловую контактную площадку 16А, расположенную внутри обода 12. В данном примере обод 12 имеет квадратную форму, но он может иметь любую другую форму, например, прямоугольную, круговую, эллиптическую или какую-либо неправильную форму, в зависимости от геометрии измерительной головки, с которой используется адаптер 10А. Независимо от формы, обод, как правило, образует замкнутый контур в плоскости поверхности, подлежащей измерению.

Обод 12 содержит манжету 12А, образующую внешний слой обода 12, и уплотнение 12В, которое помещают на внутренней поверхности манжеты 12А, обращенной к измерительной головке. Уплотнение 12В имеет форму, по существу аналогичную форме манжеты 12А. Манжете 12А придана такая форма, чтобы присоединять и позиционировать адаптер относительно измерительного устройства. Уплотнение 12В служит для обеспечения тепловой изоляции в боковом направлении при сжатии уплотнения. Согласно одному из вариантов осуществления обод 12 полностью выполнен из упругих материалов. Это способствует не только плотной подгонке обода 12 к подлежащей измерению поверхности конструктивного элемента, но и плотной подгонке обода 12 вокруг измерительной головки. Обод 12 может, например, быть частично подогнан вокруг корпуса измерительного устройства так, чтобы одна часть обода 12 проходила с передней стороны устройства в направлении поверхности. Альтернативно или в дополнение к этому, обод 12 может вставляться в канавку, расположенную вокруг измерительной головки на передней поверхности или боковых поверхностях устройства. Во всех конфигурациях обод охватывает зону измерения устройства, расположенную между измерительной головкой и поверхностью, подлежащей измерению.

Манжета 12А может быть выполнена из первого материала, а уплотнение 12В - из второго упругого материала, отличного от первого. Например, манжета 12А может быть выполнена из непористого материала, такого как полимер, тогда как уплотнение 12В может быть выполнено из пористого упругого материала, такого как вспененный полимер, в частности, пенопласт или пенорезина. В одном варианте осуществления манжета 12А выполнена из жесткого материала, вследствие чего только уплотнение 12В, расположенное в самой передней части обода, адаптируется к структуре поверхности.

Ободу 12 придана такая форма, чтобы по меньшей мере часть его, при вставке в измерительное устройство, проходила на передней стороне измерительной головки. Когда обод 12 прижимают к поверхности, он адаптируется к неровностям поверхности и закрывает зону измерения перед устройством. Как правило, передний край 13 обода 12, т.е. уплотнение 12В и, опционально, манжета 12А, если они выполнены из упругого материала, расположен в самой передней части так, что он первым касается поверхности, возможно, отдельно от опциональной тепловой контактной площадки или площадок, подробнее рассматриваемых ниже, которые могут также располагаться спереди, поскольку их также прижимают к поверхности.

В одном варианте осуществления манжета 12А проходит как на боковых, так и на передней стороне измерительного устройства 20 (показанного штрихпунктирной линией на Фиг. 1В), а уплотнение 12В полностью расположено на передней стороне измерительного устройства 20. При этом устройство эффективно прижимает уплотнение 12В к поверхности и образуется плотная поверхность раздела, тогда как манжета 12А удерживает уплотнение в правильном положении на измерительном устройстве 20.

Толщина уплотнения в направлении, нормальном к поверхности, может составлять, например, 3-10 мм, что, при использовании вспененного материала, обеспечивает возможность по существу плотного прижатия к поверхностям при наличии разностей высот неровностей от 1,5 до 5 мм соответственно. В типичной конфигурации уплотнение имеет толщину от 3,5 до 7 мм, например, 5 мм, что достаточно для большинства конструкций.

В одном варианте осуществления адаптер содержит первую тепловую контактную площадку, расположенную внутри обода, при этом тепловая контактная площадка действует в качестве теплопроводящей перемычки между конструкцией и датчиком температуры устройства. В данном примере первая тепловая контактная площадка 16А расположена симметрично в самом центре обода 12, хотя возможны и другие места расположения. Площадка 16А поддерживается ободом 12, в частности, его манжетой 12А, с помощью множества опорных элементов 15A-D. В данном случае элементы 15A-D соединены с ободом 12 на углах обода 12, но возможны также и другие конфигурации. Количество элементов также может быть различным. По меньшей мере два, в частности, по меньшей мере четыре элемента обеспечивают возможность реализации прочной опорной конструкции, сохраняя при этом общий низкий вес опорного материала. За исключением опорных элементов 15A-D и контактной площадки 16А, адаптер остается открытым в зоне измерения, образуемой ободом 12. Это является предпочтительным, поскольку весь лишний материал в зоне измерения увеличивает теплоемкость измерительного оборудования и может изменять тепловой баланс измеряемого участка и, тем самым, вызывать погрешности измерения.

Для сохранения малой теплоемкости адаптера, опорные элементы 15A-D предпочтительно имеют тонкую удлиненную форму, а это означает, что соотношение между их длиной и наибольшим поперечным размером составляет по меньшей мере 10:1. Их наибольший поперечный размер, как правило, меньше чем 2 мм.

Согласно одному из вариантов осуществления общий вес одного или более опорных элементов 15A-D и площадки 16А меньше, чем 5 г, в частности, меньше чем 2 г, например, 0,2-1,5 г.

Согласно одному из вариантов осуществления один или более опорных элементов 15A-D и площадка 16А вместе образуют легкую конструкцию внутри рамы, а это означает, что они составляют менее 25% общего веса адаптера, что может соответствовать, например, 3-30 г, в частности, 4-20 г. Первая тепловая контактная площадка 16А может содержать пластину, составляющую одно целое с одним или более опорных элементов 15A-D, опционально также одно целое с манжетой 12А обода 12. Пластина может иметь отверстие для отдельной тепловой перемычки (мостика).

Для улучшения теплопроводности тепловой контактной площадки 16А и, тем самым, тепловой связи датчика температуры измерительного устройства и подлежащей измерению поверхности, может предусматриваться контактная перемычка 18А, выполненная из материала с более высокой теплопроводностью, чем у остальной части площадки 16А и/или опорных элементов 15A-D. В одном примере общий вес адаптера равен 3-100 г, в частности, 3-10 г, из которых уплотнение 12В из вспененного материала составляет 0,2-2 г, первые Х-образные опорные элементы 15A-D и их центральная пластина составляют 0,2-2 г, а тепловая контактная перемычка 18А составляет 0,05-0,5 г. При этом обеспечивается достаточно низкая теплопроводность термокритических частей адаптера для очень точных измерений теплового потока.

Как показано на Фиг. 2А и 2В, согласно одному варианту осуществления адаптер содержит вторую тепловую контактную площадку 16В, расположенную снаружи обода 12 и поддерживаемую ободом 12 с помощью одного или более вторых опорных элементов 17А-17В. Вторая площадка 16 В служит для сопряжения с поверхностью второго датчика температуры, т.е. эталонного датчика температуры, расположенного снаружи основной зоны измерения.

Как и в случае с первой тепловой контактной площадкой 16А и ее опорными элементами 15A-15D, вторая тепловая контактная площадка 16В и ее опорные элементы 17А-17В могут представлять собой единое целое, т.е. составлять единый компонент с по меньшей мере частью обода, т.е. его манжетой 12А. В этом случае они, как правило, выполнены из эластичного материала. Альтернативно, вторая тепловая контактная площадка 16В и ее опорные элементы 17А-17В могут составлять отдельную деталь, прикрепленную к ободу и/или измерительному устройству.

Альтернативно, одна или обе площадки 16А, 16В и их опорные элементы 15A-15D, 17А-17В могут быть предусмотрены в качестве отдельной конструкции, установленной на ободе 12. Например, они могут быть выполнены из неэластичного материала, в частности вырезанного из листа полимера, такого как полилактид (ПЛА). В одном варианте осуществления первая тепловая контактная площадка и ее опорные элементы 15A-15D предусмотрены в форме Х-образной планарной структуры. В точке пересечения элементов 15A-15D предпочтительно имеется зона, такая как круговая зона, с отверстием для установки контактной перемычки 18А таким образом, чтобы в ней образовалась тепловая перемычка.

Также вторая тепловая контактная площадка 16В может быть предусмотрена с контактной перемычкой 18В для улучшения теплового контакта с поверхностью.

Контактные площадки или, если используются, их контактные перемычки 18А, 18В, предпочтительно выполняют из упругого тепло про водящего материала, такого как эластичный полимер, чтобы максимально увеличить тепловую связь.

Теплопроводность первой контактной площадки 16А и, опционально, второй контактной площадки 16В, можно улучшить, например, путем использования эластичного материала, содержащего подмешанную к нему добавку, такую как оксид металла, которая увеличивает теплопроводность материала, в контактных перемычках 18А, 18В.

Одновременное сжатие уплотнения 12В, опционально - манжеты 12А, и тепловых перемычек 18А, 18В обеспечивает хорошую тепловую изоляцию в боковом направлении и хороший тепловой контакт датчиков температуры устройства с поверхностью.

На Фиг. 3 изображен пример крепления контактной перемычки к контактной площадке 11. Площадка 11 содержит отверстие, а перемычка содержит две части 19А, 19В, которые расположены с разных сторон относительно отверстия и соединяются с образованием теплопроводящего центрального участка относительно площадки 11. По меньшей мере одна из частей 19А, 19В, предпочтительно обе, может содержать фланец, больший, чем отверстие, чтобы твердо удерживать перемычку на месте. Между частями 19А, 19В может использоваться теплопроводящий клей, или паста, или, например, полисилоксан (силикон для ванной).

Тепловая перемычка в соответствии с Фиг. 3 может быть изготовлена, например, с использованием 10-30%, например 20% (по объему), Al₂O₃, смешанного с 70-90%, например 80%, силикона для ванной, и отлита по отдельности в формах, таких как формы, созданные по технологии объемной печати. Части могут быть приклеены с помощью силикона к тепловым контактным площадкам адаптера. В одном варианте осуществления адаптер является полностью полимерным, за исключением оксида металла, применяемого в перемычке (перемычках).

В одном варианте осуществления адаптер, за исключением возможных тепловых контактных перемычек, состоит из двух цельных тел, собранных вместе: первого эластичного тела, такого как эластичное невспененное полимерное тело, образующее манжету 12А, и, опционально, опорные элементы 15A-15D, 17А-17В для тепловых контактных площадок 16А, 16В; и второго эластичного тела, такого как вспененное полимерное тело, образующее уплотнение 12В. Тепловые контактные перемычки 18А, 18В могут образовывать отдельные тела третьего материала, добавляемые к тепловым контактным площадкам 16А, 16В.

На Фиг. 4А и 4В показан пример измерительного устройства 20, оснащенного адаптером 10, как описано выше, расположенным вблизи конструкции, в данном документе, вблизи стены 30. Устройство содержит первый датчик 22А температуры, введенный в контакт с первой тепловой контактной площадкой адаптера 10, и второй датчик 22В температуры, введенный в контакт со второй тепловой контактной площадкой адаптера 10. Внутри адаптера 10 остается также нагревательный элемент 24 устройства 20. Зона 28 измерения, т.е. основной участок стены 30, с которым устройство термически взаимодействует, таким образом, ограничена ободом адаптера 10.

В одном варианте осуществления измерительное устройство 20 содержит две печатные платы, первая из которых (не показана) содержит по существу электронные схемы управления, переключатели и дисплей. Вторая печатная плата (не показана) содержит первый датчик 22А температуры посредине и другой датчик 22В температуры, прикрепленный к печатной плате. На передней поверхности второй печатной платы, установленной на зоне измерения, также имеется нагревательный элемент 24. Изоляционный материал 26 находится между печатными платами с целью изоляции положения измеряемого конструктивного элемента от тепла, исходящего из электроники верхней печатной платы, и тепла, передаваемого из окружающей среды.

На Фиг. 4В представлен передний вид (если смотреть со стороны элемента 30 конструкции) устройства 20, показывающий структуру, состоящую из боковой консоли 21 для эталонного датчика 22В температуры, определяющего температуру в установившемся состоянии вблизи от прибора, другого датчика 22А температуры в центре основного корпуса устройства 20, измеряющего общую температуру прибора и конструктивного элемента под прибором, и нагревательного элемента 24, обращенного к измеряемому конструктивному элементу. Тепловые контактные площадки и их соответствующие опорные элементы не показаны на Фиг. 4В.

На Фиг. 5 показано измерительное устройство, оснащенное адаптером 100 данного вида, помещенным вплотную к шероховатому элементу 30 конструкции так, чтобы передний край 102 адаптера 100 адаптировался к неровностям элемента 30 для предотвращения воздушного потока в/из зоны измерения. Первая тепловая контактная площадка обозначена позицией под номером 118А, а вторая - позицией под номером 118В. Их опорные структуры соответственно обозначены позициями 115 и 117.

Обод адаптера 100 устанавливает в среднее положение тепловые контактные площадки 118А, 118В. Уплотнение 112В на краях адаптера сжимается в соответствии с топологией поверхности и расстоянием, определяемым тепловыми контактными площадками. Опорные структуры 115, 117 тепловых контактных площадок 118А, 118В тоньше, чем тепловые контактные площадки 118А, 118В, и, таким образом, необязательно касаются корпуса устройства или элемента 30 конструкции.

Далее подробно раскрыты пример измерительного устройства и принцип измерения теплового потока. Для получения еще более подробной информации обратимся к патентному документу WO 2013/153251.

Цель измерения заключается в определении величины теплового потока J через конструкцию 30. Конструкция, которая может состоять из, вместо показанной на рисунке вертикальной стены, также горизонтальной или наклонной поверхности, например, потолка или пола в здании, или отдельного, например, единственного элемента плиты или стены, потолка или пола, содержит первую поверхность, находящуюся в контакте с воздухом внутри, и вторую поверхность, находящуюся в контакте с наружным воздухом. Т1 представляет собой нормальную температуру поверхности стены, а Т2 - температуру наружного воздуха.

В одном варианте осуществления устройство содержит корпус, имеющий переднюю сторону, которая является по меньшей мере по существу плоской и выполнена с возможностью размещения по направлению к поверхности конструкции.

Первый датчик 122А температуры расположен внутри корпуса таким образом, что по существу покрыт изолирующим слоем. Имеется также нагревательный элемент 24, расположенный снаружи, внутри или в пределах корпуса таким образом, что нагревательный элемент 24 также по существу покрыт изолирующим слоем 26. Второй датчик 122В температуры расположен на расстоянии от первого датчика 122А температуры и от изолирующего слоя 26. При такой конфигурации тепловой поток через конструкцию 30 сильнее влияет на температуру поверхности конструкции 30, измеряемую первым датчиком 122А температуры, чем на температуру поверхности конструкции 30 в месте расположения второго датчика 122В температуры. Первый датчик 122А температуры, расположенный под изолятором 26, вместе с нагревательным элементом 24 будут изолированы от воздуха в помещении и, в случае холодного внешнего воздуха, станут холоднее по сравнению с эталонным датчиком 122В температуры, расположенным на боковой стороне прибора на конструкции 30.

Корпус измерительного устройства и, следовательно, обод адаптера 100 могут быть по существу квадратными, прямоугольными или круглыми в поперечном сечении в боковом направлении.

Устройство прижимают к поверхности конструкции 30, такой как стена, пока уплотнение 112 В не сожмется таким образом, что будет плотно прилегать к поверхности, а тепловые контактные зоны 118А, 118В - находиться в плотном контакте с обоими датчиками 122А, 122В температуры соответственно и поверхностью. Нагревательный элемент 24 также приближается к конструкции 30.

Благодаря эластичному уплотнению 112В адаптера 100, чей передний край 102 соприкасается с шероховатой поверхностью и соответственно адаптируется к ее форме после прижатия к поверхности, устройство удобно располагается вплотную к поверхности.

Соответствующий участок измерительной головки, в частности, нагревательный элемент 24, составляет приблизительно 10-1000 см², предпочтительно приблизительно 20-500 см², как правило, приблизительно 30-250 см². Согласно одному из вариантов осуществления площадь измерительной головки составляет приблизительно 100 см²±20%.

Адаптер 100 соответственно имеет несколько большую занимаемую площадь, как правило, больше на 1-30%, в частности, больше на 1-20%, чем внешняя занимаемая площадь нагревательного элемента 24. Таким образом, нагревательный элемент 24 остается внутри обода адаптера 100.

Первый датчик 122А расположен с внутренней стороны измерительной головки, а второй датчик 122В прикреплен к корпусу с помощью подходящего удлинительного элемента, проходящего в боковом направлении. Как правило, расстояние между датчиками составляет приблизительно 10-150 мм, предпочтительно приблизительно 15-100 мм. Второй датчик может быть подпружиненным, чтобы быть прижатым к поверхности в тот же момент времени, когда к ней будет прижат корпус устройства.

Предпочтительно нагревательный элемент 24 содержит структуру из терморезистивной проволоки, которая покрывает существенную часть, например 80-100%, размеров измерительной головки в боковом направлении.

Между первой поверхностью и второй поверхностью имеет место разность температур, когда температура наружного воздуха (на холодной стороне) и температура внутреннего воздуха (на теплой стороне) отличаются друг от друга. Таким образом, температура Т1 на первой поверхности отличается от температуры Т2 на второй поверхности; в данном случае Т1 > Т2. Вследствие этого разность температур разных участков конструкции возрастает.

Следует отметить, что измерять температуру Т2 необязательно, вместо этого процесс измерения, описанный ниже, сфокусирован на температуре Т1 поверхности с внутренней стороны конструкции. Однако при вычислении общего коэффициента теплопроводности U требуются также данные о температуре теплой стороны (не путать с температурой поверхности внутренней стены) и наружного воздуха.

Измерение выполняют таким образом, чтобы по меньшей мере два датчика 122А и 122В температуры были сначала прикреплены к первой поверхности, и по меньшей мере один из датчиков 122А температуры был теплоизолирован от второго датчика 122В температуры таким образом, чтобы тепловой поток через конструкцию 30 сильнее влиял на температуру Т1', измеряемую теплоизолированным датчиком 122А, чем на температуру Т1'', измеряемую вторым датчиком 122В температуры.

Температура Т'' должна в идеальном случае быть полностью независимой от теплового потока через конструкцию 30. Датчик 122В должен поэтому измерять только температуру поверхности внутренней стены, которая должна в установившемся состоянии быть постоянной, поскольку тепловой поток из помещения к поверхности внутренней стены равен тепловому потоку от поверхности внутренней стены к поверхности внешней стены.

После прикрепления устройства к поверхности стены начинается измерение. Определяют разность температур Т1''-Т1' между датчиком 122В и теплоизолированным датчиком 122А.

Температура Т1' начинает снижаться, если температура с внешней стороны ниже, чем с внутренней, или возрастать, если температура с внешней стороны выше, чем с внутренней, тогда как температура Т1'' остается более или менее неизменной. Из этого следует, что абсолютная величина разности температур Т1''-Т1' изменяется (т.е. становится отличной от 0).

После этого включают нагревательный элемент для нагрева стены, к которой прикреплен датчик 122А температуры. Нагревательный элемент подает тепло до тех пор, пока не будет достигнута температура, равная эталонной, т.е. до момента, когда разность температур станет максимально близкой к нулю. Предполагается, что при достижении устойчивого состояния вся подаваемая мощность выводится через стену. Таким образом, можно определить общий коэффициент теплопроводности U стены, учитывая входную мощность, площадь поверхности (м²), покрываемую прибором, т.е. изоляцией, и разность температур между горячей стороной (внутренний воздух) и холодной стороной (наружный воздух).

Исходя из вышеизложенного, в одном варианте осуществления адаптер содержит первую тепловую контактную площадку, расположенную внутри обода и поддерживаемую ободом с помощью одного или более первых опорных элементов, и/или первая тепловая контактная площадка закреплена внутри обода двумя или более, например, четырьмя первыми опорными элементами. В устройстве, содержащем адаптер этого типа, первая тепловая контактная площадка, как правило, выровнена относительно первого датчика температуры так, чтобы первый датчик температуры находился в тепловом контакте с измеряемой поверхностью через первую тепловую контактную площадку, когда измерительная головка прижата к поверхности, а обод адаптера сжат и, вследствие этого, создает воздухонепроницаемое пространство.

В одном варианте осуществления адаптер содержит вторую тепловую контактную площадку, расположенную снаружи обода и поддерживаемую ободом с помощью одного или более вторых опорных элементов. В устройстве, имеющем измерительное устройство со вторым датчиком температуры, расположенным снаружи измерительной головки и содержащем адаптер вышеописанного типа, вторая тепловая контактная площадка, как правило, выровнена относительно второго датчика температуры так, чтобы второй датчик температуры находился в тепловом контакте с измеряемой поверхностью через вторую тепловую контактную площадку, когда измерительная головка прижата к поверхности, а адаптер сжат.

Выше подробно раскрыты только некоторые примеры реализации устройства и способов измерения. Настоящий адаптер может использоваться для повышения точности измерения многих видов устройств и способов измерения.

Список ссылочных обозначений

10А, 10В, 100 Адаптер

11 Опорный элемент

12 Обод

12А Манжета

12В Уплотнение

13, 102 Передний край адаптера

15A-D, 115 Первый опорный элемент

16А Первая тепловая контактная площадка

18А, 118А Первая тепловая контактная перемычка

20 Измерительная головка

17, 17А-В, 117 Второй опорный элемент

16В Вторая тепловая контактная площадка

18В, 118В Вторая тепловая контактная перемычка

19А-В Часть тепловой контактной перемычки

22А, 122А Первый датчик температуры

22В, 122В Второй датчик температуры

24 Нагревательный элемент

26 Изолятор

28 Зона измерения

30 Элемент конструкции

Т1 Первая температура

Т2 Вторая температура

Список патентной литературы

WO 2013/153251

DE 27 24 846

JPH 0533285

CN 2476020Y.

Настоящее изобретение относится к измерениям теплового потока. В частности, изобретение относится к поверхностному адаптеру (10А, 10В, 100) для устройства измерения теплового потока, содержащего такой адаптер (10А, 10В, 100), и способу измерения теплового потока. Адаптер содержит обод (12), располагаемый вокруг измерительной головки (20) устройства измерения теплового потока, при этом обод (12), по меньшей мере частично, выполнен из упругого материала, способного адаптировать свою форму к форме неровных поверхностей для тепловой изоляции измерительной головки (20) от окружающей среды. Технический результат – повышение точности измерения теплового потока. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Адаптер (10A, 10B, 100) для подгонки измерительной головки (20) устройства измерения теплового потока к поверхности, содержащий обод (12), располагаемый вокруг измерительной головки (20) устройства измерения теплового потока, отличающийся тем, что обод (12), по меньшей мере частично, выполнен из упругого материала, способного адаптировать свою форму к форме неровных поверхностей для тепловой изоляции измерительной головки (20) от окружающей среды, при этом адаптер дополнительно содержит первую тепловую контактную 10 площадку (16A), расположенную внутри обода (12) и поддерживаемую ободом с помощью одного или более первых опорных элементов (15A-D, 115), и/или вторую тепловую контактную площадку (16B), расположенную снаружи обода (12) и поддерживаемую ободом (12) с помощью одного или более вторых опорных элементов (17, 17A-B, 117).

2. Адаптер по п. 1, в котором обод (12) содержит:

- манжету (12A), выполненную из первого материала и имеющую внутреннюю поверхность, выполненную таким образом, чтобы она была обращена по существу к измерительной головке (20), и внешнюю поверхность, выполненную таким образом, 20 чтобы она была обращена по существу от измерительной головки (20), и уплотнение (12B), выполненное из второго упругого материала и расположенное, по меньшей мере частично, на внутренней поверхности манжеты (12A).

3. Адаптер по п. 2, в котором манжета (12A) выполнена из непористого жесткого или упругого материала, такого как пластик или силикон, причем

- уплотнение (12B) выполнено из пористого упругого материала, такого как пенопласт или пенорезина.

4. Адаптер по п. 2 или 3, в котором манжета (12A) по меньшей мере частично расположена на боковых сторонах уплотнения (12B) таким образом, чтобы она могла быть установлена, по меньшей мере частично, на боковых сторонах измерительной головки (20), причем уплотнение, по меньшей мере частично, предпочтительно полностью, расположено на передней стороне измерительной головки так, чтобы оно могло быть плотно прижато измерительной головкой к поверхности.

5. Адаптер по любому из предшествующих пунктов, в котором обод (12) образует замкнутый контур, имеющий ширину в боковом направлении, 5 составляющую 3 см или менее, в частности 2 см или менее.

6. Адаптер по любому из предшествующих пунктов, в котором первая тепловая контактная площадка (16A) закреплена внутри обода двумя или более, например четырьмя, первыми опорными элементами (15A-D, 115).

7. Адаптер по любому из предшествующих пунктов, в котором по меньшей мере один первый опорный элемент (15A-D, 115) и, опционально, первая контактная площадка (16A), и/или по меньшей мере один второй опорный элемент (17, 17A-B, 117) и, опционально, вторая контактная площадка (16B) образуют единый компонент с по меньшей мере частью обода (12).

8. Адаптер по любому из предшествующих пунктов, в котором первая контактная площадка (16A) и, опционально, вторая контактная площадка (16B) содержат тепловую перемычку (18A, 118A; 18B, 118B), прикрепленную к ним, при этом тепловая перемычка выполнена из материала, имеющего более высокую теплопроводность, чем материал, к которому она прикреплена.

9. Адаптер по п. 8, в котором тепловая перемычка (18A, 118A; 18B, 118B) выполнена из эластичного материала, содержащего подмешанную к нему добавку, такую как оксид металла, которая увеличивает теплопроводность материала.

10. Адаптер по любому из предшествующих пунктов, который открыт в зоне измерения, образуемой ободом (12), за исключением опорных элементов (15A-D) и контактной площадки (16A).

11. Измерительное устройство для измерения теплового потока через поверхность, содержащее:

- измерительную головку (20), имеющую первый датчик (22A, 122A) температуры для измерения температуры поверхности и теплопередающий элемент для передачи тепла к поверхности или от нее, отличающееся тем, что дополнительно содержит

- адаптер по любому из предшествующих пунктов, расположенный по существу вокруг измерительной головки (20) таким образом, что когда измерительная головка прижата к поверхности, обод (12) адаптера адаптируется к форме поверхности и герметично изолирует зону (28) измерения между измерительной головкой и поверхностью.

12. Устройство по п. 11, в котором адаптер содержит первую тепловую контактную площадку (16A), причем первая тепловая контактная площадка (16A) выровнена относительно первого датчика (22A, 122A) температуры так, чтобы первый датчик температуры находился в тепловом контакте с поверхностью, подлежащей измерению, через первую тепловую контактную площадку, когда измерительная головка (20) прижата к поверхности, а обод (12) адаптера (10A, 10B, 100) сжат и, вследствие этого, создает воздухонепроницаемое пространство.

13. Устройство по п. 11 или 12, в котором измерительное устройство содержит второй датчик (22B, 122B) температуры, расположенный снаружи измерительной головки (20), причем адаптер содержит вторую тепловую контактную площадку (16B), при этом вторая тепловая контактная площадка (16B) выровнена относительно второго датчика (22B, 122B) температуры так, чтобы второй датчик температуры находился в тепловом контакте с поверхностью, подлежащей измерению, через вторую тепловую контактную площадку (16B), когда измерительная головка (20) прижата к поверхности, а адаптер (10A, 10B, 100) сжат.

14. Способ измерения теплового потока через конструкцию, имеющую

поверхность с некоторой формой поверхности, в частности неровной формой поверхности, включающий в себя следующие шаги:

- обеспечивают измерительное устройство по любому из пп. 11-13,

- располагают измерительную головку (20) вплотную к поверхности,

- прижимают измерительную головку (20) к поверхности таким образом, чтобы адаптер (10A, 10B, 100) был по меньшей мере частично сжат так, чтобы он адаптировал свою форму к форме поверхности для увеличения тепловой изоляции измерительной головки от окружающей среды за пределами обода (12),

- подводят тепло к измеряемой поверхности или отводят от нее с помощью теплопередающего элемента,

- считывают значения температуры поверхности с помощью первого датчика 5 (22A, 122A) температуры и, опционально, второго датчика (22B, 122B) температуры и

- определяют тепловой поток с помощью считанных значений температуры.