Устройство для измерения теплофизических параметров
Полезная модель относится к строительной технике и может быть преимущественно использована для измерения тепловых параметров различных строительных конструкций, например, стен, потолков, полов, различных переборок, выгородок, подволоков и др. Задачей полезной модели является повышение потребительских свойств путем повышения точности и достоверности. Решение поставленной задачи обеспечивается использованием расходного бака, в котором поддерживается постоянный уровень теплоносителя, что обеспечивается использованием датчика уровня теплоносителя в расходном баке, выход датчика уровня соединен с управляющим входом вентиля, в результате чего величина потока теплоносителя на входе теплообменника становится постоянной, а также использованием нагревательного бака, что обеспечивает постоянство температуры теплоносителя на входе теплообменника. Определение момента начала подъема температуры на внутренней поверхности исследуемого объекта осуществляется контактным измерителем температуры. Определение момента начала подъема температуры на внешней или боковой поверхности исследуемого объекта осуществляется тепловизором.
Полезная модель относится к строительной технике и может быть преимущественно использована для измерения теплофизических параметров различных строительных конструкций, например, стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др.
Известно устройство для бурения скважин [1], позволяющее получать образцы материалов с различной глубины. Измеряя параметры этих образцов, можно получить информацию о физических и химических свойствах и конфигурации глубинных слоев. Недостаток известного устройства заключается в том, что оно не обеспечивает неразрушающего контроля исследуемого объекта.
Известны многочисленные варианты устройств для ультразвуковой дефектоскопии, например, [2, 3], позволяющие определить наличие неоднородностей в различных конструкциях и конфигурацию этих неоднородностей, однако приборы такого рода не позволяют провести измерение теплофизических величин исследуемых материалов, в частности, теплового сопротивления.
Известны многочисленные варианты устройств для измерения теплового сопротивления различных радиоэлектронных приборов, например, описанное в [4] устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов. Недостаток известного технического решения заключается в узкой области применения: его можно использовать только для измерения теплового сопротивления транзисторов.
Известно описанное в [5] устройство для определения характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, термопару
и электронный блок обработки. Термопара расположена на поверхности исследуемого образца. Выход термопары подключен к входу электронного блока обработки. Главный недостаток известного устройства заключается в том, что при использовании импульсного нагрева необходима сложная обработка результатов измерений, для чего требуется сложная аппаратура. Это приводит к значительному удорожанию проведения измерений. Кроме того, большая сложность обработки результатов измерений приводит к снижению их точности и достоверности.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является устройство для измерения теплофизических характеристик [6], содержащее теплообменник, входной трубопровод, выходной трубопровод, контактный измеритель температуры, тепловизор, тепловую изоляцию, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника, выход теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, контактный измеритель температуры размещен между внутренней поверхностью исследуемого объекта и внешней поверхностью теплообменника. Момент начала подъема температуры в заданной точке на внутренней поверхности исследуемого объекта осуществляется контактным измерителем температуры. Момент начала подъема температуры на внешней поверхности исследуемого объекта или ни боковой поверхности исследуемого объекта осуществляется тепловизором.
Известное устройство обладает низкими потребительскими свойствами. Это обусловлено необходимостью поддержания постоянной величины потока теплоносителя и постоянной температуры теплоносителя на входе теплообменника для обеспечения высокой точности и высокой достоверности измерений. Если же эти параметры теплоносителя нестабильны во времени, то известное устройство не позволяет добиться высокой
точности и высокой достоверности измерений, в результате чего потребительские свойства оказываются низкими.
Задачей полезной модели является повышение потребительских свойств путем повышения точности и достоверности измерений.
Решение поставленной задачи в соответствии с п.1 формулы полезной модели обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее теплообменник, входной трубопровод, выходной трубопровод, контактный измеритель температуры, тепловизор, тепловую изоляцию, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника, выход теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, контактный измеритель температуры размещен между внутренней поверхностью исследуемого объекта и внешней поверхностью теплообменника, внесены следующие усовершенствования: оно дополнительно содержит расходный бак, нагревательный бак, первый трубопровод, второй трубопровод, входной трубопровод снабжен вентилем, нагревательный бак снабжен нагревательным элементом, выход входного трубопровода соединен с входом расходного бака, выход расходного бака соединен с входом первого трубопровода, выход первого трубопровода соединен с входом нагревательного бака, выход нагревательного бака соединен с входом второго трубопровода, а выход второго трубопровода соединен с входом теплообменника.
Использование в заявленном устройстве расходного бака обеспечивает постоянство во времени величины потока теплоносителя в теплообменнике, а использование нагревательного бака, снабженного нагревательным элементом, обеспечивает постоянство во времени температуры теплоносителя на входе теплообменника. Таким образом, на вход теплообменника поступает теплоноситель, величина потока и температура которого постоянны во времени, в результате чего повышаются точность и
достоверность измерений. Это приводит к повышению потребительских свойств заявленного устройства по сравнению с прототипом.
В частном случае в соответствии с п.2 формулы полезной модели расходный бак снабжен датчиком уровня теплоносителя, а выход датчика уровня теплоносителя соединен с управляющим входом вентиля. Если параметры заявленного устройства подобраны таким образом, что величина потока теплоносителя в первом трубопроводе меньше, чем минимально возможная величина потока теплоносителя в входном трубопроводе, то датчик уровня теплоносителя формирует сигнал, поступающий на управляющий вход первого вентиля, в результате чего обеспечивается постоянный уровень теплоносителя в накопительном баке. Это приводит к постоянству величины потока теплоносителя в теплообменнике.
В частном случае в соответствии с п.3 формулы полезной модели первый трубопровод снабжен вторым вентилем. Это позволяет регулировать величину потока теплоносителя, проходящего через первый трубопровод.
В частном случае в соответствии с п.4 формулы полезной модели заявленное устройство содержит накопительный бак, сливной бак, выход накопительного бака соединен с входом входного трубопровода, выход выходного трубопровода соединен с входом сливного бака. Такой вариант конструктивного выполнения заявленного устройства позволяет многократно использовать один и тот же теплоноситель за счет его транспортировки из сливного бака в накопительный бак.
В частном случае в соответствии с п.5 формулы полезной модели оптическая ось тепловизора направлена на внешнюю поверхность исследуемого объекта. Такой вариант конструктивного выполнения заявленного устройства обеспечивают фиксацию времени начала подъема температуры в заданной точке, расположенной на внешней поверхности исследуемого объекта.
В частном случае в соответствии с п.6 формулы полезной модели оптическая ось тепловизора направлена на боковую поверхность исследуемого объекта. Такой вариант конструктивного выполнения заявленного устройства обеспечивают фиксацию времени начала подъема температуры в заданной точке, расположенной на боковой поверхности исследуемого объекта.
Сущность полезной модели поясняется описанием конкретного варианта выполнения заявленного устройства и чертежами, на которых:
- на фиг.1 приведена схема устройства, соответствующая п.п.1-5 формулы полезной модели;
- на фиг.2 приведен вид в аксонометрической проекции устройства, соответствующего п.п.1-5 формулы полезной модели;
- на фиг.3 приведена схема устройства, соответствующая п.п.1-4 и 6 формулы полезной модели;
- на фиг.4 приведен вид в аксонометрической проекции устройства, соответствующего п.1-4 и 6 формулы полезной модели.
Устройство для измерения теплофизических параметров содержит теплообменник 1, входной трубопровод 2, выходной трубопровод 3, контактный измеритель температуры 4, тепловизор 5, тепловую изоляцию 6, внешняя поверхность теплообменника 1 снабжена тепловой изоляцией 6 кроме примыкающей к внутренней поверхности 7 исследуемого объекта 8 внешней поверхности теплообменника 1, выход теплообменника 1 соединен с входом выходного трубопровода 3, контактный измеритель температуры 4 размещен между внутренней поверхностью 7 исследуемого объекта 8 и внешней поверхностью теплообменника 1. Оно также содержит расходный бак 9, нагревательный бак 10, первый трубопровод 11, второй трубопровод 12, входной трубопровод 2 снабжен вентилем 13, нагревательный бак 10 снабжен нагревательным элементом, выход входного трубопровода 2 соединен с входом расходного бака 9, выход расходного
бака 9 соединен с входом первого трубопровода 11, выход первого трубопровода 11 соединен с входом нагревательного бака 10, выход нагревательного бака 10 соединен с входом второго трубопровода 12, а выход второго трубопровода 12 соединен с входом теплообменника 1. Расходный бак 9 снабжен датчиком 14 уровня теплоносителя, выход датчика 14 уровня теплоносителя соединен с управляющим входом вентиля 13, а первый трубопровод 11 снабжен вторым вентилем 15. Устройство для измерения теплофизических параметров дополнительно содержит накопительный бак 16, сливной бак 17, выход накопительного бака 16 соединен с входом входного трубопровода 2, а выход выходного трубопровода 3 соединен с входом сливного бака 17. Оптическая ось 18 тепловизора 5 направлена либо на внешнюю поверхность 19 исследуемого объекта 8, либо направлена на боковую поверхность 20 исследуемого объекта 8.
Направление движения теплоносителя показано стрелками, обозначенными на чертежах позицией 21. В качестве нагревательного элемента может быть применен преобразователь электрической энергии в тепловую энергию. Клеммы, к которым подключается внешний источник электрической энергии, обозначены на чертежах позицией 22.
Изменение величины массового расхода теплоносителя через теплообменник 1 осуществляется обычно изменением высоты расходного бака 9 над теплообменником 1. При этом накопительный бак 16 должен быть расположен, как правило, выше расходного бака 9, а нагревательный бак 10 должен быть расположен, как правило, ниже расходного бака 9 и выше теплообменника 1. Накопительный бак 16 может заполняться из водопровода водой, в этом случае роль теплоносителя выполняет водопроводная вода.
Скапливающийся в сливном баке 17 теплоноситель может быть снова использован путем транспортировки из сливного бака 17 в накопительный бак 16 (этот путь на фиг.1 и фиг.3 показан стрелкой с прерывистой
линией и обозначен позицией 23) с помощью какого-либо трубопровода, снабженного насосом (компрессором) или путем транспортировки жидкого теплоносителя из сливного бака 17 в накопительный бак 16 с помощью каких-либо контейнеров, например, ведер.
Устройство для измерения теплофизических параметров работает следующим образом. Теплоноситель из накопительного бака 16 по входному трубопроводу 2 попадает в расходный бак 9. Датчик 14 уровня теплоносителя и вентиль 13 обеспечивают постоянство уровня теплоносителя в расходном баке 9, в результате чего достигается постоянство во времени величины потока теплоносителя в теплообменнике 1. Теплоноситель из расходного бака 9 по первому трубопроводу 11 поступает в нагревательный бак 10, где происходит его нагревание нагревательным элементом. Затем нагретый теплоноситель по второму трубопроводу 12 поступает в теплообменник 1. Рабочая температура теплоносителя на входе теплообменника 1 должна быть выше максимально возможной температуры теплоносителя на входе нагревательного бака 10. При изменении температуры поступающего во входной трубопровод 2 теплоносителя постоянство температуры на входе теплообменника 1 обеспечивается изменением режима работы нагревательного элемента. В теплообменнике 1 теплоноситель отдает тепловую энергию исследуемому объекту 8 через участок внутренней поверхности 7 исследуемого объекта 8, примыкающий к внешней поверхности теплообменника 1. Контактный измеритель температуры 4 фиксирует момент начала подъема температуры в области контакта внешней поверхности теплообменника 1 с внутренней поверхностью 7 исследуемого объекта 8. Тепловизор 5 фиксирует момент начала подъема температуры в заданной точке. В соответствии с п.5 формулы полезной модели заданная точка выбирается на внешней поверхности 19 исследуемого объекта 8. В соответствии с п.6 формулы полезной модели заданная точка выбирается на боковой поверхности 20 исследуемого объекта 8. Расчет теплофизических параметров исследуемого
объекта осуществляется по известной методике, описанной, например, в [6].
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Сухов Р.И., Лебедкин Ю.М., Кузнецов В.Г. и др. Способ бурения скважин и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение №2237148, приор. 1999.10.06, публ. 2001.07.20, МПК7 Е 21 В 6/02, Е 21 В 7/00, Е 21 В 10/36.
2. Пилин Б.П., Марков А.А., Молотков С.Л. Способ ультразвуковой дефектоскопии и устройство, его реализующее. Патент РФ на изобретение №2131123, приор. 1996.01.12, публ. 1999.05.27, МПК6 G 01 N 29/04.
3. Бобров В.Т., Тарабрин В.Ф., Ордынец С.А., Кулешов Р.В. Ультразвуковой дефектоскоп «Ласточка». Патент РФ на изобретение №2231783, приор. 2001.08.09., публ. 2003.07.10, МПК7 G 01 N 29/04.
4. Сергеев В.А. Устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов. Заявка на патент РФ на изобретение №2000127414/09, приор. 2000.10.31, публ. 2002.10.10, МПК7 G 01 R 31/26.
5. Медведев В.В., Троицкий О.Ю. Устройство для определения характеристик материалов. Патент РФ на изобретение №2212653, приор. 2002.05.28, публ. 2003.09.20, МПК7 G 01 N 25/18.
6. Абрамова Е.В., Богоявленский А.И., Исаков П.Г., Лаповок Е.В., Ханков С.И. и др. Устройство для измерения теплофизических характеристик (варианты). Патент РФ №54193 на полезную модель, приоритет 19.12.2005, публ. 10.06.2006, МПК G 01 N 25/18 (2006.01).
1. Устройство для измерения теплофизических параметров, содержащее теплообменник, входной трубопровод, выходной трубопровод, контактный измеритель температуры, тепловизор, тепловую изоляцию, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника, выход теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, первый контактный измеритель температуры размещен между внутренней поверхностью исследуемого объекта и внешней поверхностью теплообменника, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит расходный бак, нагревательный бак, первый трубопровод, второй трубопровод, входной трубопровод снабжен вентилем, нагревательный бак снабжен нагревательным элементом, выход входного трубопровода соединен с входом расходного бака, выход расходного бака соединен с входом первого трубопровода, выход первого трубопровода соединен с входом нагревательного бака, выход нагревательного бака соединен с входом второго трубопровода, а выход второго трубопровода соединен с входом теплообменника.
2. Устройство для измерения теплофизических параметров по п.1, отличающееся тем, что расходный бак снабжен датчиком уровня теплоносителя, а выход датчика уровня теплоносителя соединен с управляющим входом вентиля.
3. Устройство для измерения теплофизических параметров по п.1, отличающееся тем, что первый трубопровод снабжен вторым вентилем.
4. Устройство для измерения теплофизических параметров по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит накопительный бак, сливной бак, выход накопительного бака соединен с входом входного трубопровода, а выход выходного трубопровода соединен с входом сливного бака.
5. Устройство для измерения теплофизических параметров по п.1, отличающееся тем, что оптическая ось тепловизора направлена на внешнюю поверхность исследуемого объекта.
6. Устройство для измерения теплофизических параметров по п.1, отличающееся тем, что оптическая ось тепловизора направлена на боковую поверхность исследуемого объекта.
