Устройство для измерения теплового потока

Устройство для измерения теплового потока может использоваться для измерения теплоотдачи с поверхностей, например нагревательных устройств в теплосетях зданий для контроля систем отопления, для определения величины утечек тепла в зданиях и в других областях, в которых необходимо контролировать процессы теплообмена. Устройство состоит из сегнетоэлектрического конденсатора 1, подключенного к генератору 2 и соединенного с измерительной цепью, состоящей из последовательного соединения ограничителя 3, компаратором 4, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 5, формирователя 6 прямоугольных импульсов, длительность которых характеризует скорость разряда сегнетоэлектрического конденсатора 1, смесителя 7, второй вход которого соединен с генератором 8 опорной частоты. На счетчик 9 поступают высокочастотные импульсы, промодулированные низкочастотными, ширина которых характеризует скорость изменения напряжения на обкладках конденсатора. Индикатор 10 показывает количество теплоты, соответствующее количеству высокочастотных импульсов в низкочастотных.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения теплоотдачи с поверхностей, например нагревательных устройств в теплосетях зданий для контроля систем отопления, для определения величины утечек тепла в зданиях и в других областях, в которых необходимо контролировать процессы теплообмена.

При известных тепловых сопротивлениях тепловой поток может быть косвенно определен из значений температуры, измеренных в разных точках исследуемого объекта. Обычно определяют плотность теплового потока q [Вт/м²], т.е. поток через единицу площади

,

где - теплопроводность [Вт/м·К], t - значения температур на каких-то точках объекта, между которыми определяется тепловой поток.

При измерении теплового потока при поквартирном учете, например датчиками теплового потока INDIV-3 фирмы Danfoss, измеряют температуру между характерной точкой поверхности радиатора и воздухом в отапливаемом помещении, причем температура воздуха в помещении является постоянной запрограммированной величиной и соответствует нормативному значению 20°C. Однако, условие наличия фиксированного значения второй температуры выполнимо не всегда.

Сложность заключается также в том, что значение теплопроводности часто не известно, и тогда необходимо проводить измерения прямым методом, используя датчики теплового потока.

Известно устройство для измерения теплового потока (авторское свидетельство 699360, МПК G01K 17/00, G01K 17/12), которое содержит корпус, прикрепленные к корпусу приемную и компенсирующую пластины, имеющие покрытия с лицевой к падающему потоку стороны с различной степенью поглощения каждое, термобатарею измерительный прибор. Пластины устанавливают на пути теплового потока. Измеряемый тепловой поток нагревает обе пластины до определенных равновесных температур. Разность этих температур будет тем выше, чем больше тепловой поток и чем выше разность степеней поглощения пластин. Пластины нагревают горячие и холодные концы термобатарей, измеряют генерируемую термо-ЭДС, по величине которой судят о величине плотности теплового потока. Для этого индикатор градуируют в единицах плотности [Вт/м ²].

Существенным недостатком этого устройства является необходимость точного измерения температуры пластин, для чего приходится их увеличивать. Для повышения чувствительности также необходимо использовать многоспайные термопары. Увеличение толщины пластин означает увеличение массы и габаритов датчика и повышение его теплоизоляционных свойств, что приводит к возрастанию методической погрешности измерения потока.

Известно устройство для измерения теплового потока, изложенное в статье L.Geiling, Das Termoelement als Strahlungsmesser. (Zschr. Phis., Bd.3.12, 1951). В этом устройстве датчик выполнен в виде пластины, состоящей из последовательно чередующихся термоэлектродных материалов (например меди и константана). Границы раздела слоев наклонены под углом 20-45° к плоскостям датчика. Датчик располагают по отношению к потоку таким образом, чтобы между нижней и верхней его поверхностями возникала разность температур, которая возбуждает термо-ЭДС. Измеряют термо-ЭДС, которая накапливается вдоль поверхности датчика и линейно связана с температурным градиентом и, следовательно, с величиной теплового потока.

Недостатком рассмотренного устройства является то, что для его реализации необходимо использовать в датчике материалы с резко различными тепловыми, термоэлектрическими свойствами.

Наиболее близким по совокупности технических признаков к предлагаемому является устройство для измерения тепловых потоков (а.с. 354289, МПК G01K 7/34 опубл. 01.01.1972). В известном устройстве в качестве датчика использован сегнетоэлектрический конденсатор, включенный в измерительную цепь. Один электрод конденсатора приводят в тепловой контакт с измеряемым объектом, и тепловой поток нагревает сегнетоэлектрик, который генерирует электрический заряд, накапливаемый на электродах, а измерительная цепь измеряет возникающее напряжение, по величине которого судят о величине теплового потока.

Известное устройство основано на зависимости величины диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от температуры - при ее изменении происходит поляризация сегнетоэлектрика, которая является следствием деформации кристаллической решетки. Степень поляризации зависит от количества поглощенного сегнетоэлектриком тепла. Однако, если температура не меняется, то поляризация уменьшается свободными зарядами из атмосферы и за счет существующей внутренней проводимости. Таким образом, измеряемое напряжение уже не будет характеризовать реальный тепловой поток. Это явление ограничивает использование сегнетоэлектрических конденсаторов одноразовыми измерениями или измерениями пульсирующих потоков., т.е не позволяет постоянно отслеживать величину теплового потока.

Задачей, полезной модели, является разработка устройства для измерения теплового потока, позволяющего постоянно отслеживать величину теплового потока контролируемого объекта.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, так же, как и известное, содержит сегнетоэлектрический конденсатор, соединенный с измерительной схемой. Но, в отличие от известного, в предлагаемом устройстве к конденсатору подключен генератор электрических импульсов, а измерительная схема состоит из последовательного соединения ограничителя, компаратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, формирователя прямоугольных импульсов, смесителя, счетчика и индикатора, причем выход формирователя прямоугольных импульсов соединен со вторым входом счетчика, а второй вход смесителя соединен с генератором опорной частоты.

Полезная модель основывается на том, что при изменении количества поглощенного датчиком тепла и при постоянном значении напряжения, подаваемого на обкладки датчика, скорость разряда конденсатора будет однозначно зависеть от поглощенного количества тепла. Чтобы его измерить, нужно, например, измерять длительность полученных экспоненциальных импульсов при достижении ими определенного напряжения.

Достигаемым техническим результатом является реализация возможности постоянного измерения не только изменяющихся во времени, но и постоянных тепловых потоков.

Следует отметить, что прием переключения сегнетоэлектрических конденсаторов для температурных измерений известен, но его используют для измерения температуры. В а.с. 147815, МПК G01 7/34 опубл. 01.01.1972 температуру измеряют по величине максимального тока переключения конденсатора. Известны работы а.с. 544875 МПК G01K 7/34 опубл. 30.01.1977), в которых авторы предлагают перевести сегнетоэлектрический конденсатор в динамический режим за счет того, что на один из электродов, который не находится в тепловом контакте с объектом, воздействуют импульсами теплового потока постоянной мощности и частоты. В сегнетоэлектрике возбуждают тепловые колебания с амплитудой около некоторой рабочей температуры. Если поддерживать амплитуду и частоту этих колебаний постоянными и при этом изменяется температура, то во внешней цепи конденсатора индуцируется переменный ток, возрастающий по мере повышения температуры до температуры Кюри. Таким образом, каждой температуре соответствует определенная величина тока. Но это воздействие искажает тепловое состояние сегнетоэлектрика и, соответственно, значительно искажает результаты измерения. К тому же, использование в способе источника тепловых импульсов приводит к увеличению габаритов устройства, реализующего способ.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения теплового потока состоит из сегнетоэлектрического конденсатора (датчик) 1, на который поступают деполяризующие импульсы от генератора 2. Импульсы с обкладок конденсатора 1 поступают на ограничитель 3, который преобразует их в однополярные. Ограничитель 3 соединен с компаратором 4, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 5. Для получения максимальной чувствительности устройства величина опорного напряжения должна соответствовать начальному участку замедления скорости изменения напряжения сигнала на первом входе компаратора 4. Выход компаратора 4 соединен с формирователем 6 прямоугольных импульсов, длительность которых характеризует скорость разряда сегнетоэлектрического конденсатора 1. Эти импульсы поступают на первый вход смесителя 7, второй вход которого соединен с генератором 8 опорной частоты. Таким образом, на счетчик 9 поступают высокочастотные импульсы, промодулированные низкочастотными, ширина которых характеризует скорость изменения напряжения на обкладках конденсатора 1, а запуск счетчика 9 производится импульсами, поступающими с выхода формирователя 6 прямоугольных импульсов на второй вход счетчика 9. Счетчик соединен с индикатором 10, который показывает количество теплоты, соответствующее количеству импульсов тактовой частоты в низкочастотных.

Полезная модель основывается на следующих зависимостях:

Уравнение теплопроводности для одномерного случая:

,

где P_V, [Вт/м3] - мощность внутренних источников энергии; c_T [Дж/К] - теплоемкость; [кг/м3] - плотность, - время.

Если температурное поле равномерное, то можно записать:

.

Тогда полная мощность тепловыделений, т.е. тепловой поток:

,

V - объем.

Последнее выражение можно переписать в виде:

,

где C_T=c_TV

Энергия заряженного конденсатора:

,

[Дж], где С_Э - емкость конденсатора, U - напряжение на обкладках конденсатора.

Тогда можно записать:

,

[Вт],

Последнее выражение показывает связь величины теплового потока со скоростью изменения напряжения разряда конденсатора. При измерении теплового потока, например батареи отопления, конденсатор устанавливают на пути теплового потока. Конденсатор должен обладать достаточно малыми толщиной и объемом, для того, чтобы практически не искажать проходящий через него тепловой поток. Материал используемого диэлектрика выбирается из условия нахождения точки Кюри выше наиболее высокой температуры диапазона, в котором измеряется тепловой поток. Мы проводили измерения с помощью конденсаторов с сегнетоэлектриком BaTiO₃, а также Ba_0,9Sr_0,1TiO ₃. В последнем случае сегнетоэлектрик имел толщину 0,5 мм а площадь 50 мм². Точка Кюри соответствовала 80°C. Деполяризующее напряжение соответствовало 3,3 в. Для этих параметров были составлены градуировочные таблицы соответствия скорости изменения напряжения разряда конденсатора величине теплового потока. Измерение скорости изменения напряжения проводилось на начальном участке замедления процесса деполяризации сегнетоэлелектрика, поскольку на этом участке доля теплового влияния на скорость спада кривой напряжения значительно возрастает. Учитывая то обстоятельство, что и батареи отопления и окружающее их пространство обладают достаточно большой тепловой инерцией, деполяризующие импульсы можно подавать достаточно редко - 1 раз в несколько минут, в отличие от систем с быстро меняющейся тепловой ситуацией, в которой импульсы подают непрерывно.

Как следует из описания, предложенное устройство позволяет проводить измерение не только меняющихся тепловых потоков, но также измерение потоков, величина которых не меняется во времени.

Устройство для измерения теплового потока, содержащее сегнетоэлектрический конденсатор, соединенный с измерительной схемой, отличающееся тем, что к конденсатору подключен генератор электрических импульсов, а измерительная схема состоит из последовательного соединения ограничителя, компаратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, формирователя прямоугольных импульсов, смесителя, счетчика и индикатора, причем выход формирователя прямоугольных импульсов соединен со вторым входом счетчика, а второй вход смесителя соединен с генератором опорной частоты.