Разработка и исследование радиационно-конвективного метода и установки эталонного назначения для поверки датчиков теплового потока

На правах рукописи

Курбатова Надежда Анатольевна РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО МЕТОДА И УСТАНОВКИ ЭТАЛОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ ПОВЕРКИ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА 05.11.15 – «Метрология и метрологическое обеспечение»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезиче ская академия».

Научный руководитель – доктор технических наук, заслуженный метролог РФ Черепанов Виктор Яковлевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Алейников Александр Федорович;

кандидат технических наук Бродников Александр Федорович.

Ведущая организация – ОАО «Научно-производственное предпри ятие «Эталон» (г. Омск).

Защита состоится 15 декабря 2011 г. в 15-00 час. на заседании диссертаци онного совета ДМ.212.251.01 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахот ного, д. 10, ауд. 403.

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

Автореферат разослан 11 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Симонова Г.В.

Изд. лиц. № ЛР 020461 от 04.03.1997.

Подписано в печать 08.11.2011. Формат 6084 1/16.

Усл. печ. л. 1,27. Тираж 100.

Печать цифровая. Заказ Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 10.

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Тепловой поток является физической величиной, характеризующей процесс теплообмена между телами и объектами, имеющими разную температуру, и одним из глобальных параметров всех про текающих в природе тепловых процессов и явлений. Поэтому измерения и кон троль теплового потока представляют интерес для многих отраслей науки, тех ники и промышленности и, прежде всего, для решения вопросов рационального использования теплоэнергетических ресурсов. Повышение точности измерений этой физической величины позволяет решать вопросы энергосбережения за счет получения достоверных данных об источниках тепловых потерь и их ко личественных значений.

В качестве примера необходимости использования для этих целей средств измерений теплового потока можно привести стандарты ИСО 8301:1991 «Тепло изоляция. Определение термического сопротивления и связанных с ними тепло физических показателей. Прибор, оснащенный тепломером» и ГОСТ 7076- «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления». Эти документы предусматривают реализацию методов, основанных на использовании контактных датчиков теплового потока (тепломеров) в качестве средств измерений при определении теплозащитных свойств ограждающих конструкций зданий и сооружений.

Для определения интенсивности теплообмена принято использовать отно шение значения теплового потока, проходящего по нормали к поверхности теп лообмена, к площади этой поверхности. Эту величину называют поверхностной плотностью теплового потока.

Вид измерений, связанных с определением теплового потока и его поверх ностной плотности, принято называть теплометрией. Технической основой теп лометрии являются преобразователи (датчики) теплового потока, которые пре образуют измеряемую плотность теплового потока в электрический сигнал.

Основоположниками теплометрии являются известные ученые теплофизики и метрологи: Геращенко О.А., Федоров В.Г., Грищенко Т.Г. (Институт техниче ской теплофизики НАН Украины, г. Киев), Дульнев Г.Н., Ярышев Н.А., Пили пенко Н.В. (ЛИТМО, г. Санкт-Петербург), Платунов Е.С., Буравой С.Е., Куре пин В.В. (ЛИХП, г. Санкт-Петербург), Олейник Б.Н., Сергеев О.А. (ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, г. Санкт-Петербург), Ковач Т. (ОМХ, Венгрия).

Работы по созданию средств метрологического обеспечения теплометрии начались в СНИИМ в 1979 г., прежде всего, по запросам предприятий оборон ной промышленности. В результате этих работ в 1988 г. была создана установка высшей точности УВТ 53-А-88, возглавляющая государственную повероч ную схему для средств измерений поверхностной плотности теплового пото ка (МИ 1855-88) в диапазоне от 10 до 2 000 Вт/м2. В последующие годы был также разработан ряд образцовых (эталонных) средств поверки датчиков тепло вого потока и теплометрических приборов.

Возрастание в последние годы требований к расширению диапазона и точ ности измерений теплового потока продиктовано, прежде всего, актуализацией вопросов энергосбережения как общемировой проблемы и принятием в России законов об энергосбережении. Кроме того, необходимость измерений тепловых потоков в хозяйственном комплексе является фактором, влияющим на качество многих технологических процессов и дающим объективную информацию, в ча стности, о безопасности теплоэнергетических объектов. Это привело к более широкому распространению и применению средств теплометрии, а также к не обходимости повышения их точности и расширения диапазона измерений, а, следовательно, и уровня их метрологического обеспечения.

В связи с этим в 2008 г. был утвержден разработанный в СНИИМ Государ ственный первичный эталон ГЭТ 172–2008 единицы поверхностной плотности теплового потока для диапазона значений от 10 до 5 000 Вт/м2 и одобрена соот ветствующая государственная поверочная схема, которая находится в стадии ут верждения. Поверочная схема предусматривает расширение от 1 до 10 000 Вт/м диапазона воспроизведения и передачи единицы, а также наличие соответст вующих эталонных установок, обеспечивающих единство измерений в этом диапазоне.

В связи с этим актуальной является разработка метода и реализующей его установки эталонного назначения, которая обеспечивает поверку средств теп лометрии в расширенном диапазоне при высоких значениях плотности тепло вого потока.

Цель научного исследования – совершенствование системы обеспечения единства и требуемой точности измерений поверхностной плотности теплового потока.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

– на основе анализа существующих методов и эталонных средств метроло гического обеспечения теплометрии выбрать наиболее перспективный метод воспроизведения и передачи единицы поверхностной плотности теплового по тока в область ее высоких значений;

– провести теоретические и экспериментальные исследования выбранного метода формирования теплового потока заданной плотности;

– создать измерительную установку эталонного назначения, реализующую предложенный метод, и исследовать ее метрологические характеристики;

– оценить предельные точностные возможности исследованного метода, в частности, для уточнения константы Больцмана.

Объектом исследования являются методы и эталонные средства воспроиз ведения и передачи единицы поверхностной плотности теплового потока.

Методы исследования В работе использовались методы теории теплообмена и теплопроводно сти, методы калориметрии, теплофизического и теплотехнического экспери мента, теоретической и прикладной метрологии.

Научная новизна работы заключается в следующем:

– предложен и разработан новый радиационно-конвективный метод вос произведения и передачи единицы поверхностной плотности теплового потока на основе адиабатического излучателя;

– впервые предложена, разработана и исследована теплометрическая уста новка эталонного назначения, реализующая этот метод;

– предложен и реализован способ определения температурной зависимости коэффициента преобразования датчиков теплового потока;

– предложен и реализован метод непосредственного сличения поверяемого и эталонного датчиков теплового потока радиационно-конвективным методом при их последовательном расположении относительно теплового потока;

– впервые предложено использовать радиационно-калориметрический ме тод на основе адиабатического излучателя для уточнения константы Больцмана.

Практическая значимость исследования:

– разработанный метод является основой для создания эталонных тепло метрических установок, предусмотренных новой государственной поверочной схемой для средств измерений плотности теплового потока;

– разработанный радиационно-конвективный метод и теплометрическая установка позволяют приблизить условия поверки датчиков теплового потока к условиям их эксплуатации, в частности, в условиях атмосферы, а также дают возможность определять температурную зависимость коэффициента преобра зования датчиков в широком диапазоне температур;

– на основе предложенного радиационно-калориметрического метода по является альтернативная возможность уточнения константы Больцмана и зна чений реперных точек температурной шкалы.

Основные результаты работы внедрены в производственный процесс: «На учно-производственного предприятия «Эталон» (г. Омск) – при подготовке производства теплометрических установок для поверки датчиков теплового пото ка;

ФГУП «Сибирский государственный НИИ метрологии» (г. Новосибирск) – для выполнения метрологических и научно-исследовательских работ в области теплометрии, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Сибирская государст венная геодезическая академия» (г. Новосибирск) и ГОУ ДПО «Академия мет рологии, стандартизации и сертификации (учебная)» (Новосибирский филиал) – по дисциплинам «Метрологическое обеспечение теплотехнических измерений» и «Приборное и метрологическое обеспечение учета тепла».

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

– радиационно-конвективный метод и теплометрическая установка эта лонного назначения на основе адиабатического излучателя позволяют воспро изводить и передавать единицу поверхностной плотности теплового потока в область высоких значений и определять температурную зависимость коэффи циента преобразования датчиков;

– новый вариант радиационно-конвективного метода позволяет осущест вить непосредственное сличение датчиков теплового потока;

– радиационно-калориметрический метод на основе адиабатического излу чателя позволяет уточнить константу Больцмана.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на следующих Международных и Всероссий ских конгрессах, конференциях и семинарах: VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (г. Санкт-Петербург, ЛИТМО, 2009 г.);

V, VI, VII Международных конгрессах «ГЕО-СИБИРЬ» (г. Новосибирск, СГГА, 2009, 2010, 2011 гг.);

VIII учебно-методическом семинаре-совещании «Эталонные и рабочие средства измерения в области теплофизики. Энергоаудит» (г. Омск, НПП «Эталон», 2010 г.);

заседании технического комитета по метрологии «Температурные, теплофизические и дилатометрические измерения» при Управлении метрологии Росстандарта и комиссии при научном Совете РАН по комплексной проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» (г. Обнинск, 2010 г.);

Х международной конференции «Актуальные проблемы электронного прибо ростроения» (г. Новосибирск, НГТУ, 2010 г.);

Международных молодежных инновационных форумах «ИНТЕРРА-2010», «ИНТЕРРА-2011» (г. Новоси бирск, СГГА);

I Межотраслевой конференции по проблемам новых технологий (г. Миасс, 2010 г.);

II Всероссийской научно-практической конференции «Сис темы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты» (г. Махачкала, ДГТУ, 2010 г.);

IV Всероссийской конференции по проблемам термометрии «ТЕМПЕРАТУРА-2011» (г. Санкт Петербург, ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева»);

XIII Российской конферен ции по теплофизическим свойствам веществ РКТС–13 (г. Новосибирск, ИТФ СО РАН, 2011 г.);

VII Международной конференции «Проблемы промышлен ной теплотехники» (г. Киев, ИТТФ РАН Украины, 2011 г.).

Публикации По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них две статьи опубликованы в изданиях, определенных в Перечне ВАК Минобрнауки РФ, и одна статья – в зарубежном издании «Measurement Techniques» журнала «Из мерительная техника».

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и биб лиографического списка. Содержание работы изложено на 121 страницах. Ра бота содержит 35 рисунков и 17 таблиц. Библиографический список включает 51 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первом разделе приведен обзор и анализ современных методов и средств измерений поверхностной плотности теплового потока и их метрологического обеспечения.

Подробно рассмотрены средства измерений теплового потока и их исполь зование в различных сферах человеческой деятельности. Основой этих измере ний являются контактные накладные первичные измерительные преобразовате ли (датчики) теплового потока. Принцип действия этих датчиков, имеющих обычно форму пластин, заключается в формировании электрического сигнала Е, пропорционального разности температур Т, создаваемой измеряемым тепло вым потоком плотностью q на некотором постоянном термическом сопротив лении. Датчики содержат чувствительный элемент, представляющий собой слой материала 1 (рисунок 1) толщиной h с теплопроводностью, на поверхно стях которого размещены датчики температуры 2, чаще всего, спаи дифферен циальных термоэлектрических преобразователей. Контактные пластины обеспечивают необходимый тепловой контакт с поверхностью объекта и за щищают чувствительный элемент от внешних воздействий.

E q Т h 1 1 – чувствительный элемент, 2 – дифференциальный датчик температуры, 3 – контактные пластины Рисунок 1 – Устройство датчика теплового потока В СССР и России наибольшее распространение получили гальванические термоэлектрические датчики, разработанные Институтом технической тепло физики НАН Украины, представляющие собой многоспайную (до 1 000 спаев) биметаллическую термобатарею, свернутую в плоскую спираль и расположен ную в материале из диэлектрика. В настоящее время технологию промышлен ного производства контактных тепломеров осваивает НПП «Эталон» (г.Омск).

Эти датчики широко используются при изучении тепловых процессов, прежде всего, в теплоэнергетике, а также в авиационной и ракетно-космической технике, в геофизике и медицине. Коэффициенты преобразования датчиков обычно имеют значения от 1 до 100 Вт/(м2мВ). Размеры и формы датчиков различны. Они бывают круглой, квадратной или прямоугольной формы с ха рактерными размерами от 10 до 330 мм и толщиной от 0,5 до 15 мм. Диапазон измеряемой плотности теплового потока – от 1 до 10 000 Вт/ м2 при температу ре от –200 до 650 С.

Основной характеристикой датчиков является коэффициент преобразова ния К, устанавливающий связь между плотностью q теплового потока, прохо дящего через датчик, и его электрическим сигналом (термоЭДС) Е:

К q E, Вт/(м мВ). (1) Для установления этой связи используют поверочные теплометрические установки.

В работе рассмотрены достоинства и недостатки существующих датчиков, направления их совершенствования в зависимости от диапазонов измеряемых значений плотности теплового потока и температуры, а также от условий их применения на объектах измерений.

Показано, что для снижения методической погрешности измерений усло вия теплообмена датчиков при их эксплуатации и поверке должны быть близ кими. Для оценки погрешности в условиях эксплуатации, помимо коэффициен та преобразования, необходимо знание таких его свойств, как тепловое сопро тивление, коэффициент черноты, теплоемкость, температурный коэффициент линейного расширения и площадь контактной поверхности.

Технической основой метрологического обеспечения средств теплометрии в настоящее время является Государственный первичный эталон единицы по верхностной плотности теплового потока ГЭТ 172–2008, обеспечивающий ее воспроизведение и передачу в диапазоне от 10 до 5 000 Вт/м2 при значениях температуры от 200 до 420 К. Этот эталон заменил действующую с 1988 г. ус тановку высшей точности УВТ 53-А-88 и соответствующую государственную поверочную схему МИ 1855-88, которые обеспечивали единство измерений в диапазоне от 10 до 2 000 Вт/м2 при температуре от 200 до 400 К.

Согласно поверочной схеме МИ 1855-88 передача единицы плотности теп лового потока осуществляется методом непосредственного сличения, который реализуется с помощью кондуктивного, конвективного и радиационного ком параторов. Наибольшее распространение получили кондуктивные и радиаци онные компараторы, основанные на сравнении показаний поверяемого и эталон ного датчиков при воздействии на них теплового потока одинаковой плотности.

Достоинством кондуктивных компараторов является простота конструк ции теплового блока, главными элементами которого являются нагреватель и холодильник. Недостатком таких компараторов является погрешность, возни кающая при поверке датчиков, отличающихся по форме и размерам от эталон ного. Для оценки этой погрешности при выполнении работы были проведены исследования трех различных вариантов кондуктивного метода для датчиков, имеющих разные диаметры.

Первый вариант метода заключался в использовании кондуктивного ком паратора КТМ -01, в котором тепловой поток создается за счет разности темпе ратур нагревателя и холодильника, между которыми помещены в виде «сэн двича» оба датчика последовательно по отношению к тепловому потоку, про ходящему через них.

Второй метод определения коэффициента преобразования основан на ис пользовании адиабатического нагревателя, расположенного между датчиками.

Третий вариант метода основан на параллельном относительно теплового потока расположении датчиков.

Результаты сравнительных исследований показывают, что при передаче единицы плотности теплового потока от эталонного датчика к поверяемому, имеющему бльший размер, результаты методов с использованием адиабатиче ского нагревателя и параллельного теплового потока совпадают в пределах 2 % и расходятся с первым более, чем на 20 %. Это показывает, что два данных ме тода поверки датчиков различных форм и размеров являются наиболее точными.

К достоинствам радиационного компаратора следует отнести то, что он позволяет осуществлять поверку датчиков в условиях, наиболее близких к ре альным условиям их эксплуатации. К их недостаткам относятся погрешности, обусловленные неидентичностью геометрии и свойств поверяемых и эталонно го датчиков, приводящие к неодинаковости взаимодействия радиационного те плового потока с их поверхностью. Кроме того, для осуществления такого спо соба необходим эталонный датчик высокой точности. При использовании абсо лютного радиационного метода, основанного на законе Стефана-Больцмана, не требуется эталонный датчик, но необходимо знание коэффициента черноты из лучателя и наличие вакуума.

Поэтому актуальной является задача создания тепловых излучателей с из меряемым значением создаваемого ими теплового потока, позволяющих прово дить поверку датчиков методом прямых измерений не только в вакууме, но и в условиях атмосферы при наличии конвективного теплообмена. При выполне ния данной работы было предложено создать такие излучатели на основе адиа батических измерительных технологий, используемых в калориметрии.

Находящаяся на утверждении новая поверочная схема предусматривает расширенный по сравнению с первичным эталоном диапазон воспроизводимых и передаваемых значений плотности теплового потока (рисунок 2).

q, Вт/м Т, К 200 300 - УВТ 53-А-88;

- ГЭТ 172–2008;

- новая поверочная схема Рисунок 2 – Диапазоны значений плотности теплового потока и температуры, воспроизводимые и передаваемые УВТ 53-А-88 (МИ 1855-88), ГЭТ 172-2008 и новой поверочной схемой Такое расширение в область малых значений вызвано потребностью опре деления качества современных теплозащитных конструкций зданий и сооруже ний. Измерения высоких значений плотности теплового потока востребованы на предприятиях атомной энергетики, химической технологии, в ракетострое нии и в других сферах, использующих высокоэнергетические объекты и уста новки. Кроме того, это позволит проводить сличения эталона ГЭТ 172- с эталонами других стран, в частности, с эталоном NIST, у которого нижний предел воспроизводимых значений составляет 10 кВт/м2.

Для «привязки» передаваемых первичным эталоном значений плотности теплового потока в расширенный диапазон необходимо решить задачи по раз работке и исследованию новых методов воспроизведения и передачи ее едини цы, а также по созданию соответствующих эталонных теплометрических уста новок. Данная диссертационная работа посвящена решению этих задач.

Второй раздел посвящен разработке радиационно-конвективного метода воспроизведения и передачи единицы плотности теплового потока. Основой метода является тепловой адиабатический излучатель, формирующий одномер ный тепловой поток заданной плотности.

Адиабатический метод, используемый в калориметрии, основан на тепло вом взаимодействии двух тел – ядра и окружающей его оболочки (рисунок 3).

,, Ро То ТЭ 5 4 1 – ядро с нагревателем, 2 – адиабатическая оболочка с нагревателем, 3 – источник электрической мощности, 4 – измеритель напряжения, 5 – регулятор температуры оболочки, 6 – дифференциальный термопреобразователь Рисунок 3 – Схема адиабатического источника теплового потока Связь между ними обычно характеризуется тепловым потоком Q, интен сивность которого зависит от свойств поверхности тел и разделяющей их среды (теплопроводности, коэффициентов теплоотдачи и черноты ).

Уравнение баланса тепловых потоков в системе ядро – оболочка имеет вид dT o P о ( ) Q ( T o, Т э,,, ) С ( Т о ), (2) d dT где P о ( ) – поток,Тсформированный источником тепла, например, элек o Q ( T o, э,,, ) С ( Т о ) d трическим нагревателем, расположенным в ядре;

Q (ТО, ТЭ,,, ) – тепловой поток, образованный теплообменом между ядром и оболочкой;

С (ТО) – полная теплоемкость ядра;

dTO /d – скорость изменения его температуры.

В адиабатическом методе поток Q сводится к минимуму за счет того, что температура ТЭ адиабатической оболочки поддерживается равной температуре образца ТО путем регулирования мощности нагревателя оболочки.

Остаточный тепловой поток Q между ядром и оболочкой в случае, когда T Tо TЭ 0, является суммой потока Q, обусловленного теплопроводно стью среды между ядром и оболочкой, теплового потока Q, обусловленного конвективной составляющей (в случае газовой среды) и радиационным тепло вым потоком Q (в случае прозрачной среды):

Q = Q + Q + Q. (3) Здесь F, Q TF, Q TF, Q э To Tэ 4 4 (4) d где d – толщина слоя среды;

F – площадь взаимного облучения ядра и оболочки.

Для близких значений ТО и ТЭ тепловое сопротивление среды между ядром и оболочкой R, равное отношению T к плотности теплового потока q = Q /F, имеет вид 4 T 3.

R (5) о d В таблице 1 приведены расчетные значения R для различных вариантов заполнения пространства между ядром и оболочкой.

Таблица 1 – Значения суммарного теплового сопротивления R для различных сред ( = 0 – непрозрачная среда, 0 – вакуум или твердотельная изоляция),, d, R, Среда ТО, К мм Вт/(м2К) Вт/(мК) (м К)/Вт Вакуум (510-5мм.рт.ст.) 0 3 0 0,05 300 3, 0 3 0 0,05 400 1, 0 3 0 0,05 500 0, 0 3 0 0,05 600 0, 0 3 0 0,05 700 0, Воздух (760 мм.рт.ст.) 0,03 3 8 0,05 300 0, 0,03 3 20 0,05 700 0, Стеклотекстолит 0,3 3 0 0 500 0, 310- Экранно-вакуумная 3 0 0 500 изоляция Пенопласт 0,06 3 0 0 500 0, Анализ таблицы показывает существенный вклад радиационной состав ляющей теплообмена, сильно возрастающий с ростом температуры. В этой си туации целесообразно вместо вакуумирования среды использовать непрозрач ные для излучения теплоизоляционные материалы и, прежде всего, экранно вакуумную изоляцию.

Если задать в рамках решаемой измерительной задачи значения мощности Ро и разности Т температуры ядра и оболочки, то относительная погреш ность определения мощности, расходуемой на нагрев ядра равна TF p Q. (6) Po R Po Для наиболее эффективной экранно-вакуумной изоляции при Ро = 5,4 Вт, –2 2 2 - T = 40 мК, F = 1 10 м, R = 100 (м К)/Вт эта погрешность равна 0,710 %, а для воздуха (R = 0,03) – 0,2 %.

Рассмотренный пример демонстрирует возможность достижения высо кой точности измерений тепловой мощности, выделяемой в ядре, в том числе и при наличии воздушного зазора между ядром и оболочкой. Таким образом, в зависимости от требований к погрешности измерений в качестве среды можно использовать вакуум или воздух. Данный метод традиционно исполь зуется при калориметрических измерениях теплоемкости ядра в нестацио нарном режиме.

В данной работе в качестве ядра предложено использовать тепловой излу чатель в виде модели абсолютно черного тела с адиабатической оболочкой (эк раном), имеющей отверстие для выхода теплового потока Q o. В этом случае уравнение (2) принимает вид Po Q To,Tэ,,, Qo C To dTo. (7) d Формирование теплового потока таким излучателем возможно и при нали чии воздушной среды между излучателем и оболочкой, а также между излуча телем и поверяемым датчиком теплового потока, расположенным вблизи вы ходного отверстия излучателя и перекрывающим его.

При выполнении условий адиабатичности (Q = 0) и стационарности (dTO /d = 0) выходящий из отверстия тепловой поток Qo равен мощности Рo, подводимой к нагревателю излучателя, и имеет плотность, равную Po q, (8) FД где F Д – площадь датчика.

Условие стационарности определяется соотношением теплового потока Q, идущего на изменение температуры ядра, и мощностью Ро, выделяемой нагревателем. С учетом удельной теплоемкости с ядра и его массы m значение этого теплового потока оценивается по формуле:

dTo Q mc. (9) d Погрешность, обусловленная нестационарностью температуры ядра, в этом случае будет равна Q. (10) Po Например, при скорости изменения температуры ядра 0,005 К/мин, удель ной теплоемкости 420 Дж/(кгК), массе 0,2 кг, Ро = 5,4 Вт значение погрешно сти из-за нестационарности составит 0,08 %.

В этом случае на датчик воздействует одномерный радиационный и кон вективный тепловые потоки заданного значения, определяемого электрической мощностью излучателя. Такой метод формирования теплового потока в работе предложено называть радиационно-конвективным. При его реализации упро щается конструкция установки, а условия поверки датчика приближаются к ус ловиям его эксплуатации.

В случае использования электрического нагревателя равенство (8) при нимает вид 4U н U o q, (11) d R o где U н – падение напряжения на потенциальных выводах нагревателя;

U о – падение напряжения на потенциальных зажимах меры электрического со противления;

Rо – значение сопротивления меры;

d – диаметр датчика.

Из этого уравнения следует, что основными источниками погрешности рассматриваемого метода являются погрешность измерений мощности нагрева теля и погрешность определения площади датчика. Погрешность измерений мощности зависит не только от погрешности измерений электрических вели чин, входящих в (11), но и от ее соответствия формируемому тепловому пото ку. Это соответствие определяется, в свою очередь, выполнением условий адиабатичности и стационарности, которые могут быть оценены по соотноше ниям (6) и (10).

Особенностью предлагаемого метода формирования теплового потока на основе адиабатического излучателя является то, что его значение зависит не только от температуры излучателя, но и от температуры поверяемого датчика.

Поэтому стабилизация температуры датчика также имеет важное значение для стационарности создаваемого теплового потока в системе излучатель-датчик.

В третьем разделе приведены результаты экспериментальных исследова ний предложенного радиационно-конвективного метода. Исследования прово дились на специально разработанной и изготовленной теплометрической уста новке с двумя тепловыми блоками, отличающимися диапазоном воспроизводи мых значений плотности теплового потока.

Схема установки приведена на рисунке 4. Ее тепловой блок содержит по веряемый датчик 1, помещенный в теплоизолирующее кольцо 2, расположен ное на выходном отверстии излучателя 4. Для стабилизации температуры дат чика на его внешнюю поверхность устанавливают сосуд с тающим льдом 16.

К нагревателю теплового излучателя 5 подводят электрическую мощность Ро от источника питания 10, определяемую измерителем 9. С помощью регулято ра 11 устанавливают мощность нагревателя 13 экрана 12, при которой его тем пература становится равной температуре излучателя. Равенство температур оп ределяют по показаниям датчиков 14 и 15. В этом случае подводимая к тепло вому излучателю 4 электрическая мощность, преобразуясь в тепло, создает равный ей тепловой поток Qо.

Q o 1 – поверяемый ДТП;

2 – теплоизолирующее кольцо;

3 – милливольтметр;

4 – излучатель;

5 – нагреватель излучателя;

6 – холодильник;

7 – теплоизолирующий кожух;

8 – источник питания нагревателя экрана;

9 – измеритель электрического тока и напряжения;

10 – источник питания нагревателя излучателя;

11 – регулятор;

12 – экран;

13 – нагреватель экрана;

14 – датчик температуры экрана;

15 – датчик температуры излучателя;

16 – сосуд со льдом Рисунок 4 – Радиационно-конвективная теплометрическая установка Для выполнения этого равенства необходимо соблюдение условий адиаба тичности и стационарности излучателя и датчика. При этом плотность теплово го потока qo, проходящего через датчик, определяется соотношением (9).

Таким образом, по результатам измерений электрической мощности, под водимой к тепловому излучателю, площади датчика, а также его сигнала Е, из меряемого милливольтметром 3, рассчитывается коэффициент преобразования К:

4U нU о К. (12) d 2 Ro E Исследования применимости предложенного метода для поверки датчиков первоначально проводились при значениях плотности теплового потока от до 2 500 Вт/м2 с использованием датчиков, коэффициент преобразования которых был ранее определен на государственном первичном эталоне ГЭТ 172-2008. Эти исследования проводились с использованием теплового блока, предназначен ного для работы при температуре до 150 °С. Полученные значения коэффици ента преобразования эталонных датчиков сравнивались с его значением, полу ченным на первичном эталоне. Приведенная на рисунке 5 зависимость показы вает, что при значениях выше 700 Вт/м2 относительная погрешность определе ния коэффициента преобразования не превышает 3 %.

ДТП № 066 = 25 мм, К = 48,7 Вт/(м2мВ) ДТП №2117 = 27 мм, К = 27,4 Вт/(м2мВ) Рисунок 5 – Зависимость погрешности определения коэффициента преобразования от плотности теплового потока Для исследований температурной зависимости коэффициента преобразо вания датчиков использовалась термобатарея Пельтье, которая размещалась между датчиком и сосудом с тающим льдом. Наличие тающего льда позволяет стабилизировать отвод тепла от термобатареи, что способствует установлению стационарного теплового потока. Значения температуры поверяемых датчиков регулируется током в термобатарее.

Установлено (рисунок 6), что в наиболее используемом на практике диапа зоне температуры от 0 до 35 °С коэффициент преобразования изменяется не более 1,5 % на каждые 10 °С.

, % на исследуемой установке на первичном эталоне ТТБ, °С Рисунок 6 – Температурная зависимость коэффициента преобразования Эти результаты стали подтверждением работоспособности радиационно конвективного метода и основанием для создания теплового блока, предназна ченного для получения более высоких значений плотности теплового потока (до 10 кВт/м2). В связи с этим были разработаны и изготовлены новый тепловой излучатель и адиабатический экран, предназначенные для работы при темпера туре до 450 °С (рисунок 7).

1 3 1 – тепловой излучатель;

2 – нагреватель излучателя;

3 – адиабатический экран;

4 – нагреватель экрана;

5 – теплоизолирующий кожух;

6 – клеммная колодка Рисунок 7 – Тепловой блок Для исследований нового теплового блока были изготовлены два специ альных датчика, коэффициенты преобразования которых были определены на кондуктивном компараторе КТМ-01.

Зависимость, приведенная на рисунке 8, показывает, что при исследовани ях этих датчиков на радиационно-конвективной установке (плотность теплово го потока от 3 500 Вт/м2 до 10 кВт/м2) относительная погрешность определения коэффициента преобразования составляет не более 3 %, что соответствует тре бованиям новой поверочной схемы.

При помощи этих датчиков был опробован новый вариант радиационно конвективного метода, основанный на их непосредственном сличении. При этом датчики располагаются последовательно по отношению к тепловому по току вблизи выходного отверстия излучателя в виде «сэндвича». Один из дат чиков выполняет функцию эталонного, а другой – поверяемого. Исследования показали, что относительная погрешность определения коэффициента преобра зования при этом не превышает 1,5 %.

, % Спец. датчик № Спец. датчик № q,Вт/м Рисунок 8 – Погрешность определения коэффициента преобразования специальных датчиков В таблице 2 приведены расчетные и экспериментальные оценки метроло гических характеристик, полученные в результате исследований созданной те плометрической установки.

Таблица 2 – Метрологические характеристики установки Характеристики Значение Плотность теплового потока от 3 500 до 10 000 Вт/м Относительная погрешность определения коэффициента преобразования не более 2,5 % Температура излучателя от 250 до 450 °С Время выхода излучателя на стационарный режим 150 мин Время выхода излучателя на стационарный режим после перемонтажа датчи- 20 мин ка Скорость изменения температуры излучателя в стационарном режиме 0,005 °С/мин Разность температур ТО и ТЭ 0,04 °С Неисключенная систематическая погрешность воспроизведения плот- 0,3 % ности теплового потока для 3 500 Вт/м2, в том числе: погрешность из-за теп пр лопроводности проводов = 0,0006 %, погрешность из-за теплопроводно сти остаточного газа в = 0,05 %, погрешность из-за радиационного тепло обмена = 0,005 %, погрешность, обусловленная нестационарностью = 0,2 %.

Неисключенная систематическая погрешность воспроизведения плот ности теплового потока для 10 кВт/м2, в том числе: погрешность из-за тепло- 0,1 % пр проводности проводов = 0,0002 %, погрешность из-за теплопроводности остаточного газа в = 0,02 %, погрешность из-за радиационного теплообме на = 0,002 %, погрешность, обусловленная нестационарностью = 0,08 % Относительная средняя квадратическая погрешность воспроизведения плот- 1% ности теплового потока при U Н = 0,02 %;

U О = 0,05 %;

D = 0,7 %;

R = 0,01 % Полученные расчетным путем оценки погрешностей воспроизведения имеют более низкие значения, чем полученные экспериментально результаты.

Это объясняется дополнительными погрешностями, связанными с передачей единицы плотности теплового потока, которые вызваны, в основном, несовер шенством используемых датчиков.

В целом полученные результаты соответствуют требованиям новой госу дарственной поверочной схемы для средств измерений поверхностной плотно сти теплового потока, предъявляемым к эталонным теплометрическим установ кам, для которых значения погрешности должно составлять от 1,5 до 3,0 %.

Четвертый раздел посвящен возможности экспериментального уточнения константы Больцмана k методом радиационной калориметрии.

В настоящее время готовится новое определение единицы температу ры – кельвина, для которого предлагается использовать фиксированное значе ние постоянной Больцмана.

Это позволит уйти от необходимости фиксировать значение температуры тройной точки воды (ТТВ), в действительности зависящее от технологии изго товления и использования сосудов, в которых реализуется эта главная реперная точка Международной температурной шкалы.

Принятое в настоящее время значение этой константы равно 1,380650410-23 Дж/К с относительной стандартной неопределенностью 1,710-6. Считается, что переход к новому определению кельвина может быть целесообразным, если измерить константу Больцмана с относительной стан дартной неопределенностью 110-6.

В данной работе предложено выполнить уточнение константы Больцма на на основе адиабатического теплового излучателя, находящегося при тем пературе наиболее воспроизводимых реперных точек температурной шкалы.

Подобный метод, использованный ранее в известных работах Т. Квина и Дж.

Мартина (Quinn T.J. и Martin J.E.), основан на связи плотности радиационно го теплового потока q А, испускаемого абсолютно черным телом (АЧТ), с его температурой TА и температурой Т o калориметра, принимающей излуче ние АЧТ:

25k 4 qA T TA To, 4 4 (13) 15c 2h3 A где с = 299 792 458 м/с – скорость света;

h = 6,626069310–34 Джс – посто янная Планка;

= 5,67039310–8 Вт/(м2К4) – постоянная Стефана–Больцмана.

Калориметрические измерения q А позволили этим авторам найти посто янную Стефана–Больцмана экспериментальным путем и рассчитать затем константу Больцмана по формуле:

15c 2 h k. (14) Анализ соотношения (14) позволяет сделать следующие выводы:

– коэффициенты перед константой в настоящее время определены с бо лее высокой (как минимум на порядок) точностью по сравнению с необходи мой точностью определения k ;

– наличие в соотношении корня четвертой степени предъявляет при опре делении k меньшие требования к точности значения константы ;

– при известном с высокой точностью значении температуры Т А абсолют но черного тела погрешность определения будет зависеть, главным образом, от достигнутой точности измерений плотности теплового потока q А.

В данной работе предлагается другой метод определения, основанный на применении адиабатического излучателя. Схема реализации метода приведена на рисунке 9. Излучатель 1 в виде модели АЧТ снабжен электрическим нагре вателем 2 с регулируемой мощностью. Полость излучателя снабжена отверсти ем 3 с площадью поперечного сечения S. Излучатель окружен наиболее эффек тивной теплоизоляцией 5, например, экранно-вакуумной. Внешняя поверхность теплоизоляции контактирует с оболочкой 6, помещенной в среду чистого веще ства 7, находящегося при известной температуре Т R одной из реперных точек температурной шкалы. Излучение полости модели АЧТ в виде теплового пото ка плотностью qTА направлено через отверстие 3 в другую полость 4, темпе ратура Т 0 которой ниже температуры Т R. Излучающая и поглощающая полости находятся в вакууме. Регулируя мощность РА нагревателя, можно изменять температуру Т А излучающей полости. Тепловой поток Q сводится к миниму му благодаря тому, что температура TA поддерживается максимально близкой к температуре TR оболочки путем подбора мощности нагревателя.

PА TА 6 QА TR qА T 1 – излучатель;

2 – электрический нагреватель;

3 – отверстие;

4 – поглощающая полость;

5 – теплоизоляция;

6 – оболочка;

7– чистое вещество Рисунок 9 – Принципиальная схема реализации радиационно-калориметрического метода Если задать в рамках решаемой измерительной задачи значения PA мощно сти нагревателя и погрешности T поддержания равенства температуры излу чателя и оболочки, то относительная погрешность Р определения мощности, которая идет на нагрев излучателя и формирует поток излучения, будет равна Q 1F1 2 F2 T Р. (15) PA d l PA Для экранно-вакуумной теплоизоляции ( 1 = 310–5 Вт/(мК)) при T = 1 мК, – 2 PA 0,1 Вт, F1 1 10 2 м, d = 110 м, 2 = 50 Вт/(мК), F2 0,1 мм, l = 0,1 м значение погрешности Р составляет 810–7. Само значение мощности PA по стоянного электрического тока можно измерить с пренебрежимо малой по грешностью, составляющей менее 110–7.

Другим важным, но часто не принимаемым во внимание фактором при ус тановлении требований к АЧТ является условие стационарности его темпера туры, соблюдение которого особенно необходимо при применении теплового излучателя с адиабатической оболочкой. Влияние этого фактора на точность измерений теплового потока q А можно оценить, используя данные по теплоем кости С А излучателя и скорости изменения (дрейфа) его температуры.

Требование стационарности определяется малостью значения Q по срав нению с РА, например Q 110-7 РА. Из этого условия при РА = 0,1 Вт и, на пример, C A = 80 Дж/К, Q = 110-8 Вт следует, что дрейф температуры не дол жен превышать 4,510-6 К/час. Это очень жесткое требование к стабилизации температуры. Однако для таких реперных точек шкалы, как тройная точка воды и точка плавления галлия, его можно выполнить.

Для нахождения значения q А весьма важен также вопрос о максимально воз можной точности измерений площади S выходного отверстия излучателя. Эталон копия единицы длины обеспечивает определение диаметра отверстий с абсолютной погрешностью, не превышающей 0, 01 0, 4 D мкм, где D – диаметр, выраженный в метрах. Если D = 0,02 м, то = 0,016 мкм. При этом от носительная погрешность S определения площади отверстия составит 1,610-6.

Если излучатель находится при температуре TA, равной температуре ре перной точки TR, например, тройной точки воды или галлия, то относительная погрешность Т составит 510-7 при TR = 273,1600 ± 110-4 К и 110-6 при - TR = 302,9146 ± 210 К.

Относительная погрешность определения постоянной Стефана– Больцмана (при = 1) в соответствии с формулой 1,4 2 2 4T (16) Р S при полученных выше значениях ( Р = 0,810-6, S = 1,610-6, Т = 110-6 (Ga) и Т = 0,510-6 (Н2О)) составит:

-6 - (Ga) = 3,810 ;

(Н2О) = 2,910.

Таким образом, в соответствии с формулой (16), погрешность определения константы Больцмана предлагаемым методом составляет:

-6 - k (Ga) = 0,9510 ;

k (Н2О) = 0,7310.

Полученные значения, не превышают требуемый результат, составляю щий, как показано выше, 110-6. Таким образом, проведенный анализ подтвер ждает принципиальную возможность уточнения постоянной Больцмана мето дом радиационной калориметрии.

Предложенный радиационно-калориметрический метод может быть ис пользован также в фундаментальной метрологии для уточнения значений тем пературы реперных точек, основанных на фазовых переходах чистых веществ.

В заключении приведены основные результаты работы:

– на основе анализа существующих методов и эталонных средств метроло гического обеспечения измерений плотности теплового потока предложен ра диационно-конвективный метод воспроизведения и передачи единицы поверх ностной плотности теплового потока в области ее высоких значений;

– проведены теоретические и экспериментальные исследования предложен ного метода на основе адиабатического теплового излучателя и подтверждена его работоспособность при высоких значениях плотности теплового потока;

– разработана теплоизмерительная установка, реализующая предложенный метод, и исследованы ее метрологические характеристики, которые соответст вуют требованиям для ее использования в новой поверочной схеме в качестве эталонной;

– подтверждена возможность применения радиационно-калориметри ческого метода на основе адиабатического излучателя для экспериментального уточнения константы Больцмана.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1 Курбатова, Н.А. Анализ возможности экспериментального уточнения кон станты Больцмана радиационно-калориметрическим методом / Н.А. Курбатова, Г.В. Симонова, В.Я. Черепанов // Измерительная техника. – 2011. – № 10. – С. 21–24.

2 Курбатова, Н.А. Радиационно-конвективный метод и установка для по верки датчиков теплового потока на основе адиабатического излучателя / Н.А.

Курбатова, В.Я. Черепанов // Измерительная техника. – 2011. – № 6. – С. 48–50.

3 Kurbatova, N.A. A radiation-convective method and equipment for checking heat flux sensors based on an adiabatic radiator / N.A. Kurbatova, V.Ya. Cherepanov // Measurement Techniques. SpringerLink. – 2011, Volume 54, No 6. – Р. 698–702.

4 Курбатова, Н.А. Методика калибровки тепловых излучателей для опре деления характеристик оптико-электронных приборов / Н.А. Курбатова, Д.П. Троценко // Сборник трудов конференции молодых ученых. – СПб:

ЛИТМО, 2009. – Вып. 3. – С. 254–259.

5 Курбатова, Н.А. Измерительная установка для исследований темпера турных и тепловых полей полости модели АЧТ / Н.А. Курбатова, Д.П. Троцен ко, В.Я. Черепанов // ГЕО-Сибирь-2009. Т. 5. Специализированное приборо строение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч. 2: сб. матер. V Между нар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2009», 20–24 апреля 2009 г., Новосибирск. – Новосибирск: СГГА, 2009. – С.118–120.

6 Курбатова, Н.А. Сравнительный анализ различных методик определения коэффициентов преобразования датчиков теплового потока / Н.А. Курбатова // Сб. тр. аспирантов и молодых ученых. – Новосибирск: СГГА, 2010. – С. 14–19.

7 Курбатова, Н.А. Радиационный метод поверки датчиков теплового пото ка на основе адиабатического излучателя / Н.А. Курбатова, В.Я. Черепанов // ГЕО-Сибирь-2010. Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 2: сб. матер. VI Междунар. на учн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2010», 19–29 апреля 2010 г., Новосибирск. – Но восибирск: СГГА, 2010. – С. 118–123.

8 Курбатова, Н.А. Установка для поверки датчиков теплового потока на основе адиабатического излучателя / Н.А. Курбатова, В.Я. Черепанов // Мате риалы междунар. конференции «Актуальные вопросы электронного приборо строения – АПЭП-2010». – Новосибирск: НГТУ, 2010. – С. 31–34.

9 Курбатова, Н.А. Радиационный метод и установка для поверки датчиков теплового потока на основе адиабатического излучателя / Н.А. Курбатова // Матер. Межотраслевой конф. по проблемам новых технологий. – Миасс:

МСНТ, 2010. – С. 30–33.

10 Курбатова, Н.А. Исследование температурной зависимости коэффици ента преобразования датчиков теплового потока радиационно-конвективным методом / Н.А. Курбатова // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 5. Специализированное при боростроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 2: сб.

матер. VII Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», 19–29 апреля 2011 г., Новосибирск. – Новосибирск: СГГА, 2011. – С. 242–245.

11 Курбатова, Н.А. Анализ возможности экспериментального уточнения константы Больцмана радиационно-калориметрическим методом / Н.А. Курба това, Г.В. Симонова, В.Я. Черепанов // Сб. тез. докл. IV Всероссийской и стран участниц КООМЕТ конф. по проблемам термометрии «ТЕМПЕРАТУРА-2011»:

тез. докл., 2011. – С. 10.

12 Исследование новых методов и эталонных средств метрологического обеспечения теплометрии / А.Д. Зонова, Н.А. Курбатова, Д.О. Пряшин и др. // Сб. тез. докл. IV Всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конф. по пробле мам термометрии «ТЕМПЕРАТУРА-2011»: тез. докл., 2011. – С. 145–146.

13 Разработка новых методов и средств метрологического обеспечения те плометрии / Н.А. Курбатова, Д.П. Троценко, В.Я. Черепанов и др. // Промыш ленная теплотехника. – 2011. – Т 33 (№ 7). – С. 128.

14 Курбатова, Н.А. Теплометрическая установка эталонного назначения для поверки датчиков теплового потока / Н.А. Курбатова, В.Я. Черепанов // Вестник СГГА. – Новосибирск. – 2011. – № 1 (14). – С. 87–96.

В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад автора Курбато вой Н.А. находится в равных долях с соавторами.