Способ градуировки датчика теплового потока и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК G01K19/00 

Изобретение относится к .теплометрии и может быть использовано для градуировки датчиков теплового потока при их производстве и эксплуатации. Известен способ градуировки Датчика теплового потока путем установки градуируемого датчика на предварительно откалиброванный тепломер, измерения теплового потока, проходящего через датчик по показаниям тепломера, и сигнала с датчика 1. Недостатком известного способа является низкая точность градуировки вследствие того, что тепловой поток, пронизывающий датчик, приходится определять на основании предварительно полученной калибровочной характеристики тепломера. Кроме того, необходимо точно компенсировать боковые теплопотери с нагревателя, а это вносит дополнительные ощибки в измерения и снижает точность. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ градуировки датчика теплового потока, включающий предварительный перегрев нагревательного блока относительно теплоприемника, размещение датчика теплового потока между нагревательным блоком и теплоприемником, измерение теплового потока и сигнала с датчика 2. Способ осуществляют устройством для градуировки датчика теплового потока, содержащем нагревательный блок, теплоприемник и измерительный блок. В известном устройстве нагревательный блок выполнен в виде пассивного тела с встроенным электронагревателем, а тепловой поток измеряется при помощи эталонного датчика типа «вспомогательная стенка 2. Известный способ имеет низкую точность градуировки обусловленную тем, что необходима предварительная, калибровка эталонного датчика и необходим учет контактных термических сопротивлений между эталонным датчиком и блоком, в котором он размещен. Кроме того, в известном способе необходим учет пространственной разности температур, что в совокупности снижает точ ность градуировки. Целью изобретения является повыщение точности градуировки. Для достижения поставленной цели согласно способу градуировки датчика теплового потока, включающему предварительный перегрев нагревательного блока относительно теплоприемника, размещение датчика теплового потока между нагревательным блоком и теплоприемником, измерение теплового потока и сигнала с датчика, датчик теплового потока устанавливают на нагревательном блоке, теплоприемник подводят к датчику теплового потока, и после окончания переходных процессов в датчике теплового потока измеряют скорость нагрева теплоприемника, по которой судят о величине теплового потока. Кроме того, в устройство для градуировки датчика теплового потока, содержащее нагревательный блок, теплоприемник и измерительный блок, введены узел перемещения теплоприемника и адиабатическая оболочка теплоприемника, который выполнен в виде пластины из высокотеплопроводного материала, причем контактная поверхность пластины по конфигурации и размерам совпадает с теплообменной поверхностью датчика теплового потока. При этом устройство снабжено дополнительно регулируемым термическим сопротивлением. На фиг. 1 показано устройство для осуществления способа градуировки датчика теплового потока; на фиг. 2 - изменение во времени параметров устройства в процессе градуировки. Устройство содержит нагревательный блок 1 с встроенным нагревателем 2, теплоприемник 3 выполненный в виде пластины из высокотеплопроводного материала, окруженный адиабатической оболочкой 4, термодатчики А и Б, окончания которых выведены на блок холодных спаев 5, измерительный блок 6, датчик 7 теплового потока, регулируемое термическое сопротивление 8, узел перемещения теплоприемника 9, измеритель 10 сигнала датчика теплового потока. Термодатчик А служит для измерения температуры теплоприемника, а дифференциальная термопара АБ - для измерения перегрева нагревательного блока 1 относительно теплоприемника 3. Регулируемое термическое сопротивление 8 служит для расщирения диапазона тепловых потоков, проходящих через градуируемый датчик 7. Например, в качестве регулируемого термического сопротивления 8 может быть использован переменный воздушный зазор между нагревательным блоком 1 и датчиком 7. Процесс градуировки осуществляют следующим образом. Градуируемый датчик 7 теплового потока размещают на нагревательном блоке 1 (непосредственно на блоке или через регулируемое термическое сопротивление 8). Теплоприемник 3 в контакте с датчиком 7 не находится (например, отведен в сторону с помощью узла 9 для его перемещения).Включают нагреватель 2, перегревая нагревательный блок 1 относительно теплоприемника 3 на величину перепада температур, соответствующую ожидаемому значению теплового потока. Затем с помощью узла 9 теплоприемник 3 приводят в контакт с датчиком 7 и после окончания переходных тепловыхпроцессов в последнем определяют сигнал датчика с помощью измерителя 10 и скорость изменения температуры теплоприемника 3 с помощью измерительного блока 6. Критерием окончания переходных процессов и, следовательно, начала измерения может служить, например, постоянство скорости нагрева теплоприемника 3. Качественная картина тепловых процессов, протекающих в устройстве, такова. После приведения в контакт теплоприемника 3 с датчиком 7 происходит перестройка температурного поля в датчике 7, а именно: температура поверхности датчика 7, контактирующей с теплоприемником 3, уменьщается до температуры теплоприемника 3, в датчике 7 устанавливается линейное распределение температуры. Одновременно часть тепла, аккумулированного в нем, отдается теплоприелунику 3. По окончании этого переходного процесса, продолжительность которого Afirep достаточно малая, в датчике 7 устанавливается стационарный тепловой процесс, а с момента времениt ufпер в теплоприемник 3 поступает постоянный тепловой поток с и, благодаря наличию адиабатической оболочки 4, линейно повыщает его температуру. Для иллюстрации происходящих тепловых процессов на фиг. 2 приняты обозначения:бя. температура нагревательного блока. - температура поверхности датчика 7; -температура теплоприемника 3; -тепловой поток, поступающий в датчик 7 через поверхность, контактирующую с регулируемым термическим сопротивлением 8; -тепловой поток, поступающий в теплоприемник 3 со стороны датчика 7 IQ - начальный момент времени (теплоприемник 3 приведен в соприкосновение с датчиком 7); Afnep -отрезок времени, в течение которого происходят переходные тепловые процессы в теплоприемнике 3, датчике 7 и регулируемом термическом сопротивлении 8; -время окончания переходных тепловых процессов, начало измерения; 4 С -длительность времени измерения; Са -время окончания измерения. Все кривые при представляют собой прямые линии с небольшим наклоном к оси абсцисс (не более 1% за время измерения) За время дТ в теплоприемнике 3 аккумулируется количество тепла, равное T-AP Cr-(t2-ti), полная теплоемкость тепломера 3, Дж/К; температура теплоприемника 3 в начальный момент времени измерения (1i ACnep), °С; tg -температура тепломера 3 в конечный момент времени измерения (Г, Г,+лГ),°С. ,,CT-(t2.ti) Ст- AJT (0 Отсюда лт дт ji скорость нагрева тепломера 3, Проводя во всех требуемых точках теплового потока измерение сигнала датчика Ц, скорости нагрева теплоприемника и рассчитав по формуле (2) значения q,. пО лучают искомую градуировочную зависимость tt f(j.). Причем перед каждым последующим измерением теплоприемник охлаждают до начальной температуры или для ускорения процесса градуировки используют несколько теплоприемников. Точность градуировки предлагаемым способом характеризуется как методическими погрещностями, так и погрещностью измере ния величин, входящих в формулу (2). Часть методических погрещностей сводится практически к минимуму путем выполнения следующих условий: величина теплового потока за время измерения At остается неизменной, что достигается, во-первых, подбором массы нагревательного блока и его теплоотдачи в окружающую среду таким образом, чтобы изменением его температуры за время дТ можно было пренебречь, и, во-вторых, обеспечением постоянства термического контактного сопротивления между нагревательным блоком и датчиком за счет того, что измерения проводятся при установившемся температурном поле в градуируемом датчике; весь тепловой поток, прошедший через датчик, поступает в тепломер, что обеспечивается наличием адиабатической оболочки около тепломера и тем, что контролирующие поверхности датчика теплоприемника совпадают по конфигурации и размерам. Для уменьшения методических погрешностей градуировки, кроме описанных, общих для некоторых известных способов и устройств для градуировки датчиков, требований, необходимо выполнить характерные для предлагаемого способа условия: 1.Время измерения дТ выбирается таким образом, чтобы оно не превышало длительность начальной стадии нагрева теплоприемника, в течение которого все тепло, поступившее в теплоприемник аккумулируется в нем и температура его изменяется по линейному закону. 2.Материал и толщина регулируемого термического сопротивления выбирается таким образом, чтобы выполнялось условие ,ог(д1п + ду(з; гдеА1п -перепад температуры по толщине датчика. К; Л1д-г перепад температуры на дополнительном термическом сопротивлении, К.

Выполнение условия по формуле (3), кроме того, дает возможность расширения диапазона измеряемых тепловых потоков в сторону меньших значений без снижения точности градуировки.

3. Для возможности измерения Д1т одним термодатчиком необходимо обеспечить изотермичность температурного поля поверхности теплоприемника, контактируюш.ей с датчиком, что достигается соблюдением уелоВИЯ

B,0,1,(4)

гдеВ - критерий Био;

S -высота теплоприемника, м;

Л-коэффициент теплопроводности материала тeплoп pиeмникa, Вт/(м. К);

х. -коэффициент теплоотдачи с поверхности теплоприемника, ВтДм.К).

Как видно из формулы (2), определение значения теплового потока, сводится к измерению .временной разности температур, что может быть осуш,ествлено с погрешностью 1°/о. Погрешность определения параметров теплоприемника составляет менее 1%.

Следовательно, суммарная погрешность градуировки датчика предлагаемым способом на устройстве для его осуществления не превышает 3%.

Кроме того, предлагаемое устройство не требует предварительной градуировки, погрешности которой также снижает точность градуировки.

Проведение измерений в нестационарном тепловом режиме и возможность использования в устройстве двух или нескольких теплоприемников приводит к ускорению процесса градуировки и, следовательно, к суш,ественному повышению производительности предлагаемого способа.

1. Способ градуировки датчика теплового потока, включающий предварительный перегрев нагревательного блока относительно теплоприемника, размещение датчика теплового потока между нагревательным блоком и теплоприемником, измерение теплового потока и сигнала с датчика, отличающийся тем, что, с целью повышения точности градуировки, датчик теплового потока устанавливают на нагревательном блоке, теплоприемник подводят к датчику теплового потока и после окончания переходных процессов в датчике измеряют скорость нагрева теплоприемника, по которой судят о величине теплового потока. 2.Устройство для градуировки датчика теплового потока, содержащее нагревательный блок, теплоприемник и измерительный блок, отличающееся тем, что в него введены узел перемещения теплоприемника и адиабатическая оболочка теплоприемника, который выполнен в виде пластины из высокотеплопроводного материала, причем контактная поверхность пластины по конфигурации и размерам совпадает с теплообменной поверхностью датчика теплового потока. 3.Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в него введено регулируемое термическое сопротивление. СЛ о со