4. Вимірювання теплового потоку за допомогою птп

Вимірювання теплового потоку за допомогою ПТП виконується таким чином. ПТП закріплюється на поверхні об’єкта, що досліджується. Електричний сигнал E (мв) термобатареї ПТП при проходженні крізь нього теплового потоку густиною q дорівнює:

Е = α(t₁ – t₂) = (αδ/λ)q , (2)

де α – термоелектричний коефіцієнт термоелектродних матеріалів, з яких виготовлені термоелементи батареї, мв/град.

З формули (2) отримуємо рівняння для визначення густини теплового потоку:

q = kE, (3)

де k = λ/αδ – коефіцієнт градуювання ПТП, Вт/м²мв, величина якого зворотно пропорційна його чутливості, ε = 1/k, мв/(Вт/м²).

5. Метрологічне забезпечення вимірювань теплового потоку

Для метрологічного забезпечення вимірювань теплового потоку за допомогою ПТП створюються відповідні теплові стенди, до складу яких входить джерело кондуктивного або променевого теплового потоку і теплометричний детектор або пристрій вищого розряду, ніж ПТП, який підлягає градуюванню. Джерело теплового потоку має бути стабільним у часі і давати можливість змінювати потужність (густину теплового потоку) у всьому діапазоні використання ПТП. Для градуювання еталонного ПТП необхідно застосувати метод вимірювання локального теплового потоку, який дозволяє абсолютне градуювання, наприклад, за допомогою електричного нагрівача.

Запитання для самоконтролю

1. На чому засноване вимірювання теплового потоку?

2. Рівняння теплопровідності Фур’є. Зв’язки між якими фізичними величинами воно відображає? Які з них можна використовувати як теплометричні?

3. Опишіть конструкцію і принцип дії поясу Шмідта.

4. У чому полягає принцип дії методу додаткової стінки?

5. Яка особливість конструкції поодинокого ПТП забезпечує його успішне використання?

6. Чим була обумовлена необхідність розробки батарейного ПТП?

7. З якого матеріалу виготовляють дроти, що з’єднує ПТП з вимірювальним приладом?

8. Які типи термоелементів застосовуються у батарейних ПТП?

9. Як виготовляються галетні термоелементи? Східчасті? Спіральні?

10. Як виконують вимірювання щільності теплового потоку за допомогою ПТП?

11. Як забезпечується градуювання ПТП?

12. Назвіть основні характеристики різних типів ПТП.

13. Від чого залежить чутливість ПТП?

14. Які ПТП мають найбільшу чутливість?

15. Від чого залежить максимальна температура застосування ПТП?

Тема 6. Застосування теплометрії План.

1. Використання методів і засобів теплометрії.

2. Методика визначення теплового потоку крізь огороджувальні конструкції.

3. Теплометрія іонізуючих випромінювань. Калориметр інтегрального теплового потоку.

4. Теплометричні дослідження стану аварійного 4-го блоку Чорнобильської АЕС. Оперативний контроль теплових характеристик. Значення цих вимірювань.

1. Використання методів і засобів теплометрії.

Створені Інститутом технічної теплофізики НАН України сучасні методи і засоби вимірювання теплового потоку знайшли широке застосування у наукових дослідженнях, у промислових і комунальних технологіях, у медицині, при вирішенні екологічних проблем. Перспективні напрямки використання перетворювачів теплового потоку (ПТП) з’являються як в традиційних галузях теплових вимірювань, так і в нових, особливо на стиках різних наук (наприклад, теплотехніки і ядерної фізики), технологій (хімічних, ядерних, радіаційних), видів практичної діяльності (метрології, комунальної гігієни). Це не дивно, якщо ми згадаємо про існування тепло-електро-гідравлічної аналогії, про те, що в електротехніці термометрам функціонально відповідають вольтметри, перетворювачам теплового потоку – амперметри, а в гідравліці відповідно - вимірювачі рівнів і витрат рідини. В електричних вимірюваннях амперметри застосовуються так же широко, як і вольтметри, тоді як при теплових вимірюваннях переважно використовують термометри, а застосування ПТП тільки починається. Оскільки температура є якісною характеристикою теплової енергії, а тепловій потік – кількісною, зрозуміло, що обидві характеристики важливі, вони доповнюють одна одну подібно тому, як доповнюють одна одну напруга і сила електричного струму. Тому можна сподіватись, що скоро ПТП будуть застосовуватись у теплових вимірюваннях так же широко, як і термометри.

Методика застосування амперметрів досить проста: достатньо підключити амперметр послідовно в ту дільницю електричного ланцюга, сила струму в якій вимірюється. Коефіцієнти електропровідності металевих провідників і електроізоляторів відрізняються на 7-8 порядків, тому електричний струм тече тільки вздовж електропровідників, і витоки електричного струму крізь ізоляційні матеріали дуже малі, практично відсутні. Рух теплової енергії у просторі має універсальний характер і обумовлений Другим законом термодинаміки: теплота переходить від тіл з більшою температурою до тіл з меншою температурою. Існує 4 способи передачі теплової енергії: шляхом теплового випромінювання, теплопровідності, конвективного теплообміну і тепломасопереносу. Коефіцієнти теплопровідності матеріалів розрізняються лише на 4 порядки, тому в технологіях передачі теплової енергії практично неможливо уникнути теплових втрат. Передача теплоти у топках котлів відбувається переважно завдяки тепловому випромінюванню. Передача теплоти від котла до будівлі, що опалюється, відбувається за допомогою гарячої води, тобто шляхом тепломасопереносу. Але, на жаль, цільова передача теплової енергії від топки котла до приміщень супроводжується втратами теплоти через теплоізоляцію котла і трубопроводів. Адіабатичний режим можна забезпечити тільки у локальному об’ємі, з певним наближенням і на обмежений час, наприклад, в адіабатичних калориметрах, термосах тощо. З іншого боку, наявність і важливість урахування теплових втрат ще більше поширює сферу застосування тепломірів, зокрема, ПТП. Методики застосування ПТП дещо складніші за відповідні методики застосування термометрів, вольтметрів чи амперметрів і розраховані на кваліфікований персонал – інженерів і техніків зі спеціальною технічною освітою.