| Пріоритети: | Винахід відноситься до області термометрії і може бути використане для вимірювання тепловіддачі з поверхонь, наприклад, нагрівальних пристроїв в тепломережах будівель для контролю систем опалення, визначення величини витоків тепла в будівлях і в інших областях, в яких необхідно контролювати процеси теплообміну. Заявлений спосіб вимірювання теплового потоку, який здійснюється шляхом встановлення на шляху теплового потоку сегнетоелектричного конденсатора, на обкладки конденсатора подають імпульси, що деполяризують, електричної напруги. Далі вимірюють швидкість зміни напруги при розряді конденсатора і визначають тепловий потік за градуювальною залежністю швидкості зміни напруги та теплового потоку. Технічний результат: підвищення точності вимірювання змінних та постійних теплових потоків. 1 з.п. ф-ли, 2 іл.
Малюнки до патенту Україна 2488080
Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може використовуватися для вимірювання тепловіддачі з поверхонь, наприклад нагрівальних пристроїв в тепломережах будівель для контролю систем опалення, для визначення величини витоків тепла в будинках та інших областях, в яких необхідно контролювати процеси теплообміну.
При відомих теплових опорах тепловий потік може бути опосередковано визначений із значень температури, виміряних у різних точках досліджуваногооб'єкт. Зазвичай визначають густину теплового потоку q [Вт/м 2 ], тобто. потік через одиницю площі
де – теплопровідність [Вт/м·К], t – значення температур на якихось точках об'єкта, між якими визначається тепловий потік.
При вимірюванні теплового потоку при поквартирному обліку, наприклад датчиками теплового потоку INDIV-3 фірми Danfoss, вимірюють температуру між характерною точкою поверхні радіатора і повітрям в приміщенні, що опалюється, причому температура повітря в приміщенні є постійною запрограмованою величиною і відповідає нормативному значенню 20°С. Однак, умова наявності фіксованого значення другої температури не завжди здійсненна.
Складність полягає також у тому, що значення теплопровідності часто не відоме, і тоді необхідно проводити вимірювання прямим методом, використовуючи датчики теплового потоку.
Істотним недоліком цього є необхідність точного вимірювання температури пластин, для чого доводиться їх збільшувати. Для підвищення чутливості необхідно також використовувати багатоспайні термопари. Збільшення товщини пластин означає збільшення маси та габаритів датчика та підвищення його теплоізоляційних властивостей, що призводить до зростання методичної похибки вимірювання потоку.
Відомий спосіб вимірювання теплового потоку, викладений у статті L. Geiling, Das Termoelement als Strahlungsmesser. (Zschr. Phis., Bd. 3.12, 1951). У цьому способі використовується датчик, виконаний у вигляді пластини, що складається з термоелектродних матеріалів, що послідовно чергуються (наприклад міді і константану). Кордони розділу шарів нахилені під кутом 20-45 ° до площин датчика. Датчик розташовують по відношенню до потоку таким чином, щоб між нижньою та верхньою його поверхнями виникала різницятемператур, що збуджує термо-ЕРС. Вимірюють термо-ЕРС, що накопичується вздовж поверхні датчика і лінійно пов'язана з температурним градієнтом і, отже, з величиною теплового потоку.
Недоліком розглянутого способу є те, що для його реалізації необхідно використовувати в датчику матеріали з різними тепловими, термоелектричними властивостями.
У відомому способі вимірювання потоку засноване на залежності діелектричної проникності від температури - при її зміні відбувається поляризація сегнетоелектрика, яка є наслідком деформації кристалічних ґрат. Ступінь поляризації залежить від кількості поглиненого сегнетоелектриком тепла. Однак якщо температура не змінюється, то поляризація зменшується вільними зарядами з атмосфери та за рахунок існуючої внутрішньої провідності. Таким чином, напруга, що вимірюється, вже не характеризуватиме реальний тепловий потік. Це обмежує використання сегнетоэлектрических конденсаторів одноразовими вимірами.
Завданням, що вирішується винаходом, є розробка способу вимірювання теплового потоку, що дозволяє постійно відстежувати величину теплового потоку об'єкта, що контролюється.
Поставлене завдання вирішується за рахунок того, що в запропонованому способі вимірювання теплового потоку, так само, як і у відомому, на шляху теплового потоку встановлюють сегнетоелектричний конденсатор. Але на відміну від відомого, в запропонованому способі на обкладки конденсатора подають деполяризуючі імпульси електричної напруги, вимірюють швидкість зміни напруги при розряді конденсатора, і визначають тепловий потік за градуювальної залежності швидкості зміни напруги від теплового потоку.
Досяжним технічним результатом єреалізація можливості постійного виміру як змінних, а й постійних теплових потоків.
Сукупність істотних ознак, сформульована п.2 формули винаходу, характеризує спосіб вимірювання теплового потоку, в якому вимірювання швидкості зміни напруги виробляють на початковій ділянці уповільнення зазначеної швидкості.
На цій ділянці кривої зміни напруги пайова участь температурного фактора на доменну структуру сегнетоелектрика збільшується і забезпечується максимальна чутливість способу.
Винахід пояснюється кресленнями, де на фіг.1 та 2 показані криві спаду напруги на конденсаторах з різною площею сегнетоелектрика BaTiO 3
На фіг.1 площа конденсатора дорівнює 100 мм 2 а на фіг.2 - 25 мм 2 . Товщина в обох випадках однакова дорівнює 0,1 мм.
Винахід ґрунтується на наступних залежностях:
Рівняння теплопровідності для одновимірного випадку:
де P V , [Вт/м3] – потужність внутрішніх джерел енергії; c T [Дж/К] – теплоємність; [кг/м3] – щільність, – час.
Якщо температурне поле рівномірне, можна записати:
Тоді повна потужність тепловиділень, тобто. тепловий потік:
Останній вираз можна переписати у вигляді:
,
де С Т = c T V
Енергія зарядженого конденсатора:
,
[Дж], де Е - ємність конденсатора, U - напруга на обкладках конденсатора.
Тоді можна записати:
,
Останній вираз показує зв'язок величини теплового потоку зі швидкістю зміни напруги розряду конденсатора. Цей зв'язок ілюструють фіг. 1 і 2, на яких наведені залежності напруги та часу розряду конденсатора. Кожна крива характеризує тепловий потік, а сукупність кривих однією графікоюілюструє поступове остигання вимірюваного об'єкта та зменшення теплового потоку.
При вимірюванні теплового потоку, наприклад, батареї опалення, конденсатор встановлюють на шляху теплового потоку. Конденсатор повинен володіти досить малими товщиною і об'ємом, для того, щоб практично не спотворювати тепловий потік, що проходить через нього. Матеріал діелектрика, що використовується, вибирається з умови знаходження точки Кюрі вище найбільш високої температури діапазону, в якому вимірюється тепловий потік. Ми проводили вимірювання за допомогою конденсаторів із сегнетоелектриком BaTiO 3 , а також Ba 0,9 Sr 0,1 TiO 3 . У разі сегнетоэлектрик мав товщину 0,5 мм, а площу 50 мм. Крапка Кюрі відповідала 80°С. Деполяризуюча напруга відповідала 3,3 ст. Для цих параметрів були складені таблиці градуювання відповідності швидкості зміни напруги розряду конденсатора величині теплового потоку. Вимірювання швидкості зміни напруги проводилося на початковій ділянці уповільнення процесу деполяризації сегнетоелектрика, оскільки на цій ділянці частка теплового впливу швидкість спаду кривої напруги значно зростає. Враховуючи ту обставину, що і батареї опалення і навколишній простір мають досить велику теплову інерцію, деполяризуючі імпульси можна подавати досить рідко - 1 раз на кілька хвилин, на відміну від систем з тепловою ситуацією, що швидко змінюється, в якій імпульси подають безперервно.
Як випливає з опису запропонований спосіб дозволяє проводити вимірювання не тільки теплових потоків, що змінюються, але також вимірювання потоків, величина яких не змінюється в часі, тому він може є базою для створення пристроїв обліку витрати і споживання тепла.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Спосібвимірювання теплового потоку шляхом установки на шляху теплового потоку сегнетоэлектрического конденсатора, який відрізняється тим, що на обкладки конденсатора подають імпульси, що деполяризують, електричної напруги, вимірюють швидкість зміни напруги при розряді конденсатора і визначають тепловий потік по градуювальної залежності швидкості зміни напруги від теплового потоку.
2. Спосіб вимірювання теплового потоку за п.1, який відрізняється тим, що вимірювання швидкості зміни напруги проводять на початковій ділянці уповільнення зазначеної швидкості.