Стационарный метод

ПРИЛОЖЕНИЕ 8

1 Назначение

Излучатель в виде модели абсолютно черного тела АЧТ-45/100/1100

(далее –излучатель, АЧТ) второго разряда предназначен для настройки и

градуировки средств бесконтактного измерения температуры (пирометров и

пирометрических преобразователей полного и частичного излучения,

сканирующих пирометров и тепловизионных систем) в диапазоне температур

от 300 до 1100 °С в лабораторных и цеховых условиях.

Вид климатического исполнения – УХЛ 4.1 с категорией размещения

4.2 по ГОСТ 15150-69.

Излучатель АЧТ-45/100/1100 рассчитан на эксплуатацию при

температуре окружающего воздуха (20 5) °С, относительной влажности

(65 15) % при температуре 25 °С и давлении от 84 до 106,7 кПа (от 630 до

795 мм рт. ст.).

Электропитание излучателя осуществляется от однофазной сети

переменного тока напряжением (220±22) В, частотой (50±1) Гц.

Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.32.010.A №

34679, зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под №

40099-08, выдан Федеральным агентством по техническому регулированию и

метрологии 31.12.2008 г.

Действителен до 01 января 2014 г.

2 Технические характеристики

2.1 Диапазон воспроизводимых температур, °C.. от 300 до 1100

2.2 Размеры излучающей полости, мм:

- диаметр выходного отверстия............... 45

- расстояние от переднего торца печи до излучающей вставки.. (425 5)

2.3 Коэффициент излучения полости, не менее...... 0,99

2.4 Время выхода на стационарный режим, мин, не более, 120

2.5 Дрейф температуры излучателя за 15 минут для стационарных

режимов поддержания температуры, ºС, не более.... 0,25

2.6 Время перехода на другой стационарный режим, мин, не более, 120

2.7 Погрешность поддержания температуры излучателя

в стационарном режиме, ºС, не более.............. 0,5

2.8 Доверительная погрешность излучателя при доверительной

вероятности 0,95, не более... 1 ºС+0,6 % от установленной температуры

ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛООБМЕНА

Кандидат технических наук, В.Я. Черепанов

Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени

научно-исследовательский институт метрологии (ФГУП СНИИМ)

Жизнедеятельность человека связана с окружающей средой и протекает во

времени и в пространстве. Что касается времени, то оно традиционно измеряется

часами. Это сейчас настолько привычный прибор, что на бытовом уровне, его зачастую,

забывают относить к средствам измерения. Для измерений параметров пространства в

последние годы появились уникальные измерительные приборы – приемники

ГЛОНАСС/GPS, которые позволяют с помощью спутниковых навигационных систем

найти значения координат точки пространства, в которой находится человек, а при

необходимости измерить расстояние на которое он перемещается.

Что касается окружающей среды, и тел, находящихся в пространстве, то их

физическое состояние характеризуется, прежде всего, температурой. Особенностью

температуры, как фундаментальной физической величины, является то, что она не только

определяет степень нагретости тел (внутреннее количество теплоты – определяемое

энергией движения частиц, из которых состоит тело), но и направление, а также

интенсивность обмена теплотой с другими телами (средами), имеющими иную

температуру. Теплота передается от более нагретого тела (с большей температурой) к

телу, имеющему меньшую степень нагретости (температуру). В этом – большой гуманизм

окружающего нас мира, который в результате теплообмена заполнен тепловыми

потоками, имеющими различные направления и интенсивность.

Интенсивность теплообмена возрастает с увеличением разности температур между

телами и характеризуется важнейшей физической величиной – тепловым потоком Q,

который измеряется в ваттах (Вт).

Для оценки интенсивности теплового потока удобно пользоваться его значением,

отнесенным к единице площади поверхности, которую он пронизывает по направлению

нормали. Эту физическую величину, обозначаемую обычно q, называют поверхностной

плотностью теплового потока. Она измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м

). В

таблице 1 приведены примеры значений плотности теплового потока, характеризующие

интенсивность теплообмена между объектами, имеющими разные значения температур.

Таблица 1

NN

п/п

Объекты (физические тела и

среды) с температурами Т1 и Т2 Т1, С Т2, С

q, Вт/м

( на поверхности)

1 Солнце- поверхность Земли 5500 – 15 1360

2 Нижняя граница литосферы –

поверхность Земли

1500 – 15 0,06

3 Открытая поверхность конфорки

электроплиты –жилое помещение

600 20 40000

4 Поверхность отопительного

прибора

50 20 300

5 Открытая поверхность тела

человека - жилое помещение

35 20 100

6 Поверхность стены жилого

помещения панельного дома –

наружный воздух

20 – 5 20

7 Поверхность обычного

остекления жилого помещения –

наружный воздух

20 – 5 60

Необходимо отметить, что в жизни человека тепловые потоки играют важнейшую

роль, в частности, определяют комфортные условия жизнедеятельности. Это касается как

климатических условий местности, так и комфортности жилых помещений.

Источниками тепловых потоков являются тела, имеющие более высокую

температуру относительно другого тела (среды). Это, например,

Солнце, электронагревательные и отопительные приборы, поверхность тела человека

относительно окружающей среды, имеющей более низкую температуру и являющейся

приемником теплового потока. При этом комфортность человека зависит не столько от

температуры среды, как от интенсивности тепловых потоков, особенно, с открытых

участков тела, незащищенных одеждой. Как далее будет показано, при одной и той же

температуре окружающей среды, например, 20 С для спокойного воздуха или

движущейся воды в реке, тепловые потоки с поверхности тела могут отличаться более,

чем в 100 раз.

Как правило, каждое тело находится в теплообмене с несколькими телами или

средами, по отношению к которым оно является источником или приемником тепловых

потоков. Если соблюдается баланс (равенство) подводимых к телу и теряемых им

тепловых потоков, температура тела остается неизменной во времени. Такой

температурный режим называют стационарным.

При нарушении баланса в сторону преобладания подводимых к телу тепловых

потоков его температура возрастает. Если преобладают потери тепла, то тело остывает.

Скорость изменения температуры при этом определяется значениями небаланса

тепловых потоков Q, а также массой m и удельной теплоемкостью тела с по формуле

= Q / cm. (1)

Количественная связь плотности теплового потока с температурами тел или сред,

находящихся в теплообмене, устанавливается тремя основными законами:

– законом Фурье для кондуктивного теплообмена (теплообмен

теплопроводностью)

d

ТТ

λ

λ

q

2 1

, (2)

где – теплопроводность среды, Вт/(м К); d – расстояние между двумя

изотермами среды или тела с температурами T 1 и T 2 (Т1 Т2), С (К);

– законом Ньютона для конвективного теплообмена (теплообмен за счет

перемещения газовой или жидкой среды)

q = (Т1 - Т2), (3)

где - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м

К); Т1 – температура поверхности тела,

С (К); Т2 – температура среды, С (К);

– законом Стефана-Больцмана для радиационного теплообмена (теплообмен

излучением)

q = (T 1

4

–T 2

4

), (4)

где – эффективный коэффициент теплового излучения поверхности тел (0

1), – постоянная Стефана – Больцмана, равная 5,67 10

-8

Вт/(м

К

); Т1, Т2 –

абсолютные температуры поверхностей тел, (К).

Входящие в формулы (2) – (4) физические величины q, Т,,, будем называть

основными параметрами теплообмена, характеризующими стационарный

температурный режим. При этом величины q и Т являются основополагающими (Т –

причина,

q – следствие), а величины ,, – выполняют функцию коэффициентов, от значения

которых также, как и от разности температур, зависит интенсивность теплообмена.

Далее последовательно рассмотрим состояние и направления развития техники

измерений этих величин и их метрологическую обеспеченность.

Вопросы температурных измерений (параметр Т) уже рассматривались на

страницах нашего журнала, поэтому в данной статье они опущены, как и вопросы

измерений теплоемкости, а также других теплофизических величин, связанных с

процессами теплообмена при нестационарных режимах.

Плотность теплового потока (q). Для определения тепловых потерь зданий,

сооружений, различных теплоэнергетических объектов все более широко используются

измерительные преобразователи теплового потока (ПТП) типа «вспомогательной стенки􀂪.

Принцип действия преобразователей основан на формировании электрического

сигнала Е, пропорционального разности температур Т, создаваемой измеряемым

тепловым потоком плотностью q на некотором постоянном термическом сопротивлении

R, имеющим обычно вид пластины (стенки). Они содержат чувствительный элемент,

представляющий собой термическое сопротивление в виде слоя материала 1 толщиной h

с теплопроводностью, на поверхностях которого размещены датчики температуры 2,

чаще всего, спаи дифференциальных термоэлектрических преобразователей

(рис.1). Контактные пластины (слои) 3 обеспечивают необходимый тепловой контакт с

поверхностью объекта и защищают чувствительный элемент от внешних воздействий.

Такие преобразователи, которые часто называют контактными тепломерами,

размещают на поверхности объекта, измеряют электрический сигнал и рассчитывают

плотность теплового потока по формуле

q = КЕ, (5)

где К – коэффициент преобразования, Вт/ (м

мВ), который зависит от значений R,

чувствительности дифференциальных термопреобразователей, и который определяют

экспериментальным путем.

Для измерения сигнала ПТП используют милливольтметры или специальные

переносные или стационарные измерители, которые отображают результат измерений в

значениях плотности теплового потока. К таким специальным средствам измерения

относятся, например, цифровые измерители тепловых потоков серии ИТП 20»» 24, а

также информационно-измерительные комплексы ИТС, предназначенные для тепловых

испытаний строительных конструкций, выпускаемые Институтом технической

теплофизики (ИТТФ г. Киев). Аналогичные приборы (ИТП – МГ «Поток􀂪) выпускает СКБ

«Стройприбор􀂪 (г. Челябинск).

В СССР и России наибольшее распространение получили гальванические

термоэлектрические ПТП, разработанные ИТТФ, представляющие собой многоспайную

(до 1000 спаев) биметаллическую термобатарею, свернутую в плоскую спираль и

расположенную в материале из диэлектрика. Аналогичные преобразователи созданы в

Институте измерительной техники (г.Королев) на основе гальванической термобатареи,

размещенной в пластине из оргстекла. Для повышения чувствительности

преобразователей используют также полупроводниковые термобатареи (СКБ

теплофизического приборостроения (г.Санкт-Петербург), КБ «Фотон􀂪 (г.Тернополь),

Сухумский

физико – технический институт). В настоящее время технологию промышленного

производства контактных тепломеров осваивает завод «Эталон􀂪 (г.Омск). Из зарубежных

производителей ПТП наиболее известна фирма «PANENSA􀂪 (Швейцария).

Все эти преобразователи широко используются при изучении тепловых процессов,

прежде всего, в теплоэнергетике, а также в авиационной и ракетно-космической технике,

в геофизике и медицине. Коэффициенты преобразования ПТП обычно имеют значения от

1 до 100 Вт/(м

мВ). Размеры и формы преобразователей различны. Они бывают круглой,

квадратной или прямоугольной формы с характерными размерами от 10 до 330 мм и

толщиной от 0,5 до 15 мм. Диапазон измеряемых плотностей тепловых потоков – 1

10000 Вт/ м

при температурах от – 200 до 650 С. Технические требования к

преобразователям приведены в межгосударственном стандарте ГОСТ 30619.

Для метрологического обеспечения средств измерений поверхностной плотности

теплового потока в диапазоне 10 2000 Вт/ м

в СССР с 1989 г. действует

Государственная поверочная схема (МИ 1855-88). Возглавляет поверочную схему

созданная и находящаяся в СНИИМ установка высшей точности УВТ 53-А-88, которая

предназначена для воспроизведения и хранения размера единицы плотности теплового

потока с погрешностью менее 1% (НСП) в диапазоне 200 400 К, а также для передачи

размера единицы при помощи образцовых (эталонных) средств измерений (СИ) рабочим

(СИ), имеющим пределы допускаемых относительных погрешностей от 4 до 10 %.

Работа существующей УВТ основана на использовании односторонней

(полуоткрытой) адиабатической оболочки, с помощью которой формируется тепловой

поток через эталонный ПТП. Для этой цели источник теплового потока (рис.2) в виде

плоского электрического нагревателя 1 одной поверхностью контактирует с

поверхностью эталонного тепломера 2, которому передается размер единицы q. Другая

поверхность нагревателя окружена адиабатической оболочкой – подогреваемым экраном

3, температура Тэ которого поддерживается равной температуре Тн нагревателя с

помощью автоматического регулятора. При этом тепловой поток от нагревателя

полностью направлен в тепломер, который прижат к термостатированному блоку 4

(холодильнику). Измерения электрической мощности Р нагревателя, сигнала Е и площади

F преобразователя позволяют найти коэффициент преобразования: К0 = q/Е0 = Р/FЕ0 (10

q 2000 Вт/м

). Ступенчато изменяя температуру холодильника, можно определить

температурную зависимость К0 = К(Т).

Передача размера единицы q от эталонных рабочим ПТП осуществляется в

соответствии с МИ 1855-88 кондуктивными или радиационными компараторами.

Наибольшее распространение получили кондуктивные компараторы, основанные на

сравнении показаний идентичных по форме и размерам поверяемого и эталонного ПТП,

когда через них проходит одинаковый тепловой поток. Тепловой поток плотностью q

создается за счет разности температур нагревателя и холодильника, между которыми

помещены в виде «сэндвича􀂪 оба ПТП.

В этом случае

q = К0 Е0 = КХЕХ,

0

0

Е

х

К

К

х

Е (6)

где К0, Е0 и КХ, ЕХ – коэффициенты преобразования и сигналы соответственно эталонного

и поверяемого ПТП. Погрешность компаратора в диапазоне 150»400 К не превышает 1,5

%.

В настоящее время возросли требования к уровню точности и диапазону

измерений, средств воспроизведения и передачи размера единицы q, а также к

универсальности их измерительных ячеек относительно размеров и форм ПТП. Кроме

этого назрела необходимость изменения статуса УВТ на государственный эталон при

одновременном снижении его погрешности, в частности, для обеспечения

метрологического запаса точности и общего ее повышения в поверочной схеме.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ () Точное знание значений этой физической величины

приобретает все более важное значение при решении задач энергосбережения. Именно от

нее зависят теплоизоляционные свойства материалов, из которых изготавливают

ограждающие конструкции зданий и сооружений.

Действительно, согласно закону Фурье (3) тепловые потери через ограждающую

конструкцию, например через стену здания, определяются плотностью q,

пронизывающего ее теплового потока. Значение этой плотности прямо пропорционально

теплопроводности материала стены, перепаду температур Т= Т1 –Т2 на внутренней

(Т1) и внешней (Т2) ее поверхностях и обратно пропорционально толщине стены d.

Взаимосвязь этих величин позволяет рассчитывать теплопроводность по формуле

= q d / Т, Вт/(м К). (7)

Часто для оценки качества теплоизоляции используют понятие термическое

сопротивление R, которое определяет величину отношения перепада температур Т на

слое теплоизоляции к плотности q пронизывающего ее теплового потока.

Требования к методам определения теплопроводности и термического

сопротивления строительных материалов и изделий изложены в стандартах

ИСО8301:1991, ИСО8302:1991, ГОСТ 7076 – 99.

В таблице 2 приведены значения теплопроводности различных веществ и

материалов при температуре 20 С

Таблица 2

Вещества, материалы, Вт/(м К) Вещества, материалы, Вт/(м К)

Вакуумированные

порошковые и

волокнистые материалы

(1 5) 10

-3

Медь 400

Экранно-вакуумная

теплоизоляция

0,025 10

-3

Строительные материалы,

горные породы

1 5

Воздух 0,03 Металлы и сплавы 5 400

Теплоизоляторы 0,04 0,1 *)Титановый сплав ВТ – 6 7

Полимерные материалы 0,2 0,5 *)Нержавеющая сталь 15

*)Органическое стекло

(полиметилметакрилат)

0,2

Стекла 0,7 1,4

*)Плавленый кварц 1,36

*) стандартные образцы теплопроводности, из которых изготавливают эталонные

меры.

Измерения теплопроводности обычно основаны на прямом использовании закона

Фурье в рамках строгой математической модели теплового процесса. Для этого

исследуемый образец материала выбирают чаще всего в виде пластины или стержня

(рис.3). В образце 1, который помещают между нагревателем 2 с температурой Т1 и

холодильником 3 с температурой Т2, создают тепловой поток с плотностью q. Плотность

теплового потока определяют по измерениям электрической мощности нагревателя

(абсолютный метод - а) или измеряют одним, или двумя тепломерами, прилегающими к

«горячей􀂪 и (или) «холодной􀂪 поверхностям образца (теплометрический метод - б).

Измеряется также перепад температур Т на образце и его толщина (высота) d.

Теплопроводность рассчитывают по формуле (7). В абсолютном методе

нагреватель окружают адиабатической оболочкой – экраном, температуру которого

поддерживают равной температуре нагревателя. Это является гарантией того, что весь

тепловой поток от нагревателя направляется через образец.

При внешней простоте рассмотренных тепловых моделей возникают трудности

формирования и точного измерения теплового потока, а также измерения малой разности

температур на поверхностях образца.

Примером удачной реализации рассмотренных моделей являются приборы

американской фирмы «Dynatech􀂪 (таблица 3) основанные на стационарном методе

пластины с использованием для измерения теплового потока тепломеров (модель R20),

или плоского нагревателя с односторонней адиабатизацией (модель R30). Приборы

специализированы для измерений термического сопротивления и теплопроводности

эффективных теплоизоляторов.

Измерения теплопроводности таких, обычно, пористых теплоизоляционных

материалов имеет свои особенности. Передача тепла в таких материалах обеспечивается

твердотельной и газовой составляющими теплопроводности, а также излучением. Этот

последний фактор теплопередачи приводит к зависимости измеренных значений

теплопроводности от толщины исследуемого образца. Такое явление, называемое часто

«эффектом толщины􀂪, наблюдается у материалов с низкой плотностью даже при

комнатных температурах и становится все более существенным с повышением

температуры.

На рис.4 представлены типичные данные по «эффекту толщины􀂪, представленные

компанией «Dynatech􀂪. Достоинством приборов, выпускаемых этой компанией, является

возможность исследования эксплутационных значений термического сопротивления и

теплопроводности теплоизоляторов благодаря использованию в качестве образцов

фрагментов реальных изделий из таких материалов.

Одним из наиболее производительным и, вместе с тем, точным является прибор

КТ-6, основанный на стационарном методе двухточечного теплового зондирования

поверхности материалов и изделий. Прибор состоит из выносного теплового зонда,

который устанавливают на ровном участке поверхности материала или изделия, и

электронного блока, который управляет тепловым режимом зонда и вычисляет

теплопроводность. Тепловой зонд (рис.5) содержит два измерительных стержня 1, нижние

торцы которых находятся в тепловом контакте с поверхностью исследуемого материала

или изделия, а верхние их части – прижаты к рабочим поверхностям термоэлектрической

Пельтье-батареи 2. Регулировкой тока, протекающего по термобатарее, создают и

поддерживают постоянной разность температур Т32 = Т3 –Т2 между верхними участками

измерительных стержней. При этом нижний торец одного их стержней переохлаждается

(температура Т1), а другой перегревается (температура Т4) относительно температуры

образца. Степень перегрева и переохлаждения определяется по разности температур Т41

нижних торцевых поверхностей стержней и зависит от теплопроводности материала или

изделия. Эта разность тем меньше, чем выше измеряемая теплопроводность и

приближается к Т32, когда 0. Зависимость Т41 = f () (рис.6) определяется путем

градуировки прибора по эталонным мерам – образцам с известной теплопроводностью.

Все температурные измерения осуществляются с помощью дифференциальных

термоэлектрических преобразователей. При высокой производительности

(продолжительность одного измерения менее 5 7 минут) прибор обладает достаточно

малой погрешностью в 2 7 %.

Некоторые приборы и установки для измерений теплопроводности основаны на

нестационарных (динамических) методах, в которых используются закономерности

пространственно- временного распределения температур в исследуемом образце при

воздействии на него источников теплового потока заданной мощности. Преимуществом

таких методов является высокая производительность измерений, особенно, при

исследованиях температурной зависимости теплопроводности. Однако они менее точны,

чем стационарные и, кроме того, практически непригодны по ряду причин для измерений

теплопроводности эффективных теплоизоляторов.

В таблице 3 приведены основные технические характеристики некоторых

отечественных и зарубежных приборов и измерительных установок, предназначенных для

измерений теплопроводности твердых материалов. В действительности перечень

существующих средств измерений теплопроводности значительно больший. Большинство

из них уникальны и изготовлены в единичных экземплярах для решения специальных

задач. Тем не менее все средства измерений, используемые в сфере энергосбережения,

подлежат государственному метрологическому контролю и надзору.

Метрологическое обеспечение измерений теплопроводности твердых тел в

наиболее важном для практики температурном диапазоне от 90 до 1100 К основано на

поверочной схеме по ГОСТ 8.140-82. Возглавляет схему Государственный эталон, в

составе которого:

– эталонная установка, реализующая стационарный метод измерения радиального

теплового потока в цилиндре для значений от 0,1 до 5 Вт/(м К) в диапазоне температур

90»500 К;

– эталонная установка для измерения теплопроводности от 5 до 20 Вт/(м К) в

диапазоне температур 300»1100 К, реализующая стационарный метод измерения

аксиального теплового потока;

– набор эталонных мер для контроля стабильности эталона (из органического стекла,

титанового сплава ВТ-6, низкоуглеродистой и нержавеющей стали).

Таблица 3. Технические характеристики некоторых приборов для измерения

теплопроводности

Тип

прибора

Диапазон

, Вт/(м К)

Температура

образца, С

Погрешность,

%

Размеры

образца,

D / d*

)

, мм

Изготовитель

ИТЭМ-1М 0,1 100 20 10 10 15

1 15

ГСКБ

«Теплофизприбор􀂪

Ленинград, СССР

ИТО-20М 0,1 9 25 5 2 **) 15

1 10

«ЛТИХП􀂪

Ленинград, СССР

ИТ-5 0,03 5 -50 100 6 60 120

0,5 10

«ИТТФ􀂪,

.Киев, Украина

КТ-6 0,03 100 0 70 2 7 30

«СНИИМ􀂪,

Новосибирск, Россия

R20/30 0,015 0,45 0 40 2 610х610

0 200

«DYNATECH R/D

Company􀂪, Cambridge,

США

ТАУ-2 0,1 100 -260 30 2 14

2 30

«ВНИИФТРИ􀂪,

Менделеево, Моск. обл.,

Россия

0,03 1,5 -40 200 3 250х250 Нормы ГОСТ 7076-99

ИТП-МГ4 0,03 0,8 10 40 5 100х100,

250х250

«Стройприбор􀂪,

Челябинск, Россия