автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Разработка и исследование кондуктивных методов и средств передачи единицы плотности теплового потока

На правах рукописи

Троценко Дмитрий Петрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОНДУКТИВНЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПЕРЕДАЧИ ЕДИНИЦЫ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

ТФ

05.11.15 - «Метрология и метрологическое обеспечение»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 СЕН Ш

005533021

Новосибирск - 2013

005533021

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).

Научный руководитель -

доктор технических наук Черепанов Виктор Яковлевич.

Официальные оппоненты:

Николаев Владимир Николаевич, доктор технических наук, ФГУП «Сибирский научный институт авиации им. С.А. Чаплыгина», руководитель испытательного центра;

Бродников Александр Федорович, кандидат технических наук, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, научный сотрудник лаборатории 82.

Ведущая организация -

ОАО «Научно-производственное предприятие «Эталон», г. Омск.

Защита состоится 30 сентября 2013 г. в 15-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.01 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СГГА».

Автореферат разослан 29 августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Чесноков Д.В.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 22.08.2013. Формат 60 х 84 1/16. Печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 93 . Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Теплообмен является одним из важнейших и глобальных явлений природы. Количественно теплообмен характеризуют тепловым потоком. Тепловой поток - это количество теплоты (энергии), передаваемой через изотермическую поверхность в единицу времени.

При решении различных технических задач часто возникает необходимость сравнения интенсивности тепловых потоков, пронизывающих поверхности объектов, имеющих разные площади. Для этого используют понятие «поверхностная плотность теплового потока», которое характеризует тепловой поток, отнесённый к площади теплообмена.

Степень разработанности проблемы

Вид измерений, связанный с определением теплового потока и его поверхностной плотности, принято называть теплометрией. Технической основой теп-лометрии являются измерительные преобразователи (датчики) теплового потока, которые преобразуют измеряемую плотность теплового потока в электрический сигнал. Датчики теплового потока широко используют при изучении тепловых процессов в теплоэнергетике, в авиационной и ракетно-космической технике, в геофизике и медицине.

Первыми научными центрами в области теплометрии были Институт технической теплофизики (ИТТФ) академии наук Украины (г. Киев), Харьковский авиационный институт, Институт измерительной техники (г. Королёв), Институт холодильной промышленности и головное специализированное конструкторское бюро теплофизического приборостроения (г. Санкт-Петербург), конструкторское бюро «Фотон» (г. Тернополь), Сухумский физико-технический институт. В 1979 г. в Сибирском государственном НИИ метрологии (СНИИМ) совместно с ИТТФ начались работы, направленные на создание основ метрологического обеспечения теплометрии. В результате этих работ в 1988 г. была создана установка высшей точности УВТ 53-А-88, возглавляющая государст-

венную поверочную схему для средств измерений поверхностной плотности теплового потока МИ 1855-88' в диапазоне от 10 до 2 ООО Вт/м2.

В настоящее время тепловые измерения широко используют для определения теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций зданий и сооружений, при проведении испытаний на жаропрочность строительных материалов и проверки безопасности рабочих мест вблизи источников нагрева.

Возникший в последние годы рост потребности в измерениях теплового потока привёл к необходимости дальнейшего развития их метрологического обеспечения. В связи с этим в СНИИМ был создан и в 2008 г. утверждён Государственный первичный эталон ГЭТ 172-2008, имеющий повышенные по сравнению с УВТ 53-А-88 показатели точности, а также расширенные диапазоны воспроизводимых значений единицы плотности теплового потока и температуры. В этом году введён в действие ГОСТ Р 8 . 749-20122, являющийся нормативной основой метрологического обеспечения теплометрии в РФ. Внедрение эталона ГЭТ 172-2008 и введение в действие этого стандарта предусматривают наличие соответствующих средств передачи единицы от первичного эталона эталонам, а от них — различным средствам теплометрии.

В связи с этим актуальной является общая задача создания современных средств передачи единицы плотности теплового потока, обеспечивающих калибровку, в том числе массовую, средств теплометрии при выпуске их из производства и при эксплуатации. Выполненные разработки и исследования направлены на решение этой актуальной задачи.

Цель научного исследования - совершенствование метрологического обеспечения измерений плотности теплового потока на основе создания кондуктив-ных методов и средств калибровки.

1 МИ 1855-88 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне 10-2 000 Вт/м .

2 ГОСТ Р 8. 749-2012 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне от 1 до 10 000 Вт/м .

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие частные задачи:

— провести анализ состояния метрологического обеспечения теплометрии и по его результатам сформулировать требования к новым методам и средствам передачи единицы плотности теплового потока;

-разработать теоретически обоснованные методы и средства передачи единицы, обеспечивающие массовую калибровку средств теплометрии;

— создать калибровочные установки, реализующие разработанные методы;

— экспериментально исследовать разработанные методы и созданные средства калибровки и определить их метрологические характеристики.

Объектом исследования является метрологическое обеспечение измерений плотности теплового потока.

Предметом исследования являются кондуктивные методы и средства передачи единицы поверхностной плотности теплового потока.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— впервые предложена и исследована возможность использования термомагнитного эффекта Нернста - Эттингсгаузена для калибровки датчиков теплового потока;

— предложен, разработан и исследован метод кондуктивной калибровки датчиков теплового потока, основанный на принципе большого теплового сопротивления рабочей среды теплометрического блока;

— предложена, теоретически обоснована и экспериментально исследована методика алгоритмического исключения влияния неоднородности теплового поля на результаты калибровки датчиков теплового потока;

— предложен и исследован новый метод кондуктивной калибровки датчиков теплового потока с последовательно-параллельным расположением датчиков относительно распространения теплового потока.

Теоретическая значимость работы:

- выявлено аномально высокое значение коэффициента Нернста КРТ-полупроводниковых структур (кадмий-ртуть-теллур Сс1хР^1_хТе);

- предложенная методика алгоритмического определения показателя неоднородности теплового поля является основой получения точной измерительной информации о неоднородности других физических полей.

Практическая значимость работы:

- разработанные варианты кондуктивного метода позволяют создавать калибровочные установки, предусмотренные новой государственной поверочной схемой для средств измерений поверхностной плотности теплового потока;

- созданные методы и средства передачи единицы поверхностной плотности теплового потока позволяют обеспечить массовую калибровку средств теп-лометрии при их выпуске из производства и при эксплуатации.

Методы исследования

В работе использовались методы теоретической и прикладной метрологии, теории теплообмена и теплопроводности, теплофизического и теплотехнического эксперимента.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- результаты исследований подтвердили возможность применимости термомагнитных явлений к созданию кондуктивных средств передачи единицы плотности теплового потока;

- метод и установка на основе использования рабочей среды с большим тепловым сопротивлением позволяют передавать единицу плотности теплового потока датчикам различных форм и размеров;

- методика калибровки и установка с параллельным по тепловому потоку расположением датчиков, использующие алгоритмическое исключение влияния неоднородности теплового поля, позволяют передавать единицу плотности теплового потока средствам измерений, оснащённым большим количеством однотипных датчиков;

- метод калибровки и установка на основе последовательно-параллельного по тепловому потоку расположения датчиков позволяют передавать единицу плотности теплового потока средствам измерений, оснащённым большим количеством датчиков, идентичных по форме и размеру эталонному датчику. Соответствие диссертации паспорту научной специальности Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.11.15 — Метрология и метрологическое обеспечение (технические науки) по следующим пунктам области исследований: 3 - проведение фундаментальных научных исследований по изысканию и использованию новых физических эффектов с целью создания новых и совершенствования существующих методов и средств измерений высшей точности; 4 - совершенствование системы обеспечения единства измерений в стране.

Степень достоверности и апробация результатов исследования Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конгрессах, конференциях и семинарах: VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (г. Санкт-Петербург, ЛИТМО, 2009 г.); V, VI, VII, VIII, IX Международных конгрессах «ГЕО-Сибирь» (г. Новосибирск, СГГА, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.); VIII, IX учебно-методическом семинаре-совещании «Эталонные и рабочие средства измерения в области теплофизики. Энергоаудит» (г. Омск, НПП «Эталон», 2010, 2011 гг.); II Всероссийской научно-практической конференции «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты» (г. Махачкала, ДГТУ, 2010 г.); IV Всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии «ТЕМПЕРАТУРА-2011» (г. Санкт-Петербург, ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»); XIII Российской конференции по теп-лофизическим свойствам веществ РКТС-13 (г. Новосибирск, ИТФ СО РАН, 2011 г.); VII Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники» (г. Киев, ИТТФ РАН Украины, 2011 г.).

Основные результаты работы внедрены:

- в производственный процесс на предприятиях: ФГУП «Сибирский государственный НИИ метрологии» (г. Новосибирск) — для выполнения метрологических и научно-исследовательских работ в области теплометрии; ОАО «Научно-производственное предприятие «Эталон» (г. Омск) - при испытаниях и подготовке производства теплометрических установок для поверки датчиков теплового потока;

- в учебный процесс: ФГБОУ ВПО СГГА, ГОУ ДПО «Академия стандартизации, метрологии и сертификации (учебная)» (Новосибирский филиал) -при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам «Метрологическое обеспечение теплотехнических измерений», «Приборное и метрологическое обеспечение учёта тепла», «Поверка и калибровка средств теплотехнических измерений».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, три статьи опубликованы в изданиях, определенных в перечне российских рецензируемых научных журналов и изданий.

Структура и объем работы

Общий объем работы составляет 118 страницы. Диссертационная работа состоит из введения, заключения и трёх разделов. Работа содержит 14 таблиц, 26 рисунков. Список литературы включает 51 наименование.

Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 002-2013.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении раскрыта актуальность работы, сформулированы цель и задачи, методы исследований, новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрены методы и средства обеспечения единства измерений плотности теплового потока. Обоснована актуальность создания новых средств передачи единицы, особенно необходимых для массовой калибровке датчиков при их выпуске и эксплуатации.

Средства измерений поверхностной плотности теплового потока имеют различное исполнение, но независимо от этого в качестве первичного преобразователя применяются датчики теплового потока (ДТП). В России наибольшее распространение получили разработанные ИТТФ гальванические термоэлектрические ДТП, на основе многоспайных дифференциальных термопар, расположенных в плоских дисках или пластинах из полимерных материалов. Основной метрологической характеристикой датчиков, определяемой при калибровке, является коэффициент К преобразования. Он устанавливает связь сигнала Е датчика с измеряемой плотностью д теплового потока, который находят по соотношению

д = К-Е. (1)

Передача единицы плотности теплового потока от государственного первичного эталона средствам измерений осуществляется в соответствии с ГОСТ Р 8.797-2012 «Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне от 1 до 10 ООО Вт/м2».

Согласно новой поверочной схеме, передача единицы плотности теплового потока от государственного первичного эталона ГЭТ 172-2008 эталонам осуществляется методом прямых измерений с относительной погрешностью от 0,5 % до 1,0%. В качестве эталонов единицы поверхностной плотности теплового потока используют датчики теплового потока в диапазоне от 10 до 5 000 Вт/м2 и теплометрические установки в диапазонах от 10 до 5 000 Вт/м2 и от 1 до 10 000 Вт/м2. Доверительные границы относительной погрешности 5о при доверительной вероятности 0,95 составляют: для датчиков теплового потока в диапазоне от 10 до 5 000 Вт/м2 от 1,0 % до 1,5 %; для теплометрических установок в диапазоне от 10 до 5 000 Вт/м2 от 1,5 % до 2,0 %; для теплометри-

ческих установок в диапазоне от 1 до 10 ООО Вт/м2 от 2,0 % до 3,0 %. Эталоны применяют для передачи единицы поверхностной плотности теплового потока средствам измерений. Теплометрические установки передают единицу плотности теплового потока средствам измерений методом прямых измерений. В них могут быть реализованы различные принципы создания теплового потока: радиационный, конвективный и кондуктивный. Кондуктивный принцип создания теплового потока наиболее часто применяется в диапазоне от 1 до 500 Вт/м2, при этом достигается наименьшая погрешность передачи единицы. Описанный принцип реализуется двумя схемами расположения датчиков: схема последовательного и схема параллельного расположения датчиков относительно распространения теплового потока. При последовательном расположении калибруемый и эталонный датчики располагают друг над другом последовательно относительно направления теплового потока. При этом через них проходит тепловой поток одинаковой плотности, рисунок 1, а.

а) б)

Рисунок 1 - Схема кондуктивных установок: а) последовательное расположение датчиков; б) параллельное расположение датчиков

Метрологические характеристики калибруемого датчика определяют путём сравнения его сигнала с показаниями эталонного датчика. Недостатком таких установок является низкая производительность, так как невозможно решить задачу массовой калибровки сразу многих датчиков. Также на их основе невозможно решить задачу калибровки датчиков различных форм и размеров.

Для решения этих задач были разработаны поверочные установки, позволяющие передавать единицу плотности теплового потока одновременно нескольким датчикам при их параллельном расположении по тепловому потоку (рисунок 1, б).

Тепловые блоки установок, реализующих кондуктивный метод калибровки, имеют аналогичные конструкции. Тепловой поток формируют путём задания разности температур между нагревателем 1 и холодильником 2 в рабочей среде 3, в которой размещают эталонный 4 и калибруемые датчики 5.

Одним из недостатков параллельного расположения датчиков по тепловому потоку является невозможность создания идеальной однородности теплового поля, необходимой для формирования в рабочей среде теплового потока одинаковой плотности.

В связи с этим актуальной является разработка кондуктивных средств и методов передачи единицы плотности теплового потока, позволяющих проводить одновременную калибровку большого количества датчиков различных форм и размеров в условиях существующей неоднородности теплового поля с пределом допускаемой погрешности ¿>0 от 2,0 % до 3,0 %.

Второй раздел посвящен разработке кондуктивных методов и средств передачи единицы плотности теплового потока. Рассмотрена возможность применения термомагнитного эффекта Нернста - Эттингсгаузена для повышения точности калибровки датчиков. Термомагнитные преобразователи могут использоваться в составе теплометрической установки в качестве эталонного средства воспроизведения и передачи единицы плотности теплового потока.

Для оценки перспективности создания на основе термомагнитного эффекта Нернста — Эттингсгаузена высокостабильных преобразователей теплового потока и кондуктивных калибровочных установок проведены исследования его возможностей. Эффект устанавливает взаимосвязь плотности теплового потока с электрическими и магнитными величинами (постоянным электрическим напряжением и магнитной индукцией), которые можно стабилизировать и изме-

рять с высокой точностью. Сущность эффекта заключается в том, что если создать градиент температуры (grad Т) и перпендикулярно ему приложено магнитное поле с индукцией В, возникает электрическое напряжение Е в двух направлениях — параллельно градиенту температуры и перпендикулярно ему, перпендикулярная составляющая определяется выражением:

E=QB(gradT), (2)

где Q - коэффициент Нернста.

Были проведены исследования с различными материалами. Экспериментально установлено, что наибольшей чувствительностью к изменению теплового потока обладают термомагнитные преобразователи из КРТ-полупроводниковых структур (кадмий-ртуть-теллур CdxHg,.xTe). В работе исследовался чувствительный элемент размером 20 * 5 х 0,015 мм с толщиной рабочего слоя КРТ 6,5 мкм.

Исследования были проведены при следующих значениях градиента температуры - 0,3 К/см, 4 К/см, 12,5 К/см. Максимальное значение ЭДС Нернста было получено при градиенте 12,5 К/см. Анализ полученных зависимостей показывает, что значения полученных сигналов, достигающих 0,5 мВ, достаточны для их надежных и высокоточных измерений. Зависимость от значений индукции магнитного поля близка к линейной.

Чувствительность к изменению перепада температуры, а, следовательно, и теплового потока составляет около 20 мкВ/К. Это позволяет обеспечить чувствительность термомагнитных преобразователей на основе КРТ-структур к изменению плотности теплового потока (при разрешении измерителя постоянного напряжения в 0,1 мкВ) на уровне около 0,02 %.

Таким образом, термомагнитные преобразователи могут быть применены для совершенствования эталонов и методов передачи единицы плотности теплового потока в диапазоне плотности теплового потока от 5 кВт/м2 и выше, то есть в диапазоне, наиболее востребованном в высокотемпературной энергетике,

в ракетостроении, в химической технологии, в металлургии и при научных исследованиях.

Для обеспечения возможности калибровки разнотипных датчиков, имеющих разные формы и размеры, разработан метод большого теплового сопротивления. Сущность метода заключается в уменьшении влияния датчиков на тепловое поле при тепловом сопротивлении рабочей среды Яср во много раз

большем теплового сопротивления датчиков Яд.

Представленный метод позволяет успешно проводить калибровку разнотипных датчиков, имеющих разное тепловое сопротивление. Этот метод реализован в теплометрической установке БТС, состоящей из теплометрического блока 1 и вспомогательного оборудования 2, рисунок 2.

3 4 6

Рисунок 2 - Схема установки, реализующей метод теплового сопротивления

В теплометрическом блоке установки размещены эталонный 3 и калибруемый датчики 4. Тепловой поток создают путём задания и поддержания постоянной разности температур между плоскими изотермическими поверхностями нагревателя 5 и холодильника б. Отличительной особенностью установки является то, что в качестве рабочей среды использованы плиты поролона и асбеста, которые служат для создания большого теплового сопротивления. Вспомогательное оборудование предназначено для измерений сигналов датчиков и для регулировки заданных температур нагревателя и холодильника. Установка позволяет калибровать ДТП размером до 300 мм с тепловым сопротив-

лением до 0,05 м2*К/Вт, в диапазоне от 1 до 200 Вт/м2 при температуре от 20 "С до 200 °С. Несмотря на универсальность, установка имеет низкую производительность из-за большой длительности выхода на стационарный режим.

Для массовой калибровки одинаковых по форме и размерам калибруемых датчиков с их параллельным по потоку расположением в условиях неоднородного теплового поля разработана специальная методика. Сущность методики заключается в том, что при перемещении датчиков по определённому алгоритму в неоднородном тепловом поле получают массив измеренных сигналов, по которому находят коэффициенты преобразования.

В простейшем случае калибровки двух датчиков ДТП1 и ДТП2 их и эталонный датчик (ДТП0) размещают в исходное положение, как показано на рисунке 3, а.

Рисунок 3 - Определение неоднородности теплового поля: а) исходное расположение; б) поворот по часовой стрелке; в) поворот против часовой стрелки

Если ДТП1 имеет коэффициент преобразования К,, ДТП2 - К2, ДТП0 - К0, а их сигналы соответственно равны Еи, Е2%2 и Е0,о, то, как следует из (1), плотность теплового потока ди = К^ц, плотность д22 = К2Е00, плотность д0в = КцЕдо-По сигналам датчиков можно определить отношения т10 и т2Л плотности теплового потока в местах их размещения (показатель неоднородности поля)

т,,0 = Яи / Яо.о = К,Еи / (КоЕо.о); т2,, = д2,2 / д,,, = К2Е2,2 / (К,Еи). (3)

Затем все датчики из исходного положения перемещают сначала по ходу (рисунок 3, б), а затем против хода (рисунок 3, в) часовой стрелки относительно места их первоначального размещения, определяя при этом соответствующие значения д01, Цп, 4ю, Чи плотности теплового потока По этим значениям можно получить показатели неоднородности теплового поля в новых местах расположения датчиков, которые будут равны

т1,о = 40,1/41,0', ™2,1 = 41,2/42,1- (4)

Перемещение датчиков связано с их демонтажем, при котором может произойти изменение первоначальной плотности теплового потока. Однако при этом конфигурация поля сохраняется. Поэтому в стационарном режиме форма теплового поля после перемещения идентична его форме в исходном положении датчиков. В этом случае искомые коэффициенты К,, К2 преобразования калибруемых датчиков, с учётом выражения (1), равны

К, = Кду/Ед ¡Е00 / (Е1ПЕи); К2 = К^ЕиЕи / (Е2,Е22) . (5)

Подставляя полученное выражение (5) в равенства (3), можно дополнительно получить значения показателей неоднородности теплового поля

Щ.о = 41,1 / 400 = у1Е0,1Е1.1/(Е1.0Е0,о) ; т2,1 = 42,2 / 41,1 = \1Е1,2Е2,2 1 (Е2,1Е1,1) ' (6)

'",>/ = 4и / 41-1,1-1 = \1Е1-1,1Еи ! (£,>/£;-/,/-/) > С7)

где / (I е [1...и]) - условный номер датчика (первый индекс) и номер ячейки (второй индекс).

Общая формула для определения неоднородности теплового поля в местах расположения любого числа калибруемых датчиков относительно значения плотности теплового потока ц00, измеренной эталонным датчиком в месте его исходного расположения, имеет вид

I

т1.о=Чи/%,0=Т1ти-1- (8)

1

При этом общая формула для расчета искомых коэффициентов преобразования калибруемых датчиков принимает вид

г

(9)

1

Данный алгоритм определения коэффициентов преобразования можно применить для калибровки любого количества датчиков различных физических величин и определения неоднородности их полей.

Методика алгоритмического исключения влияния неоднородности теплового поля реализована в теплометрической установке УТСт. Рабочая среда, в которой размещаются калибруемые датчики, имеет ячеистую структуру и обладает теплопроводностью, близкой к теплопроводности датчиков. Согласно рассмотренной методике, датчики дважды перемещают в новые ячейки, относительно исходного места расположения. По формулам (7) и (9) вычисляют искомые коэффициенты преобразования.

Методика исследована на калибровочной установке, представленной на рисунке 4.

№ ПК ТМ-12 | 1 и / 1 / . 1

ТМ-4 Регулятор МХ т! ■ ! 1

Регулятор МН ------------

Регулятор МАЭ ! И

1

Рисунок 4 - Схема калибровочной установки УТСт

Установка состоит из блока управления БУ 1 и теплометрического блока 2. Блок управления предназначен для регулирования теплового режима, сбора из-

6626532

мерительной информации, её обработки и регистрации. Теплометрический блок предназначен для создания стационарного теплового потока, необходимого для калибровки датчиков. Тепловой поток в рабочей среде 3 создается разностью температур нагревателя 4 и холодильника 5.

Датчики б расположены в ячейках рабочей среды. Установка позволяет калибровать ДТП в диапазоне от 10 Вт/м2 до 1 ООО Вт/м2 при температуре от 20 °С до 50 °С.

Такая методика позволяет не только проводить одновременную калибровку большого количества датчиков в условиях неоднородного теплового поля, но и, несмотря на необходимость, дважды перемещать датчики, существенно сократить её продолжительность по сравнению с калибровкой в рассмотренных выше установках.

Для калибровки датчиков, имеющих вариацию толщины, был предложен вариант кондуктивного метода с последовательно-параллельным расположением датчиков относительно распространения теплового потока. Такой вариант метода поясняет схема, представленная на рисунке 5.

^дтЩЩп^ дтгоШш5|р

дтпоЦуЦ дтш[Ш1] ДТП4Н ДТЛ6[[?

а) 6)

Рисунок 5 - Последовательно-параллельное по потоку расположение датчиков: а) исходное положение; б) поворот кассеты

Измерительная ячейка теплового блока состоит из двух кассет - верхней 1 и нижней 2. Они имеют форму дисков с круговыми отверстиями для размещения эталонного ДТПО и калибруемых ДТП1 - ДТП9 датчиков. Кассеты

разделены двумя тонкими плоскими дисками 3 из жёсткого материала с низкой теплопроводностью. Диски обеспечивают взаимный поворот кассет, при котором их отверстия совпадают. При этом датчики располагаются напротив друг друга. Тепловой поток устанавливают путём задания и поддержания постоянной разности температуры между нагревателем 5 и холодильником 4. Различие толщины датчиков компенсируется деформацией прокладок 6 из мягкого упругого материала. Принцип действия установки, реализующей такой вариант кондуктивного метода, основан на сличении показаний пар калибруемых и эталонного датчиков, расположенных друг над другом, при их перемещении в неоднородном тепловом поле. Получаемый при этом массив измерительной информации позволяет найти коэффициенты преобразования калибруемых датчиков. Согласно такой методике, сначала измеряют сигналы каждой пары датчиков в их исходном положении (рисунок 5, а). Затем путём поворота одной из кассет датчики смещают на одну ячейку (рисунок 5, б) и снова измеряют их сигналы.

Формируемый установкой тепловой поток, проходящий через датчики в исходном и последующем положениях, не одинаков, так как демпфер по-разному сжимается над и под каждой парой датчиков из-за различия их толщины. Однако при этом каждый датчик в паре пронизывает тепловой поток одинаковой плотности. Это позволяет определить отношение коэффициентов преобразования по сигналам датчиков:

где i (ie [1...л]) -условный номер датчика, п- количество датчиков.

Зная отношения коэффициентов преобразования калибруемых датчиков, можно составить цепочку передачи единицы плотности теплового потока ДТП0-»ДТП1-»ДТП2—>ДТПЗ—>ДТП4—>ДТП5—»ДТПб^ДГП7—>ДТП8—>ДТП9.

Из условия равенства плотности тепловых потоков в сопрягаемых датчиках в исходном и последующем положениях следует формула для расчета коэффициента ¡-го датчика:

где / - условный номер датчика.

Данный метод реализован в теплометрической установке РТУ, представленной на рисунке 6. Тепловой поток в теплометрической установке формируется между нагревателем 1 и холодильником 2. Нагрев и охлаждение осуществляются батареями Пельтье 3. Регулировка температуры осуществляется датчиками температуры 4. Сигнал датчиков поступает на вход измерителя температуры ТМ-4. Калибруемые датчики располагают в верхней 5 и нижней 6 кассетах. Кассеты прижимают друг к другу с помощью газлифтов 7. Сигнал датчиков поступает на вход измерителя напряжений ТМ-12. Полученная измерительная информация поступает в ПК. Установка позволяет с высокой производительностью и точностью определять коэффициенты преобразования калибруемых датчиков.

Рисунок 6 - Схема установки с последовательно-параллельным расположением датчиков

В третьем разделе выполнен анализ источников погрешностей описанных установок и представлены их метрологические характеристики.

Основными источниками погрешности измерений теплометрической установки БТС является погрешность эталонного датчика 53= 1,5 %, неоднородность теплового поля: для зоны рабочей камеры размером 150 x 150 мм д„ = 0,6 %, для зоны 300 х 300 мм <5„ = 2,2 %, нестабильность плотности теплового потока дт = 0,25 %, погрешность измерений напряжения 5С = 0,5 %. Относительная погрешность определения коэффициента преобразования, в соответствии с формулой

составит: для зоны рабочей камеры 150 х 150 мм 8К = 1,9 %, для зоны рабочей камеры 300 х 300 мм SK= 3,0 %.

Исследования установки УТСт показали, что погрешность определения коэффициентов преобразования после исключения влияния неоднородности обусловлена, главным образом, непостоянством теплового контакта датчиков с рабочей средой. Среднее квадратическое отклонение значений коэффициентов преобразования датчиков одинаковой толщины (1,85 мм), полученных при их перезагрузке в десяти опытах, составляет около 0,1 %. Поэтому причиной погрешности оказалась вариация толщины датчиков (2,0 ± 0,2) мм. Для подтверждения этого проведена калибровка датчика толщиной 1,81 мм с известным заранее коэффициентом преобразования. Для уравнивания его толщины с толщиной эталонного датчика (1,85 мм) использовались алюминиевые диски толщиной 0,015 мм.

При суммарной толщине датчика и двух дисков, равной 1,84 мм, наиболее близкой к толщине эталонного датчика, достигается наименьшая погрешность, равная 0,4 % (с одним диском - 1,5 %, без дисков - 5,2 %). Относительная погрешность 6к определения коэффициента преобразования не превышает 2 % и рассчитывается в соответствии с формулой

(12)

где дэ = 1,5 % - погрешность коэффициента преобразования эталонного датчика,

д„„ = 0,25 % - нестабильность плотности теплового потока,

6С = 0,5 % - погрешность измерений напряжения.

Погрешность определения коэффициента преобразования в установке РТУ обусловлена последовательной передачей единицы плотности теплового потока по цепочке калибруемых датчиков. Для выявления влияния ячеек на точность определения коэффициентов преобразования датчики трижды перезагружали в разные ячейки и в каждой из них определяли их коэффициенты преобразования. Эксперимент был спланирован таким образом, чтобы одновременно определить значение методической погрешности, обусловленной возможным накоплением погрешности при передаче единицы по цепочке от эталонного датчика калибруемым. Для этого один из датчиков располагали в начале цепочки передачи единицы (ячейка 1) и в её конце (ячейка 9). Расхождения коэффициентов преобразования, полученные как для этого датчика, так и для остальных, не превышают 1,5 %. Для оценки случайной погрешности проведено определение коэффициента преобразования датчиков в десяти опытах. Среднее квадратиче-ское отклонение результата составило около 0,8 %. Относительная погрешность 5¡с определения коэффициента преобразования в соответствии с формулой (13) при погрешности коэффициента преобразования эталонного датчика 5Э = 1,5 %, нестабильности плотности теплового потока дн„ = 0,25 %, погрешности измерений напряжения 5С = 0,5 % составляет менее 2 %.

Таким образом, массив измерительной информации, полученный при калибровке кондуктивным методом с последовательно-параллельным размещением датчиков, позволяет с достаточно высокой точностью и производительностью определять их коэффициенты преобразования.

Метрологические характеристики созданных калибровочных установок представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Метрологические характеристики калибровочных установок

Характеристики Установка БТС Установка УТСт Установка РТУ

Диапазон плотности теплового потока от 1 до 200 Вт/м2 от 10 до 1 000 Вт/м2 от 10 до 1 000 Вт/м2

Относительная погрешность определения коэффициента преобразования для двух размеров рабочих зон 150 х150 300 X 300 не более 2 % не более 2 %

не более 2% не более 3%

Температура калибровки датчиков от 20 °С до 200 •С от 20 °С до 50 °С при 20 °С

Габариты калибруемых датчиков до 300 х 300 х 10 мм 27 мм (1,8±0,1) мм 27 мм (2,0±0,2) мм

Время выхода теплометрического блока на стационарный режим 480 мин 50 мин 50 мин

Время выхода теплометрического блока на стационарный режим после перемонтажа датчиков 30 мин 30 мин 15 мин

Нестабильность поддержания заданной плотности теплового потока 0,25 % в мин 0,25 % в мин 0,25 % в мин

Относительная погрешность измерения напряжения в диапазоне от 0,2 мВ до 50 мВ 0,5 % 0,5 % 0,5 %

Количество калибруемых датчиков диаметром 27 мм 16 10 9

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении приведены основные результаты работы:

- по результатам анализа состояния метрологического обеспечения тепло-метрии с учётом требований новой поверочной схемы выявлена необходимость создания новых средств передачи единицы плотности теплового потока, обеспечивающих массовую калибровку датчиков в диапазоне от 10 до 1 ООО Вт/м2 с погрешностью от 2 до 3 %;

- исследована и подтверждена возможность использования термомагнитного эффекта Нернста - Этгингсгаузена в полупроводниковых КРТ-структурах для калибровки датчиков теплового потока повышенной точности кондуктив-ным методом;

- разработан и реализован в виде калибровочной установки новый вариант кондуктивного метода, основанный на большом тепловом сопротивлении рабо-

чей среды теплометрического блока, позволяющий решить задачу одновременной калибровки датчиков разных форм и размеров;

- разработан и исследован новый вариант кондуктивной калибровки датчиков теплового потока с последовательно-параллельным расположением датчиков относительно распространения теплового потока, обеспечивающий массовую калибровку однотипных датчиков при выпуске их из производства и при эксплуатации;

- предложена, теоретически обоснована и экспериментально исследована и внедрена методика алгоритмического исключения влияния неоднородности теплового поля на результаты калибровки датчиков теплового потока;

- на основании экспериментальных исследований определены метрологические характеристики созданных методов и средств калибровки, подтверждающие их соответствие требованиям новой поверочной схемы.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Троценко, Д. П. Разработка и исследование новых методов и эталонных средств метрологического обеспечения теплометрии / Д. П. Троценко, Н. А Виха-рева, В. Я. Черепанов, В. А. Ямшанов и др. // Приборы. - 2012. -№ 10. - С. 1-8.

2 Троценко, Д. П. Кондуктивный метод и средства массовой калибровки датчиков теплового потока / Д. П. Троценко, В. Я. Черепанов, В. А. Ямшанов // Приборы. - 2013. - № 8. - С. 53-56.

3 Троценко, Д. П. Калибровка датчиков теплового потока в неоднородном тепловом поле/ Д. П. Троценко, В. Я. Черепанов, В. А. Ямшанов // Научный вестник НГТУ. - 2013. - № 3 (52). - С. 189-194.

4 Курбатова, Н. А. Методика калибровки тепловых излучателей для определения характеристик оптико-электронных приборов / Н. А. Курбатова, Д. П. Тро-

ценко // Сборник трудов VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. - СПб: ЛИТМО, 2009. - Вып. 3. - С. 254-259.

5 Курбатова, Н. А. Измерительная установка для исследований температурных и тепловых полей полости модели АЧТ / Н. А. Курбатова, Д. П. Троценко, В. Я. Черепанов // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр.: сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 5, ч.2.-С. 118-120.

6 Курбатова, Н. А. Разработка новых методов и средств метрологического обеспечения теплометрии / Н. А. Курбатова, Д. П. Троценко, В. Я. Черепанов и др.//Промышленнаятеплотехника.-2011.-Т.ЗЗ (№7).-С. 128.

7 Троценко, Д. П. Исключение влияния неоднородности теплового поля при калибровке датчиков теплового потока / Д. П. Троценко // Вестник СГГА. -2012. - Вып. 3 (19).-С. 124-128.

8 Троценко, Д. П. Кондуктивный компаратор для поверки датчиков теплового потока / Д. П. Троценко, Д. О. Пряшин, В. Я. Черепанов // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 2. - С. 124-129.

9 Троценко, Д. П. Перспективы использования термомагнитных явлений для воспроизведения и передачи единицы плотности теплового потока / Д. П. Троценко, В. Я. Черепанов, В. А. Ямшанов // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр.: сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 2. - С. 242-246.

10 Троценко, Д. П. Опыт применения методики калибровки датчиков теплового потока в условиях неоднородности теплового поля / Д. П. Троценко, В. Я. Черепанов, В. А. Ямшанов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2. - С. 57-61.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

(ФГБОУ ВПО «СГГА»)

На правах рукописи

04201361813

Троценко Дмитрий Петрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОНДУКТИВНЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПЕРЕДАЧИ ЕДИНИЦЫ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

05.11.15 «Метрология и метрологическое обеспечение»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-доктор технических наук Черепанов Виктор Яковлевич

Новосибирск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1 СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ.................................................10

МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОМЕТРИИ.............................10

1.1 Средства измерений теплового потока.............................................................10

1.1.1 Первичные преобразователи и приборы для измерений плотности теплового потока.......................................................................................................10

1.1.2 Исследование возможности создания датчиков теплового потока

на основе кремния.....................................................................................................26

1.2 Обеспечение единства измерений поверхностной плотности теплового потока..........................................................................................................................29

1.2.1 Государственная поверочная схема для средств измерений

плотности теплового потока.....................................................................................32

1.2.2 Государственный первичный эталон единицы поверхностной плотности теплового потока.....................................................................................34

1.2.3 Методы передачи единицы плотности теплового потока............................35

1.3 Задачи в области развития метрологического обеспечения теплометрии................................................................................................................45

2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОНДУКТИВНЫХ

МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КАЛИБРОВКИ...............................................................47

2.1 Перспективы метрологического обеспечения теплометрии...........................47

2.1.1 Актуальность поиска новых методов и средств передачи единицы плотности теплового потока.....................................................................................47

2.1.2 Исследование возможности использования термомагнитных

эффектов для калибровки средств измерений теплового потока.........................48

2.2. Универсальная теплометрическая установка БТС..........................................57

2.2.1 Метод и теплометрическая установка на основе использования большого теплового сопротивления........................................................................57

2.2.2 Исследования неоднородности теплового поля установки.........................62

2.2.3 Применение установки БТС для определения теплового

сопротивления теплоизоляционных материалов и их теплопроводности..........66

2.3 Кондуктивный метод и установка УТСт с параллельным по тепловому

потоку расположением калибруемых датчиков.....................................................69

2.3.1 Выбор рабочей среды теплометрического блока установки.......................69

2.3.2 Описание установки УТСт..............................................................................71

2.3.3 Методика алгоритмического исключения влияния неоднородности

теплового поля...........................................................................................................75

2.4 Метод и установка РТУ с последовательно-параллельным по тепловому потоку расположением калибруемых датчиков....................................................81

2.4.1 Метод последовательно-параллельного расположения датчиков относительно распространения теплового потока.................................................81

2.4.2 Теплометрическая установка РТУ..................................................................84

3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СОЗДАННЫХ СРЕДСТВ ПЕРЕДАЧИ ЕДИНИЦЫ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА............................................................................................88

3.1 Исследование метрологических характеристик теплометрической установки БТС............................................................................................................88

3.1.1 Источники и оценка погрешностей определения коэффициентов преобразования калибруемых датчиков..................................................................88

3.1.2 Исследование погрешностей установки БТС при измерениях теплового сопротивления и теплопроводности.....................................................94

3.2 Исследование метрологических характеристик теплометрической установки УТСт.......................................................................................................100

3.2.1 Оценка влияния методических погрешностей на результаты калибровки датчиков в установке УТСт...............................................................100

3.2.2 Погрешность определения коэффициентов преобразования калибруемых датчиков............................................................................................105

3.3 Исследование метрологических характеристик теплометрической установки РТУ..........................................................................................................109

3.3.1 Методические погрешности калибровки датчиков в установке РТУ.......109

3.3.2 Источники погрешностей определения коэффициентов

преобразования калибруемых датчиков в установке РТУ..................................110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................114

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Все явления и процессы в природе представляют собой различные формы движения материи. Каждое тело, как форма существования материи, обладает определенным запасом внутренней энергии, определяющей то или иное фазовое состояние тела и его температуру. Своей энергией тело обменивается с окружающими его телами, имеющими другую температуру. Этот процесс называют теплообменом.

Теплообмен является одним из важнейших и глобальных процессов в природе. Количественно теплообмен характеризуют тепловым потоком. Тепловой поток - это количество теплоты (энергии), передаваемой через изотермическую поверхность в единицу времени.

При решении различных технических задач часто возникает необходимость сравнения интенсивности тепловых потоков, пронизывающих поверхности объектов, имеющих разные площади. Для этого используют понятие поверхностная плотность теплового потока.

Степень разработанности проблемы.

Вид измерений, связанный с определением теплового потока и его поверхностной плотности, принято называть теплометрией. Технической основой тепло-метрии являются измерительные преобразователи (датчики) теплового потока, которые преобразуют измеряемую плотность теплового потока в электрический сигнал.

Датчики теплового потока широко используют при изучении тепловых процессов в теплоэнергетике, в авиационной и ракетно-космической технике, в геофизике и медицине.

Первыми научными центрами в области теплометрии были Институт технической теплофизики (ИТТФ) академии наук Украины (г. Киев), Харьковский авиационный институт, Институт измерительной техники (г. Королёв), Институт холодильной промышленности и специализированное конструкторское бюро теп-

лофизического приборостроения (г. Санкт-Петербург), конструкторское бюро «Фотон» (г. Тернополь), Сухумский физико-технический институт.

В 1979 г. в Сибирском государственном НИИ метрологии (СНИИМ) совместно с Институтом технической теплофизики начались работы, направленные на создание основ метрологического обеспечения теплометрии. В результате этих работ в 1988 г. была создана установка высшей точности УВТ 53-А-88, возглавляющая государственную поверочную схему для средств измерений поверхностной плотности теплового потока (МИ 1855-881) в диапазоне от 10 до 2 ООО Вт/м2.

Основным заказчикам на проведение работ по обеспечению единства измерений теплометрии выступала оборонная промышленность. С 90-х годов интерес этого сегмента промышленности к тепловым измерениям значительно ослаб. В настоящее время тепловые измерения широко используют для определения теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций зданий и сооружений, при проведении испытаний на жаропрочность строительных материалов и проверки безопасности рабочих мест, находящихся вблизи источников нагрева. Таким образом, сейчас тепловые измерения направлены, главным образом, на обеспечение безопасности жизнедеятельности человека и на рациональное использование энергетических ресурсов страны.

Возникший в последние годы рост потребности в измерениях теплового потока привёл к необходимости дальнейшего развития их метрологического обеспечения. В связи с этим в СНИИМ был создан и в 2008 г. утверждён Государственный первичный эталон ГЭТ 172-2008, имеющий повышенные по сравнению с УВТ 53-А-88 показатели точности, а также расширенные диапазоны воспроизводимых значений единицы плотности теплового потока и температуры.

1 МИ 1855-88 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне 10-2 000 Вт/м2. - М.: Изд-во стандартов, 1988.

2 ГОСТ Р 8. 749-2012. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне от 1 до 10 000 Вт/м2. - М.: Стандар-тинформ, 2012.

В этом году введён в действие ГОСТ Р 8. 749-20122, являющийся нормативной основой метрологического обеспечения теплометрии в РФ.

Внедрение эталона ГЭТ 172-2008 и введение в действие этого стандарта предусматривают наличие соответствующих средств от первичного эталона вторичным эталонам, а от них - различным средствам теплометрии.

В связи с этим актуальной является общая задача создания современных средств передачи единицы плотности теплового потока, обеспечивающих калибровку, в том числе массовую, средств теплометрии при выпуске их из производства и при эксплуатации. Выполненные разработки и исследования направлены на решение этой актуальной задачи.

Цель научного исследования - совершенствование метрологического обеспечения измерений плотности теплового потока на основе создания кондуктивных методов и средств калибровки.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие частные задачи:

- провести анализ состояния метрологического обеспечения теплометрии и по его результатам сформулировать требования к новым методам и средствам передачи единицы плотности теплового потока;

- на основе теоретического обоснования разработать современные методы и средства передачи единицы;

- создать калибровочные установки, реализующие разработанные методы;

-экспериментально исследовать разработанные методы и созданные средства

калибровки и определить их метрологические характеристики.

Объектом исследования является метрологическое обеспечение измерений плотности теплового потока.

Предметом исследования являются кондуктивные методы и средства передачи единицы поверхностной плотности теплового потока.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые предложена и исследована возможность использования термомагнитного эффекта Нернста-Эттингсгаузена для калибровки датчиков теплового потока;

- предложен, разработан и исследован метод кондуктивной калибровки датчиков теплового потока, основанный на принципе большого теплового сопротивления рабочей среды теплометрического блока;

- предложена, теоретически обоснована и экспериментально исследована методика алгоритмического исключения влияния неоднородности теплового поля на результаты калибровки датчиков теплового потока;

- предложен и исследован новый вариант кондуктивной калибровки датчиков теплового потока с последовательно-параллельным расположением датчиков относительно распространения теплового потока.

Теоретическая значимость работы.

- выявлено аномально высокое значение коэффициента Нернста КРТ-полупроводниковых структур (кадмий-ртуть-теллур Сс1х]-^1_хТе);

- предложенная методика алгоритмического определения показателя неоднородности теплового поля является основой получения точной измерительной информации о неоднородности других физических полей.

Практическая значимость работы:

- разработанные варианты кондуктивного метода позволяют создавать калибровочные установки, предусмотренные новой государственной поверочной схемой для средств измерений поверхностной плотности теплового потока;

- созданные методы и средства передачи единицы поверхностной плотности теплового потока позволяют обеспечить массовую калибровку средств тепломет-рии при их выпуске из производства и при эксплуатации.

Методы исследования

В работе использовались методы теоретической и прикладной метрологии,

теории теплообмена и теплопроводности, теплофизического и теплотехнического эксперимента.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

- результаты исследований подтвердили возможность применимости термомагнитных явлений к созданию кондуктивных средств передачи единицы плотности теплового потока;

- метод и установка на основе использования рабочей среды с большим тепловым сопротивлением позволяют передавать единицу плотности теплового потока датчикам различных форм и размеров;

- методика калибровки и установка с параллельным по тепловому потоку расположением датчиков, использующие алгоритмическое исключение влияния неоднородности теплового поля, позволяют передавать единицу плотности теплового потока средствам измерений, оснащённых большим количеством однотипных датчиков;

- метод калибровки и установка на основе последовательно-параллельного по тепловому потоку расположения датчиков позволяют передавать единицу плотности теплового потока средствам измерений, оснащённых большим количеством датчиков, идентичных по форме и размеру с эталонным датчиком.

Степень достоверности и апробация результатов исследования

Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на следующих Международных и Всероссийских конгрессах, конференциях и семинарах: VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (г. Санкт-Петербург, ЛИТМО, 2009 г.); V, VI, VII, VIII, IX Международных конгрессах «ГЕО-СИБИРЬ» (г. Новосибирск, СГГА, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.); VIII, IX учебно-методическом семинаре-совещании «Эталонные и рабочие средства измерения в области теплофизики. Энергоаудит» (г. Омск, НЛП «Эталон», 2010, 2011 гг.); II Всероссийской научно-практической конференции «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты» (г. Махачкала, ДГТУ, 2010 г.); IV Всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии «ТЕМПЕР АТУРА-2011» (г. Санкт-Петербург, ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева»); XIII Российской конференции по теплофизическим свойствам

веществ РКТС-13 (г. Новосибирск, ИТФ СО РАН, 2011 г.); VII Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники» (г. Киев, ИТТФ РАН Украины, 2011 г.).

Основные результаты работы внедрены:

- в производственный процесс на предприятиях: ФГУП «Сибирский государственный НИИ метрологии» (г. Новосибирск) - для выполнения метрологических и научно-исследовательских работ в области теплометрии; Научно-производственное предприятие «Эталон» (г. Омск) — при испытаниях и подготовке производства теплометрических установок для поверки датчиков теплового потока;

- в учебный процесс: ГБОУ ВПО СГГА, ГОУ ДПО «Академия стандартизации, метрологии и сертификации (учебная)» (Новосибирский филиал) - при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам «Метрологическое обеспечение теплотехнических измерений», «Приборное и метрологическое обеспечение учёта тепла», «Поверка и калибровка средств теплотехнических измерений».

1 СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОМЕТРИИ

1Л Средства измерений плотности теплового потока

1ЛЛ Первичные преобразователи и приборы для измерений плотности

теплового потока

Для количественного определения тепловых потерь различных теплоэнергетических объектов все большее распространение получают измерения плотности теплового потока на их поверхностях. Для этих измерений используют контактные преобразователи теплового потока типа «вспомогательной стенки» [11, 23, 30].

Принцип действия этих преобразователей заключается в формировании электрического сигнала Е, пропорционального разности температур ЛТ, создаваемой измеряемым тепловым потоком плотностью q на некотором постоянном термическом сопротивлении, имеющим обычно форму пластины (стенки). Преобразователи содержат тепловое сопротивление 1, представляющее собой слой материала (рисунок 1) толщиной И с теплопроводностью А, на поверхностях которого размещены датчики 2 температуры, чаще всего, спаи дифференциальных термоэлектрических преобразователей. Дифференциальный термоэлектрический преобразователь представляет собой систему двух термопар, которые соединены последовательно и имеют ТЭДС разной полярности. Контактные пластины 3 обеспечивают необходимый тепловой контакт с поверхностью объекта и защищают чувствительный элемент дифференциального датчи