RU2084844C1 - Transducer of integral rate of heat flow - Google Patents
Transducer of integral rate of heat flow Download PDFInfo
- Publication number
- RU2084844C1 RU2084844C1 RU95109045A RU95109045A RU2084844C1 RU 2084844 C1 RU2084844 C1 RU 2084844C1 RU 95109045 A RU95109045 A RU 95109045A RU 95109045 A RU95109045 A RU 95109045A RU 2084844 C1 RU2084844 C1 RU 2084844C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- electrolyte
- electrode
- sensor
- heat flux
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения или контроля теплового потока различных объектов во временном интервале (интегральных тепловых потоков). The invention relates to instrumentation and can be used to measure or control the heat flux of various objects in the time interval (integral heat fluxes).
Известны различные устройства для измерения тепловых потоков. Various devices are known for measuring heat fluxes.
В частности, известен датчик потока, содержащий два чувствительных элемента, расположенных с двух сторон вспомогательной стенки [1] В этом устройстве чувствительные элементы выполнены в виде дифференциальной многоспайной термопары, одна из которых расположена с одной стороны вспомогательной стенки, а другая с другой ее стороны. При расположении такого датчика на изотермической поверхности исследуемого образца на гранях промежуточного слоя заданной толщины возникает разность температур, пропорциональная измеряемому тепловому потоку. In particular, a flow sensor is known that contains two sensing elements located on both sides of the auxiliary wall [1] In this device, the sensitive elements are made in the form of a differential multisolder thermocouple, one of which is located on one side of the auxiliary wall and the other on the other side. When such a sensor is located on the isothermal surface of the test sample on the faces of the intermediate layer of a given thickness, a temperature difference occurs proportional to the measured heat flux.
Ограничением устройства является сложность и недостоверность получаемых измерений, особенно при проведении их в длительном временном интервале. A limitation of the device is the complexity and inaccuracy of the measurements obtained, especially when they are carried out in a long time interval.
Увеличение времени экспозиции, например, от нескольких месяцев до одного года или нескольких лет, является важным фактором, особенно в случае снятия карты тепловых потоков из недр Земли. An increase in exposure time, for example, from several months to one year or several years, is an important factor, especially in the case of removing a map of heat fluxes from the bowels of the Earth.
Известен датчик интегрального теплового потока, содержащий корпус, два электрода, установленных в нем, выполненных из одного и того же материала и электрически замкнутых между собой, электролит, расположенный между электродами в поверхностном контакте с ними и выполненный с ионной проводимостью по ионам материала электродов [2]
Этот датчик при расположении поверхностей электродов нормально тепловому потоку позволяет измерять посредством термопар температуры, необходимые для вычисления теплового потока через электролит, и перепад температур на электролите. Доклады Академии наук СССР, 1971, т.200, N 1, с.140-141.A known sensor of the integral heat flux comprising a housing, two electrodes installed in it, made of the same material and electrically closed to each other, an electrolyte located between the electrodes in surface contact with them and made with ionic conductivity by ions of the electrode material [2 ]
This sensor, when the electrode surfaces are arranged normally to the heat flux, allows the thermocouples to measure the temperatures necessary to calculate the heat flux through the electrolyte and the temperature difference across the electrolyte. Reports of the Academy of Sciences of the USSR, 1971, vol. 200, No. 1, pp. 140-141.
Важной особенностью этого устройства является возможность определения интегрального теплового потока по измерениям изменения веса электродов до и после экспозиции и, таким образом, датчик позволяет наиболее просто контролировать (или измерять) интегральный тепловой поток косвенно в заданных промежутках времени, в частности для снятия тепловых потоков из недр Земли в регионах загрязнения почв радиоактивными элементами (например, вследствие аварии на АЭС или в регионах функционирования ядерных энергетических установок и крупномасштабных производств по переработке ядерного топлива). An important feature of this device is the ability to determine the integral heat flux by measuring the changes in the weight of the electrodes before and after exposure and, thus, the sensor allows you to most easily control (or measure) the integral heat flux indirectly at specified time intervals, in particular for removing heat fluxes from the bowels Land in regions of soil contamination with radioactive elements (for example, as a result of an accident at a nuclear power plant or in regions where nuclear power plants operate and large-scale nuclear fuel processing facilities).
Ограничением этого устройства является невозможность в некоторых случаях контролировать достоверность получаемых по весовым характеристикам, особенно при проведении длительных измерений через интервалы в месяц и годы. Это связано с тем, что получаемые данные зависят от чистоты и однородности материала электродов, качества электролита, совершенства его кулонометрических характеристик. Кроме того, в случае размещения датчика на некоторой глубине от поверхности земли, например для снятия характеристик тепловых потоков из недр, поверхности электродов датчика могут смещаться от нормали теплового потока вследствие различных воздействий грунтовых вод, смещения грунтов от внешних факторов и т.д. A limitation of this device is the impossibility in some cases to control the reliability obtained by weight characteristics, especially during long-term measurements at intervals of a month and years. This is due to the fact that the data obtained depend on the purity and uniformity of the electrode material, the quality of the electrolyte, and the perfection of its coulometric characteristics. In addition, if the sensor is placed at a certain depth from the earth’s surface, for example, to measure the characteristics of heat fluxes from the bowels, the surfaces of the sensor electrodes can shift from the normal of the heat flux due to various effects of groundwater, soil displacement from external factors, etc.
Задача, решаемая изобретением, повышение надежности и достоверности. The problem solved by the invention, improving the reliability and reliability.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, повышение точности измерений. The technical result that can be obtained by carrying out the invention, improving the accuracy of measurements.
Поставленная задача решается тем, что в известный датчик интегрального теплового потока, содержащий корпус, два электрода, установленных в нем, выполненных из одного и того же материала и электрически замкнутых между собой, электролит, расположенный между электродами в поверхностном контакте с ними и выполненный с ионной проводимостью по ионам материала электродов, согласно изобретению введен третий электрод, выполненный из того же материала, что и упомянутые два электрода, расположенный между ними и электрически замкнутый с ним. The problem is solved in that in the known sensor of the integral heat flux containing the housing, two electrodes installed in it, made of the same material and electrically closed to each other, an electrolyte located between the electrodes in surface contact with them and made with ion the ion conductivity of the electrode material, according to the invention, a third electrode is introduced, made of the same material as the two electrodes mentioned, located between them and electrically closed with it.
Возможны типичные варианты выполнения устройств, в которых например, целесообразно, чтобы:
Возможны типичные варианты выполнения устройства, в которых например, целесообразно, чтобы:
электроды были выполнены из меди, а электролит из водно-спиртового раствора сульфат меди;
электроды были выполнены из серебра, а электролит из иодида серебра;
в третьем электроде было выполнено, по крайней мере, одно отверстие, сообщенное с его наружными поверхностями, или третий электрод был выполнен с меньшей поверхностью, чем поверхность каждого из двух электродов.Typical embodiments of devices are possible in which, for example, it is advisable that:
Typical embodiments of the device are possible, in which, for example, it is advisable that:
the electrodes were made of copper, and the electrolyte from a water-alcohol solution of copper sulfate;
the electrodes were made of silver, and the electrolyte of silver iodide;
in the third electrode, at least one hole was made in communication with its outer surfaces, or the third electrode was made with a smaller surface than the surface of each of the two electrodes.
Указанные преимущества, полученные за счет введения третьего электрода, станут понятными при рассмотрении вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые рисунки. These advantages obtained by introducing a third electrode will become apparent when considering embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings.
Фиг. 1 изображает функциональную схему датчика; фиг.2 конструкцию датчика; фиг.3- то же, что фиг.2 во фторопластовом корпусе. FIG. 1 shows a functional diagram of a sensor; figure 2 sensor design; figure 3 is the same as figure 2 in the PTFE housing.
Датчик содержит (фиг.1, 2, 3) корпус 1, два электрода 2, 3, электролит 4. Введенный третий электрод 5 расположен между двумя электродами 2 и 3, при этом электролит 4 расположен между электродами 2, 3, 5 в поверхностном контакте с ними. The sensor contains (FIGS. 1, 2, 3) a housing 1, two
Электроды 2, 3, 5 могут быть выполнены в форме пластины, диска или какой-либо иной формы. The
На фиг. 2 также показано уплотнение 6, в случае выполнения корпуса 1 металлическим предназначенное для его герметизации. Корпус 1 (фиг.3) может быть выполнен из материала, стойкого к воздействию окружающей среды, например из фторопласта. In FIG. 2 also shows the
Работа датчика (фиг.1) основана на термогальваническом эффекте электродвижущей силы E и ионном переносе вещества между электродами 2 и 3 гальванической ячейки типа Me (T2)/Me+/Me(T3), где T2 температура первого электрода 2; T3 температура второго электрода 3, а перепад температур ΔT T2 T3.The operation of the sensor (Fig. 1) is based on the thermogalvanic effect of the electromotive force E and ion transport of matter between the
Электродвижущая сила E возникает если температуры T2 и T3 первого и второго электродов 2 и 3 поддерживаются различными, а электролит 4 обладает ионной проводимостью для ионов металла электродов. На зависимость переноса вещества от перепада температур t2 и T3 между электродами 2 и 3 в режиме короткого замыкания (см. указанный источник информации 3) не оказывает влияния расстояние между электродами 2 и 3, поэтому при введении третьего электрода 5, выполненного из того же материала, что электроды 2 и 3, его масса в процессе измерения не изменяется. Какая масса перенесена на него от электрода 2, такая же масса вещества передана им электроду 3. Таким образом третий электрод 5, расположенный между двумя электродами 2 и 3, выполняет функцию контрольного электрода.An electromotive force E occurs if the temperatures T 2 and T 3 of the first and
Плотность тока короткого замыкания I (А/см2), темп переноса вещества между электродами 2 и 3 G (г/с•см2) и электродвижущая сила E (Вольт) связаны зависимостями:
E= ΔT•ΔS/zF
I= x•E/δ
G I•A/zF,
где DT перепад температур T2 и T3 (К) на электродах 2,3;
ΔS энтропия образования электролита 4 (Дж/моль К);
z-валентность иона;
F число Фарадея, 96478 (Кулон/моль);
x ионная проводимость электролита 4;
δ толщина слоя электролита 4 между электродами 2 и 3 (см)
d=δ1+δ2 (фиг.1)
А атомная масса материалов электродов 2, 3, 5.The short-circuit current density I (A / cm 2 ), the rate of transfer of matter between the
E = ΔT • ΔS / zF
I = x • E / δ
GI • A / zF,
where DT is the temperature difference T 2 and T 3 (K) on the
ΔS entropy of electrolyte formation 4 (J / mol K);
z-valence of the ion;
F Faraday number, 96478 (Coulomb / mol);
x ionic conductivity of
δ the thickness of the
d = δ 1 + δ 2 (Fig. 1)
And the atomic mass of the materials of the
Интегральный тепловой поток Q определяется:
Q=- П•λ•ΔT/δ
где П площадь поверхности электродов 2,3;
l теплопроводность электролита 4;
DT перепад температур T2 и T3;
δ толщина слоя электролита 4 между электродами 2 и 3.The integral heat flux Q is determined by:
Q = - P • λ • ΔT / δ
where P is the surface area of the electrodes 2.3;
l thermal conductivity of
DT temperature difference T 2 and T 3 ;
δ the thickness of the
Таким образом связь между темпом переноса вещества G и интегральным тепловым потоком Q (Вт/см2)имеет вид:
где B тарировочная постоянная, равна x•A•ΔS/λ•z•F2.Thus, the relationship between the rate of transfer of the substance G and the integral heat flux Q (W / cm 2 ) has the form:
where B is a calibration constant equal to x • A • ΔS / λ • z • F 2 .
Массоперенос не зависит от величины зазоров между электродами 2 и 5, 3 и 5, что существенно упрощает конструкцию. Поэтому, зная тарировочную постоянную B и изменение веса G электродов 2 и 3 за время экспозиции, легко определить величину интегрального теплового потока Q, прошедшего через поверхность датчика (через поверхности электродов 2, 3 и 5). Mass transfer does not depend on the gap between the
При изменении массы третьего электрода 5 и с превышением погрешности измерительной аппаратуры определения весовых характеристик (при идентичности материалов электродов 2, 3, 5 и высоком качестве кулонометрического электролита 4) измерение интегрального теплового потока можно считать неточным и не обладающим достоверностью. Кроме того, для анализа причины изменения массы третьего электрода 5 можно выполнить в нем одно или несколько отверстий 7 (фиг. 1), обеспечивающих контролируемое локальное возмущение ионного тока или можно выполнить третий электрод 5, не полностью перекрывающим своей поверхностью в направлении теплового потока по нормали поверхности электродов 2 и 3 (на фиг.1 это показано штрихпунктирной линией). Таким образом, можно провести оценку погрешностей по изменению весовых характеристик третьего электрода 5. When the mass of the
В зависимости от измеряемого диапазона величин интегрального теплового потока электроды 2, 3, 5 могут быть выполнены из различных материалов, а в качестве кулонометрического электролита 4 могут быть использованы жидкие и твердые электролиты, химически не взаимодействующие с материалом электродов 2, 3, 5. В частности, для электродов 2, 3, 5 из меди и серебра могут быть выбраны в качестве электролита 4 водные растворы их сульфатов (жидкие электролиты) или, например, для электродов 2, 3, 5 из серебра в качестве электролита 4 может быть выбран иодид серебра (твердый электролит). Depending on the measured range of integral heat flux values,
Работает датчик интегрального теплового потока следующим образом. The integrated heat flux sensor operates as follows.
Все электроды 2, 3, 5 выполняют из одного и того же химически чистого материала, а электролит 4 подбирается по абсолютной температуре среды в области предполагаемого измерения и по его кулонометрическим качествам. All
Датчик устанавливается так, что чтобы протяженные поверхности электродов 2, 3, 5 располагались по нормали к тепловому потоку, а все электроды 2, 3 и 5 и электролит 4 предварительно взвешиваются. После проведения измерений за необходимое время экспозиции по разнице веса электродов 2 и 3 определяют в соответствии с приведенной выше зависимостью величину интегрального теплового потока. При сохранении веса электрода 5 после проведения временной экспозиции измерение считают достоверным, а при изменении веса электрода 5 определяют с заранее заданной точностью погрешность измерения и проводят анализ причин изменения веса электрода 5 (например, идентичность материалов электродов или отклонение теплового потока от нормали). При выполнении в третьем электроде 5 отверстий или при выборе его поверхности меньшей, чем поверхности взаимодействия электродов 2 и 3, появляется возможность дополнительного контроля причин изменения веса электрода 5 и проведение тройного контроля достоверности проведенных измерений. The sensor is installed so that the extended surfaces of the
Датчик интегрального теплового потока позволяет с точностью 0,5 1% измерять тепловые потери теплосетей, зданий, теплопроводов, тепловых машин, отопительных систем, контролировать парниковый эффект. Для ранней диагностики воспалительных процессов устройством можно контролировать тепловые потоки любых зон человеческого тела. The integral heat flux sensor allows measuring the heat loss of heating systems, buildings, heat pipes, heat engines, heating systems, and controlling the greenhouse effect with an accuracy of 0.5-1%. For early diagnosis of inflammatory processes, the device can control the heat fluxes of any zones of the human body.
В зависимости от условий и диапазона измерений могут быть использованы датчики различного типа, например, Cu/CuSO4/Cu.Depending on the conditions and measurement range, various types of sensors can be used, for example, Cu / CuSO 4 / Cu.
Использование электролитов 4 в виде водных или спиртовых растворов солей, например, Cu/CuSO4 + H2O/Cu отвечает рабочей области температур 30oC + 100oC. Для других областей температур, например, 150 - 500oC, может быть применен датчик Ag/AgI/Ag либо любой другой, использующий электролит 4 с ионной проводимостью в заранее заданном интервале температур. Толщина электродов 2, 3, 5 может быть выбрана порядка 5 100 мкм, а их площадь порядка 1 см2 в зависимости от требуемой точности.The use of
Особые преимущества по экономичности и простоте используемого оборудования имеет заявленное устройство для снятия карт наземных и подводных тепловых потоков в зонах экологического контроля выбросов теплостанций или в регионах загрязнения почв радиоактивными элементами, например, в результате аварий на АЭС. The claimed device for removing maps of ground and underwater heat fluxes in zones of environmental control of emissions of thermal power plants or in regions of soil contamination with radioactive elements, for example, as a result of accidents at nuclear power plants, has particular advantages in terms of economy and simplicity of the equipment used.
В этом случае корпуса 1 датчиков могут быть промаркированы данными о порядковых номерах, датах изготовления, о весе электродов. Датчики устанавливаются в соответствии с исследуемой картой местности на некоторой глубине от поверхности земли, чтобы уменьшить влияние на измерения погодных и сезонных колебаний температуры или внешних механических воздействий в результате сельскохозяйственной обработки почвы и т.п. In this case, the housing 1 of the sensors can be marked with data on serial numbers, manufacturing dates, the weight of the electrodes. The sensors are installed in accordance with the studied map of the area at a certain depth from the earth’s surface in order to reduce the influence on the measurements of weather and seasonal fluctuations in temperature or external mechanical effects as a result of agricultural tillage, etc.
При необходимости измерения теплового потока ≈10-6Вт/см2 за 6 месяцев экспозиции может быть выбран датчик Ag/AgNO3/Ag. Массоперенос серебра за этот период может составлять величину ≈0,762•10-3 г/см2, поэтому электроды 2, 3, 5 целесообразно выполнять из серебренной фольги толщиной порядка 10-2см.If it is necessary to measure a heat flux of ≈10 -6 W / cm 2 for 6 months of exposure, an Ag / AgNO 3 / Ag sensor can be selected. The mass transfer of silver for this period can be ≈0.762 • 10 -3 g / cm 2 ; therefore, it is advisable to make
Взвесив электроды 2, 3, 5 после проведения измерения, можно с высокой точностью определить интегральные тепловые потоки в различных точках на местности. Чем большее количество датчиков использовано, тем выше достоверность полученных результатов. After weighing the
Зная карту интегральных тепловых потоков из недр земли, количество дезактивирующих веществ можно вносить в зависимости от интенсивности тепловых потоков и, таким образом, значительно сократить общее количество затрачиваемых дезактивирующих веществ и времени на проведение дезактивации. Knowing the map of integral heat fluxes from the bowels of the earth, the amount of deactivating substances can be introduced depending on the intensity of heat fluxes and, thus, significantly reducing the total amount of deactivating substances spent and the time spent on decontamination.
Наиболее успешно датчик интегрального теплового потока можно использовать для проведения измерений тепловых потерь различных объектов, а также для контроля и измерения тепловых потоков от различных источников, например, определения тепловых потоков из недр земли для разведки нефтеносных зон, прогнозирования землетрясений, дезактивации почв. The most successful integrated heat flux sensor can be used to measure the heat loss of various objects, as well as to control and measure heat fluxes from various sources, for example, to determine heat fluxes from the bowels of the earth for exploration of oil-bearing zones, earthquake prediction, soil decontamination.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU95109045A RU2084844C1 (en) | 1995-06-01 | 1995-06-01 | Transducer of integral rate of heat flow |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU95109045A RU2084844C1 (en) | 1995-06-01 | 1995-06-01 | Transducer of integral rate of heat flow |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU95109045A RU95109045A (en) | 1997-04-20 |
RU2084844C1 true RU2084844C1 (en) | 1997-07-20 |
Family
ID=20168415
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU95109045A RU2084844C1 (en) | 1995-06-01 | 1995-06-01 | Transducer of integral rate of heat flow |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2084844C1 (en) |
-
1995
- 1995-06-01 RU RU95109045A patent/RU2084844C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. Геращенко О.А. Основы теплометрии. - Киев, 1971, с. 32 - 33, 49 - 50. 2. Ж. "Метрология", 1983, N 2, с. 44 - 50. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU95109045A (en) | 1997-04-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Cook | Estimating groundwater discharge to rivers from river chemistry surveys | |
Gee et al. | A vadose zone water fluxmeter with divergence control | |
DE3024417C2 (en) | ||
Mourzina et al. | Copper, cadmium and thallium thin film sensors based on chalcogenide glasses | |
Polvani et al. | Transport and mixing of chemical air masses in idealized baroclinic life cycles | |
Hambly et al. | Evaluation, Pitfalls and Recommendations for the “Water Layer Test” for Solid Contact Ion‐selective Electrodes | |
Damgaard et al. | Electric potential microelectrode for studies of electrobiogeophysics | |
CN101472672A (en) | Lithium ion-selective membrane | |
Mourzina et al. | A new thin-film Pb microsensor based on chalcogenide glasses | |
US4495050A (en) | Temperature insensitive potentiometric electrode system | |
Teasdale et al. | Practical improvements for redox potential (EH) measurements and the application of a multiple-electrode redox probe (MERP) for characterising sediment in situ | |
Rhoades | Determining soil salinity from measurements of electrical conductivity | |
Lei et al. | Tracing sediment dynamics and sources in eroding rills with rare earth elements | |
Muralidharan et al. | Electrochemical studies on the performance characteristics of alkaline solid embeddable sensor for concrete environments | |
RU2084844C1 (en) | Transducer of integral rate of heat flow | |
Zirino | Measurement of the apparent pH of seawater with a combination microelectrode 1 | |
Allison et al. | Estimation of the isotopic composition of lake evaporate | |
Ermolenko et al. | New membrane material for thallium (I)-selective sensors based on arsenic sulfide glasses | |
Arida et al. | A New Cesium Ion Selective Graphite Rod Electrode Based on Cs‐Molybdophosphate | |
Sophocleous et al. | A Stand-Alone, In Situ, Soil Quality Sensing System for Precision Agriculture | |
Le Bris et al. | Automated pH-ISFET measurements under hydrostatic pressure for marine monitoring application | |
Gurumoorthy et al. | Experimental methodology to assess contaminant diffusion in rock mass | |
Jackson | In situ calibration of time domain reflectometry sensors in multiple soils | |
Jimenez et al. | Development of a multiparametric system based on solid-state microsensors for monitoring a nuclear waste repository | |
Kelly et al. | Dry, drier, driest: Differentiating flow patterns across a gradient of intermittency |