RU2330270C2 - Device and calculation method of thermal resistivity - Google Patents
Device and calculation method of thermal resistivity Download PDFInfo
- Publication number
- RU2330270C2 RU2330270C2 RU2006120331/28A RU2006120331A RU2330270C2 RU 2330270 C2 RU2330270 C2 RU 2330270C2 RU 2006120331/28 A RU2006120331/28 A RU 2006120331/28A RU 2006120331 A RU2006120331 A RU 2006120331A RU 2330270 C2 RU2330270 C2 RU 2330270C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reference object
- heat
- temperature
- temperature meter
- heat flux
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к строительной технике и может быть преимущественно использовано для измерения удельного теплового сопротивления различных строительных конструкций, например стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др.The invention relates to construction equipment and can be mainly used to measure the specific thermal resistance of various building structures, for example walls, ceilings, floors, bulkheads, ceilings, etc.
Известны способ бурения скважин и устройство для его осуществления [1], позволяющие получать образцы материалов с различной глубины. Измеряя параметры этих образцов, можно получить информацию о физических и химических свойствах и конфигурации глубинных слоев. Недостаток известных способа и устройства для его осуществления заключается в том, что они не обеспечивают неразрушающего контроля исследуемого объекта.A known method of drilling wells and a device for its implementation [1], allowing to obtain samples of materials from various depths. By measuring the parameters of these samples, one can obtain information on the physical and chemical properties and configuration of the deep layers. A disadvantage of the known method and device for its implementation is that they do not provide non-destructive testing of the studied object.
Известны многочисленные варианты способов ультразвуковой дефектоскопии и устройств, их реализующих, например [2, 3], позволяющие определить наличие неоднородностей в различных конструкциях и конфигурацию этих неоднородностей, однако приборы такого рода не позволяют провести измерение теплофизических характеристик исследуемых материалов, в частности удельного теплового сопротивления.Numerous variants of ultrasonic flaw detection methods and devices that implement them, for example, are known [2, 3], which make it possible to determine the presence of inhomogeneities in various structures and the configuration of these inhomogeneities, however, devices of this kind do not allow measuring the thermophysical characteristics of the materials under study, in particular, thermal resistivity.
Известны многочисленные варианты способов для измерения теплофизических характеристик различных радиоэлектронных приборов, например описанный в [4] способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов. Недостаток известного технического решения заключается в узкой области применения: его можно использовать только для измерения теплофизических характеристик радиоэлектронных приборов, причем одного их класса - полупроводниковых диодов.Numerous options are known for measuring the thermophysical characteristics of various electronic devices, for example, the method described in [4] for determining the thermal resistance of the junction-case semiconductor diodes. A disadvantage of the known technical solution lies in a narrow scope: it can only be used to measure the thermophysical characteristics of electronic devices, and one of their class is semiconductor diodes.
Известны многочисленные варианты устройств для измерения теплофизических характеристик различных радиоэлектронных приборов, например устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов [5]. Недостаток известного технического решения заключается в узкой области применения: его можно использовать только для измерения теплового сопротивления радиоэлектронных приборов, причем одного их класса - транзисторов.Numerous variants of devices are known for measuring the thermophysical characteristics of various electronic devices, for example, a device for measuring the thermal resistance of transistors [5]. A disadvantage of the known technical solution lies in the narrow scope: it can only be used to measure the thermal resistance of electronic devices, and one of their class is transistors.
Известно описанное в [6] устройство для определения характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, термопару и электронный блок обработки. Термопара расположена на поверхности исследуемого образца. Выход термопары подключен к входу электронного блока обработки. Главный недостаток известного устройства заключается в том, что при использовании импульсного нагрева необходима сложная обработка результатов измерений, для чего требуется сложная аппаратура. Это приводит к значительному удорожанию проведения измерений. Кроме того, большая сложность обработки результатов измерений приводит к снижению их точности и достоверности.A device for determining the characteristics of materials described in [6] is known, comprising a source of pulsed heating, a thermocouple, and an electronic processing unit. A thermocouple is located on the surface of the test sample. The output of the thermocouple is connected to the input of the electronic processing unit. The main disadvantage of the known device is that when using pulsed heating requires complex processing of the measurement results, which requires sophisticated equipment. This leads to a significant increase in the cost of measurements. In addition, the great complexity of processing the measurement results leads to a decrease in their accuracy and reliability.
Известно применение тепловизора для измерения теплофизических характеристик ограждающих конструкций [7]. Недостаток этого варианта заключается в высокой стоимости тепловизора и необходимости использовать обслуживающий персонал высокой квалификации.It is known to use a thermal imager to measure the thermophysical characteristics of walling [7]. The disadvantage of this option is the high cost of the thermal imager and the need to use highly qualified staff.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ измерения удельных тепловых сопротивлений ограждающих конструкций, использующий стационарный тепловой процесс [8]. Известный способ заключается в том, что формируют тепловой поток, который пропускают через исследуемый объект, при этом измеряют зависимость от времени температуры внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют зависимость от времени температуры наружной поверхности исследуемого объекта, дожидаются наступления стационарного режима теплопередачи (неизменности во времени значений всех измеряемых значений температуры). Полученные в стационарном режиме теплопередачи значения температур используются при расчете величины удельного теплового сопротивления.Closest to the technical nature of the claimed method is a method of measuring specific thermal resistances of building envelopes using a stationary thermal process [8]. The known method consists in generating a heat flux which is passed through the test object, measuring the time dependence of the temperature of the inner surface of the test object, measuring the time dependence of the temperature of the outer surface of the test object, waiting for the onset of the stationary heat transfer mode (time constant values of all measured temperature values). The temperature values obtained in the stationary heat transfer mode are used in calculating the specific thermal resistance.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство [9], использующее стационарный режим теплопередачи. Оно содержит источник тепловой энергии, измеритель температуры, электронный блок обработки, при этом выход измерителя температуры соединен с входом электронного блока обработки. Оно также дополнительно содержит наружный теплообменник, первый соединительный трубопровод, второй соединительный трубопровод, устройство для прокачивания теплоносителя, второй, третий и четвертый измерители температуры, при этом в качестве источника тепловой энергии применен преобразователь электрической энергии в тепловую энергию, содержащий нагревательный элемент и корпус-теплообменник, выход первого соединительного трубопровода соединен с входом наружного теплообменника, выход наружного теплообменника соединен с входом второго соединительного трубопровода, выход второго соединительного трубопровода соединен с входом устройства для прокачивания теплоносителя, выход устройства для прокачивания теплоносителя соединен с входом первого соединительного трубопровода, наружная поверхность наружного теплообменника снабжена тепловой изоляцией, кроме примыкающей к наружной поверхности исследуемого объекта наружной поверхности наружного теплообменника, наружная поверхность корпуса-теплообменника снабжена тепловой изоляцией, кроме примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта наружной поверхности корпуса-теплообменника, измеритель температуры размещен внутри первого соединительного трубопровода, второй измеритель температуры размещен на неснабженной тепловой изоляцией наружной поверхности наружного теплообменника, третий измеритель температуры размещен внутри второго соединительного трубопровода, четвертый измеритель температуры размещен на не снабженной тепловой изоляцией наружной поверхности корпуса-теплообменника, выход второго измерителя температуры соединен с вторым входом электронного блока обработки, выход третьего измерителя температуры соединен с третьим входом электронного блока обработки, а выход четвертого измерителя температуры соединен с четвертым входом электронного блока обработки.The closest in technical essence to the claimed device is a device [9] using a stationary heat transfer mode. It contains a source of thermal energy, a temperature meter, an electronic processing unit, while the output of the temperature meter is connected to the input of the electronic processing unit. It also additionally contains an external heat exchanger, a first connecting pipe, a second connecting pipe, a device for pumping a coolant, a second, third and fourth temperature measuring device, while an electric energy to thermal energy converter comprising a heating element and a heat exchanger is used as a source of thermal energy , the output of the first connecting pipe is connected to the input of the external heat exchanger, the output of the external heat exchanger is connected to the input of the second of the second connecting pipe, the output of the second connecting pipe is connected to the input of the device for pumping the coolant, the output of the device for pumping the coolant is connected to the inlet of the first connecting pipe, the outer surface of the external heat exchanger is provided with thermal insulation, except the outer surface of the external heat exchanger adjacent to the outer surface of the test object, the outer surface the heat exchanger case is equipped with thermal insulation, except adjacent to the internal the surface of the object under study the outer surface of the heat exchanger housing, a temperature meter is placed inside the first connecting pipe, a second temperature meter is placed on the external surface of the external heat exchanger without heat insulation, a third temperature meter is located inside the second connecting pipe, the fourth temperature meter is located on the outer surface not equipped with thermal insulation heat exchanger housing, the output of the second temperature meter is connected with the second input of the electronic processing unit, the output of the third temperature meter is connected to the third input of the electronic processing unit, and the output of the fourth temperature meter is connected to the fourth input of the electronic processing unit.
Недостаток известных технических решений (способа и устройства) заключается в низких потребительских свойствах за счет низких точности и достоверности. Наличие этого недостатка вызвано тем, что в известных способе и устройстве никак не учитываются потери, обусловленные тем, что часть тепловой энергии уходит от источника тепловой энергии и наружного теплообменника в окружающую среду, а часть поступающей в исследуемый объект тепловой энергии уходит по исследуемому объекту в стороны от главного направления распространения теплового потока по исследуемому объекту (это явление называется боковым теплообменом).A disadvantage of the known technical solutions (method and device) is low consumer properties due to low accuracy and reliability. The presence of this drawback is due to the fact that the known method and device do not take into account losses due to the fact that part of the thermal energy leaves the heat source and the external heat exchanger in the environment, and part of the thermal energy entering the object under investigation goes sideways from the main direction of heat flux propagation through the studied object (this phenomenon is called lateral heat transfer).
Пусть в качестве источника, формирующего тепловой поток, используется внутренний теплообменник, примыкающий к внутренней поверхности исследуемого объекта. Предположим, что к наружной поверхности исследуемого объекта примыкает наружный теплообменник, причем теплоноситель вначале проходит через наружный теплообменник, затем нагревается, после чего проходит через внутренний теплообменник.Let the internal heat exchanger adjacent to the inner surface of the object under study be used as the source forming the heat flux. Suppose that an external heat exchanger is adjacent to the outer surface of the test object, and the coolant first passes through the external heat exchanger, then heats up, and then passes through the internal heat exchanger.
Тогда тепловая мощность P1, выделяемая в источнике тепла, формирующем тепловой поток, и определяемая соотношениемThen the heat power P 1 allocated in the heat source forming the heat flux, and determined by the ratio
где С - удельная теплоемкость теплоносителя, М - массовый расход теплоносителя, t01 - температура теплоносителя на входе во внутренний теплообменник, tв - температура внутренней поверхности исследуемого объекта, расходуется на нагрев исследуемого объекта и тепловые потери через тепловую изоляцию в окружающую среду, то естьwhere C is the specific heat of the coolant, M is the mass flow rate of the coolant, t 01 is the temperature of the coolant at the entrance to the internal heat exchanger, t in is the temperature of the inner surface of the test object, is spent on heating the test object and heat loss through thermal insulation into the environment, i.e.
где Pст - тепловой поток, входящий в исследуемый объект, Рос - тепловой поток, уходящий через теплоизоляцию в окружающую среду.where P article is the heat flux entering the investigated object, P OS is the heat flux leaving through the insulation into the environment.
В свою очередь, тепловой поток, входящий в исследуемый объект, разделяется на две частиIn turn, the heat flux entering the object under study is divided into two parts
где Рп - полезный тепловой поток, доходящий до наружного теплообменника; PБ - тепловой поток, распространяющийся в исследуемом объекте в боковых направлениях.where R p - useful heat flow reaching the external heat exchanger; P B - heat flow propagating in the studied object in the lateral directions.
Полезный тепловой поток в стационарном тепловом режиме затрачивается на нагрев теплоносителя и на тепловые потери через тепловую изоляцию, которой снабжен наружный теплообменник, в окружающую среду:Useful heat flow in a stationary heat regime is spent on heating the coolant and heat loss through thermal insulation, which is equipped with an external heat exchanger, in the environment:
где Рс - мощность теплового потока, уходящего через тепловую изоляцию, которой снабжен наружный теплообменник, в окружающую среду, tн - температура наружной поверхности теплоносителя, t02 - температура теплоносителя на входе в наружный теплообменник.where P c is the power of the heat flow leaving through the thermal insulation that the external heat exchanger is supplied to the environment, t n is the temperature of the outer surface of the coolant, t 02 is the temperature of the coolant at the entrance to the external heat exchanger.
Таким образом, величина тепловой мощности, потребляемой наружным теплообменником, меньше величины Рп.Thus, the amount of thermal power consumed by the external heat exchanger is less than the value of P p .
Из соотношений (3) и (2) следуетFrom relations (3) and (2) it follows
Подставив в (5) соотношение (1) и приравняв правые части (5) и (4), получимSubstituting relation (1) into (5) and equating the right-hand sides of (5) and (4), we obtain
Из (6) видно, что разница между тепловой мощностью, отдаваемой источником тепловой энергии, и принимаемой наружным теплообменником тепловой мощностью состоит из трех компонент:From (6) it can be seen that the difference between the heat output from the heat source and the heat output received by the external heat exchanger consists of three components:
каждая из которых (Рос, РБ, Рс) требует отдельного учета.each of which (R OS , R B , R s ) requires separate accounting.
Задачей изобретения является повышение потребительских свойств за счет повышения точности и достоверности путем учета бокового теплообмена.The objective of the invention is to increase consumer properties by improving the accuracy and reliability by taking into account lateral heat transfer.
Решение поставленной задачи в соответствии с п.1 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известный способ, заключающийся в формировании теплового потока, пропускании теплового потока от внутренней поверхности исследуемого объекта к наружной поверхности исследуемого объекта, измерении зависимости от времени температуры внутренней поверхности исследуемого объекта в области прохождения теплового потока, измерении зависимости от времени температуры наружной поверхности исследуемого объекта в области прохождения теплового потока, внесены следующие усовершенствования: тепловой поток перед пропусканием через исследуемый объект пропускают через первый эталонный объект, тепловой поток после пропускания через исследуемый объект пропускают через второй эталонный объект, измеряют зависимость от времени температуры поверхности первого эталонного объекта в области входа теплового потока в первый эталонный объект и измеряют зависимость от времени температуры поверхности второго эталонного объекта в области выхода теплового потока из второго эталонного объекта, определяют перепады температур с использованием первого эталонного объекта и второго эталонного объекта, с учетом которых определяют тепловые потери и величину удельного теплового сопротивления.The solution of the problem in accordance with claim 1 is ensured by the fact that in the known method, which consists in forming a heat flux, passing a heat flux from the inner surface of the test object to the outer surface of the test object, measuring the time dependence of the temperature of the inner surface of the test object in the region the passage of heat flow, measuring the time dependence of the temperature of the outer surface of the test object in the area of heat flow a, the following improvements have been made: the heat flow before passing through the test object is passed through the first reference object, the heat flow after passing through the test object is passed through the second reference object, the time dependence of the surface temperature of the first reference object is measured in the region of the heat flux entering the first reference object and measuring the time dependence of the surface temperature of the second reference object in the region of the heat flux exit from the second reference object, predelyayut temperature differences using a first reference object and the second reference object, which is determined considering the heat losses and the value of specific thermal resistance.
Такой вариант реализации заявленного способа измерения удельного теплового сопротивления позволяет повысить потребительские свойства за счет повышения точности и достоверности путем учета бокового теплообмена, так как перед пропусканием теплового потока через исследуемый объект тепловой поток пропускают через первый эталонный объект и после пропускания теплового потока через исследуемый объект тепловой поток пропускают через второй эталонный объект.This embodiment of the inventive method for measuring specific heat resistance allows to increase consumer properties by increasing accuracy and reliability by taking into account lateral heat transfer, since before passing the heat flux through the test object, the heat flux is passed through the first reference object and after passing the heat flux through the studied object the heat flux passed through a second reference object.
Решение поставленной задачи в соответствии с п.2 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее источник тепловой энергии, вырабатывающий тепловой поток, первый измеритель температуры, второй измеритель температуры, третий измеритель температуры, четвертый измеритель температуры, электронный блок обработки, выход первого измерителя температуры соединен с первым входом электронного блока обработки, выход второго измерителя температуры соединен с вторым входом электронного блока обработки, выход третьего измерителя температуры соединен с третьим входом электронного блока обработки, выход четверного измерителя температуры соединен с четвертым входом электронного блока обработки, внесены следующие усовершенствования: оно дополнительно содержит первый эталонный объект и второй эталонный объект, при этом обеспечивается прохождение теплового потока последовательно через первый эталонный объект, исследуемый объект и второй эталонный объект, первый измеритель температуры размещен между наружной поверхностью источника тепловой энергии и наружной поверхностью первого эталонного объекта в области прохождения теплового потока, второй измеритель температуры размещен между наружной поверхностью первого эталонного объекта и внутренней поверхностью исследуемого объекта в области прохождения теплового потока, третий измеритель температуры размещен между наружной поверхностью исследуемого объекта и примыкающей к ней наружной поверхностью второго эталонного объекта в области прохождения теплового потока, четвертый измеритель температуры размещен на наружной поверхности второго эталонного объекта в области выхода теплового потока из второго эталонного объекта, причем электронный блок обработки обеспечивает возможность вычисления удельного теплового сопротивления по сигналам от первого, второго, третьего и четвертого измерителей температуры.The solution of the problem in accordance with paragraph 2 of the claims is ensured by the fact that in a known device containing a heat source generating heat flow, a first temperature meter, a second temperature meter, a third temperature meter, a fourth temperature meter, an electronic processing unit, the output of the first the temperature meter is connected to the first input of the electronic processing unit, the output of the second temperature meter is connected to the second input of the electronic processing unit, the third output of the third temperature meter is connected to the third input of the electronic processing unit, the output of the fourth temperature meter is connected to the fourth input of the electronic processing unit, the following improvements are made: it additionally contains a first reference object and a second reference object, while the heat flow passes sequentially through the first reference object, the studied object and the second reference object, the first temperature meter is located between the outer surface of the heat source and the outer surface of the first reference object in the area of heat flow, the second temperature meter is located between the outer surface of the first reference object and the inner surface of the object in the region of heat flow, the third temperature meter is located between the outer surface of the object and adjacent to the outer surface of the second the reference object in the field of heat flow, the fourth temperature meter is placed on the outer turn NOSTA second reference object in the heat flux exit area of the second reference object, wherein the electronic processing unit provides the possibility of calculating the thermal resistance on the signals from the first, second, third and fourth temperature gauges.
Такой вариант выполнения заявленного устройства для измерения удельного теплового сопротивления позволяет повысить потребительские свойства за счет повышения точности и достоверности путем учета бокового теплообмена, так как применение первого эталонного объекта позволяет задавать тепловой поток, входящий в исследуемый объект, а применение второго эталонного объекта позволяет определять тепловой поток, выходящий из исследуемого объекта.This embodiment of the inventive device for measuring specific heat resistance can improve consumer properties by improving accuracy and reliability by taking into account lateral heat transfer, since the use of the first reference object allows you to set the heat flux included in the test object, and the use of the second reference object allows you to determine the heat flux coming out of the investigated object.
В частном случае (п.3 формулы изобретения) первый эталонный объект выполнен трехслойным, причем его слои расположены последовательно по направлению распространения теплового потока. Выполнение в первом эталонном объекте первого и третьего слоев из материалов с высокой теплопроводностью позволяет обеспечить равномерное температурное поле в направлениях, перпендикулярных направлению распространения теплового потока.In the particular case (claim 3 of the claims), the first reference object is made three-layer, and its layers are arranged sequentially in the direction of propagation of the heat flux. The implementation in the first reference object of the first and third layers of materials with high thermal conductivity allows you to provide a uniform temperature field in directions perpendicular to the direction of propagation of the heat flux.
В частном случае (п.4 формулы изобретения) второй эталонный объект выполнен трехслойным, причем его слои расположены последовательно по направлению распространения теплового потока. Выполнение во втором эталонном объекте первого и третьего слоев из материалов с высокой теплопроводностью позволяет обеспечить равномерное температурное поле в направлениях, перпендикулярных направлению распространения теплового потока.In the particular case (claim 4 of the claims), the second reference object is made three-layer, and its layers are arranged sequentially in the direction of propagation of the heat flux. The implementation in the second reference object of the first and third layers of materials with high thermal conductivity allows you to provide a uniform temperature field in directions perpendicular to the direction of propagation of the heat flux.
В частном случае (п.5 формулы полезной модели) устройство для измерения удельного теплового сопротивления дополнительно содержит тепловую изоляцию, причем наружная поверхность источника тепловой энергии снабжена тепловой изоляцией, кроме примыкающей к наружной поверхности первого эталонного объекта, наружная поверхность первого эталонного объекта снабжена тепловой изоляцией, кроме примыкающей к наружной поверхности источника тепловой энергии и примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта. Такой вариант конструктивного выполнения устройства позволяет снизить энергетические потери при проведении измерений.In the particular case (Claim 5 of the utility model formula), the device for measuring specific thermal resistance additionally contains thermal insulation, the outer surface of the heat energy source being provided with thermal insulation, in addition to adjacent to the outer surface of the first reference object, the outer surface of the first reference object is provided with thermal insulation, except adjacent to the outer surface of the source of thermal energy and adjacent to the inner surface of the investigated object. This embodiment of the design of the device allows to reduce energy losses during measurements.
Покажем, что поставленная задача изобретения действительно решается в заявленных способе и устройстве.We show that the task of the invention is really solved in the claimed method and device.
Рассмотрим для простоты, что в качестве источника тепловой энергии используется преобразователь электрической энергии в тепловую энергию. В таком источнике тепловой энергии выделяется тепловая мощность Р, определяемая из соотношенияLet us consider for simplicity that a transformer of electric energy into thermal energy is used as a source of thermal energy. In such a source of thermal energy, the thermal power P is determined, which is determined from the relation
где I - сила тока, проходящего через нагреватель [A], U - приложенное к нагревателю напряжение [В].where I is the current flowing through the heater [A], U is the voltage [V] applied to the heater.
Удельный тепловой поток q в Вт/м2 определяется по формулеThe specific heat flux q in W / m 2 is determined by the formula
где F - площадь контакта первого эталонного объекта с исследуемым объектом.where F is the contact area of the first reference object with the studied object.
В стационарном тепловом режиме выполняется следующее соотношениеIn stationary thermal mode, the following relation holds
где Δt1 - перепад температур на втором слое первого эталонного объекта с известным для данного слоя тепловым сопротивлением r1 [К/Вт]; Δt2 - перепад температур на втором слое второго эталонного объекта с известным для данного слоя тепловым сопротивлением r2; Δtc - перепад температур в исследуемом объекте, суммарное тепловое сопротивление которого rс подлежит измерению; q1, qc, q2 - удельные тепловые потоки, определяющие потери тепловой энергии за счет неодномерности распространения теплового потока от источника тепловой энергии к третьему слою второго эталонного объекта.where Δt 1 is the temperature difference on the second layer of the first reference object with a known thermal resistance r 1 [K / W] for this layer; Δt 2 - temperature difference on the second layer of the second reference object with a known thermal resistance r 2 for this layer; Δt c is the temperature difference in the studied object, the total thermal resistance of which r s to be measured; q 1 , q c , q 2 - specific heat fluxes that determine the loss of thermal energy due to the non-uniformity of the propagation of the heat flux from the heat source to the third layer of the second reference object.
Из (10) можно получить следующие соотношения:From (10) we can obtain the following relations:
Рассмотрим вначале ситуацию, когда боковые потери тепловой энергии малы, что может быть задано соотношениями:Let us first consider the situation when the lateral losses of thermal energy are small, which can be specified by the relations:
В этом случае вместо (11)-(13) можно записатьIn this case, instead of (11) - (13), we can write
В соотношениях (17)-(19), как и в (11)-(13), задаваемыми величинами являются q, r1 и r2, а измеряемыми - Δtc, Δt1 и Δt2.In relations (17) - (19), as in (11) - (13), the given quantities are q, r 1 and r 2 , and the measured ones are Δt c , Δt 1 and Δt 2 .
При выполнении условий (14)-(16) по любой из формул (17)-(19) легко определить тепловое сопротивление исследуемого объекта (как однородного, так и составного - из нескольких слоев). В противном случае определение теплового сопротивления rс усложняется.When conditions (14) - (16) are fulfilled, it is easy to determine the thermal resistance of the object under study (either homogeneous or composite from several layers) using any of formulas (17) - (19). Otherwise, the determination of thermal resistance r c is complicated.
Наиболее строго выполняется условие (16). Это обусловлено тем, что второй слой второго эталонного объекта принимается тонким, а первый и третий слои второго эталонного объекта изготавливаются из материала с высокой теплопроводностью, например из меди, что исключает возникновение значимого градиента температур из центра к краям, а следовательно, не приводит к заметным поперечным тепловым потокам.Condition (16) is most strictly satisfied. This is because the second layer of the second reference object is taken thin, and the first and third layers of the second reference object are made of a material with high thermal conductivity, for example, copper, which eliminates the occurrence of a significant temperature gradient from the center to the edges, and therefore does not lead to noticeable transverse heat fluxes.
По той же причине можно считать, что выполняется соотношениеFor the same reason, we can assume that the relation
С учетом (20) и (16) соотношения (11)-(13) можно представить в видеIn view of (20) and (16), relations (11) - (13) can be represented as
Из сопоставления соотношений (17)-(19) и (21)-(23) видно, что определение величины rc по формулам (17) и (18) дают заниженное значение определяемой величины удельного теплового сопротивления. Формулы (19) и (23) совпадают, поэтому можно считать, что они позволяют определять значение rс с минимальной погрешностью.A comparison of relations (17) - (19) and (21) - (23) shows that the determination of r c using formulas (17) and (18) gives an underestimated value of the determined value of the specific thermal resistance. Formulas (19) and (23) coincide, therefore, we can assume that they allow us to determine the value of r with a minimum error.
На практике величина qc неустранима и труднооценима до начала проведения измерений, но ее можно определить, приравнивая правые части формул (21) и (23), а также (22), и (23), в результате можно получить соответственно:In practice, the value of q c is unavoidable and difficult to evaluate before measurements are taken, but it can be determined by equating the right-hand sides of formulas (21) and (23), as well as (22), and (23), as a result, we can obtain, respectively:
Таким образом, измерив в эксперименте три температурных перепада: Δt1, Δtc и Δt2, можно определить тепловые потери qc, а также и величину удельного теплового сопротивления rс по одной из формул (21), (22) и (23) с учетом (24).Thus, by measuring in the experiment three temperature differences: Δt 1 , Δt c and Δt 2 , it is possible to determine the heat loss q c , as well as the value of the specific heat resistance r s according to one of the formulas (21), (22) and (23) taking into account (24).
В процессе измерений удобно использовать такие первый и второй эталонные объекты, в которых вторые слои имеют равные тепловые сопротивления, то есть когда выполняется равенство:In the measurement process, it is convenient to use such first and second reference objects in which the second layers have equal thermal resistances, that is, when the equality is satisfied:
В этом случае из (24) можно получитьIn this case, from (24) we can obtain
то есть потери на боковой теплообмен оказываются пропорциональными разнице перепадов температур на втором слое первого эталонного образца и на втором слое второго эталонного образца.that is, losses on lateral heat transfer are proportional to the difference in temperature differences on the second layer of the first reference sample and on the second layer of the second reference sample.
Легко видеть, что, подставив (26) в (22), получим соотношение, точно совпадающее с (23), которое и можно использовать для определения искомой величины удельного теплового сопротивления исследуемого объекта.It is easy to see that, substituting (26) into (22), we obtain a relation exactly coinciding with (23), which can be used to determine the desired value of the specific thermal resistance of the object under study.
Таким образом, достоинством описанных способа и устройства является возможность учета бокового теплообмена, поэтому заявленные технические решения свободны от указанного недостатка, присущего способу-прототипу и устройству-прототипу. Это обусловлено тем, что в заявленных способе и устройстве непосредственно измеряется входящий в исследуемый объект тепловой поток (по перепаду температур в первом эталонном объекте с известным тепловым сопротивлением). Поэтому потери Рос никак не влияют на результаты измерений. Величина же Рс вообще равна тепловому потоку, проходящему через второй эталонный объект. В результате единственной, требующей учета величиной тепловых потерь является тепловой поток РБ. Очевидно, что по этим причинам различие между тепловыми потоками, проходящими через первый и второй эталонные объекты, значительно снижается.Thus, the advantage of the described method and device is the ability to take into account lateral heat transfer, therefore, the claimed technical solutions are free from this drawback inherent in the prototype method and the prototype device. This is due to the fact that the claimed method and device directly measures the heat flux entering the test object (according to the temperature difference in the first reference object with a known thermal resistance). Therefore, the loss of P OS does not affect the measurement results. The value of P c is generally equal to the heat flux passing through the second reference object. As a result, the only heat loss that needs to be taken into account is the heat flux R B. Obviously, for these reasons, the difference between heat fluxes passing through the first and second reference objects is significantly reduced.
Итак, задача изобретения действительно решается в заявленных способе измерения удельного теплового сопротивления и устройстве для его осуществления.So, the objective of the invention is really solved in the claimed method of measuring specific thermal resistance and a device for its implementation.
Сущность изобретения поясняется описанием варианта выполнения заявленного устройства и чертежом, на котором приведена схема варианта конструктивного выполнения заявленного устройства.The invention is illustrated by a description of an embodiment of the claimed device and a drawing, which shows a diagram of a variant of the structural embodiment of the claimed device.
Устройство для измерения удельного теплового сопротивления содержит источник тепловой энергии, вырабатывающий тепловой поток, первый измеритель 1 температуры, второй измеритель 2 температуры, третий измеритель 3 температуры, четвертый измеритель 4 температуры, электронный блок 5 обработки, выход первого измерителя 1 температуры соединен с первым входом электронного блока 5 обработки, выход второго измерителя 2 температуры соединен с вторым входом электронного блока 5 обработки, выход третьего измерителя 3 температуры соединен с третьим входом электронного блока 5 обработки, выход четверного измерителя 4 температуры соединен с четвертым входом электронного блока 5 обработки. Устройство для измерения удельного теплового сопротивления также содержит первый эталонный объект 6 и второй эталонный объект 7, при этом обеспечивается прохождение теплового потока последовательно через первый эталонный объект 6, исследуемый объект 8 и второй эталонный объект 7, первый измеритель 1 температуры размещен между наружной поверхностью источника тепловой энергии и наружной поверхностью первого эталонного объекта 6 в области прохождения теплового потока, второй измеритель 2 температуры размещен между наружной поверхностью первого эталонного объекта 6 и внутренней поверхностью исследуемого объекта 8 в области прохождения теплового потока, третий измеритель 3 температуры размещен между наружной поверхностью исследуемого объекта 8 и примыкающей к ней наружной поверхностью второго эталонного объекта 7 в области прохождения теплового потока, четвертый измеритель температуры 4 размещен на наружной поверхности второго эталонного объекта 7 в области выхода теплового потока из второго эталонного объекта 7, причем электронный блок 5 обработки обеспечивает возможность вычисления удельного теплового сопротивления по сигналам от первого 1, второго 2, третьего 3 и четвертого 4 измерителей температуры.The device for measuring specific thermal resistance contains a heat source generating heat flux, a first temperature meter 1, a second temperature meter 2, a third temperature meter 3, a fourth temperature meter 4, an electronic processing unit 5, the output of the first temperature meter 1 is connected to the first electronic input processing unit 5, the output of the second temperature meter 2 is connected to the second input of the electronic processing unit 5, the output of the third temperature meter 3 is connected to the third by the course of the electronic processing unit 5, the output of the fourth temperature meter 4 is connected to the fourth input of the electronic processing unit 5. The device for measuring the thermal resistivity also contains a first reference object 6 and a second reference object 7, while the heat flow passes sequentially through the first reference object 6, the test object 8 and the second reference object 7, the first temperature meter 1 is placed between the outer surface of the heat source energy and the outer surface of the first reference object 6 in the area of passage of the heat flux, the second temperature meter 2 is placed between the outer surface p of the first reference object 6 and the inner surface of the studied object 8 in the area of heat flow, the third temperature meter 3 is placed between the outer surface of the studied object 8 and adjacent to the outer surface of the second reference object 7 in the region of heat flow, the fourth temperature meter 4 is placed on the outer the surface of the second reference object 7 in the area of the heat flux exit from the second reference object 7, and the electronic processing unit 5 provides st computing specific heat resistance on the signals from the first 1, second 2, third 3 and fourth 4 temperature gauges.
Наружная поверхность источника тепловой энергии снабжена тепловой изоляцией 9, кроме примыкающей к наружной поверхности первого эталонного объекта 6, наружная поверхность первого эталонного объекта 6 снабжена тепловой изоляцией 9, кроме примыкающей к наружной поверхности источника тепловой энергии и примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта 8.The outer surface of the thermal energy source is provided with thermal insulation 9, in addition to adjacent to the outer surface of the first reference object 6, the outer surface of the first reference object 6 is provided with thermal insulation 9, except for adjacent to the outer surface of the thermal energy source and adjacent to the inner surface of the studied object 8.
Источник тепловой энергии содержит корпус-теплообменник 10, внутри которого размещен нагревательный элемент 11. Измеритель тока 12 предназначен для измерения величины проходящего через нагревательный элемент 11 электрического тока. Клеммы 13 и 14 предназначены для подключения источника тепловой энергии к внешнему источнику электрической энергии. Первый эталонный объект 6 выполнен трехслойным, причем его слои 15, 16 и 17 расположены последовательно по направлению распространения теплового потока. Второй эталонный объект 7 выполнен трехслойным, причем его слои 18, 19 и 20 расположены последовательно по направлению распространения теплового потока.The thermal energy source contains a heat exchanger housing 10, inside which a heating element 11 is placed. A current meter 12 is designed to measure the amount of electric current passing through the heating element 11. Terminals 13 and 14 are designed to connect a heat source to an external source of electrical energy. The first reference object 6 is made three-layer, and its layers 15, 16 and 17 are arranged sequentially in the direction of propagation of the heat flux. The second reference object 7 is made three-layer, and its layers 18, 19 and 20 are arranged sequentially in the direction of propagation of the heat flux.
Устройство работает следующим образом. Вырабатываемый источником тепловой энергии (заключенным в корпус-теплообменник 10 нагревательным элементом 11) тепловой поток проходит последовательно через первый эталонный объект 6, исследуемый объект 8 и второй эталонный объект 7. Сигналы от измерителей 1, 2, 3 и 4 температуры поступают в электронный блок обработки 5, который производит вычисление удельного теплового сопротивления.The device operates as follows. The heat flux generated by the heat energy source (heating element 11 enclosed in the heat exchanger housing 10) passes the heat flow sequentially through the first reference object 6, the test object 8 and the second reference object 7. The signals from the temperature meters 1, 2, 3 and 4 are fed to the electronic processing unit 5, which calculates the specific thermal resistance.
При проведении эталонных измерений необходимо дождаться установления стационарного теплового режима. Наступление этого режима определяется по неизменности во времени показаний значений температуры, измеряемых первым 1, вторым 2, третьим 3 и четвертым 4 измерителями температуры. Эти экспериментально полученные величины используются при расчете удельного теплового сопротивления.When conducting reference measurements, it is necessary to wait until the stationary thermal regime is established. The onset of this mode is determined by the invariance in time of the temperature readings measured by the first 1, second 2, third 3 and fourth 4 temperature meters. These experimentally obtained values are used in calculating the specific thermal resistance.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES
1. Сухов Р.И., Лебедкин Ю.М., Кузнецов В.Г. и др. Способ бурения скважин и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение №2237148, приор. 1999.10.06, опубл. 2001.07.20, МПК7 Е21В 6/02, Е21В 7/00, Е21В 10/36.1. Sukhov R.I., Lebedkin Yu.M., Kuznetsov V.G. and others. A method of drilling wells and a device for its implementation. RF patent for invention No. 2237148, prior. 1999.10.06, publ. 2001.07.20, IPC7 Е21В 6/02, Е21В 7/00, Е21В 10/36.
2. Пилин Б.П., Марков А.А., Молотков С.Л. Способ ультразвуковой дефектоскопии и устройство, его реализующее. Патент РФ на изобретение №2131123, приор. 1996.01.12, опубл. 1999.05.27, МПК6 G01N 29/04.2. Pilin B.P., Markov A.A., Molotkov S.L. The method of ultrasonic inspection and a device that implements it. RF patent for the invention No. 2131123, prior. 1996.01.12, publ. 1999.05.27, IPC6 G01N 29/04.
3. Бобров В.Т., Тарабрин В.Ф., Ордынец С.А., Кулешов Р.В. Ультразвуковой дефектоскоп «Ласточка». Патент РФ на изобретение №2231783, приор. 2001.08.09, опубл. 2003.07.10, МПК7 G01N 29/04.3. Bobrov V.T., Tarabrin V.F., Ordynets S.A., Kuleshov R.V. Ultrasonic flaw detector "Swallow". RF patent for invention No. 2231783, prior. 2001.08.09, publ. 2003.07.10, IPC7 G01N 29/04.
4. Сергеев В.А. Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых приборов. Патент РФ на изобретение №2178893, приор. 2001.03.13, опубл. 2002.01.27, МПК7 G01R 31/26.4. Sergeev V.A. A method for determining the thermal resistance of the transition-case of semiconductor devices. RF patent for invention No. 2178893, prior. 2001.03.13, publ. 2002.01.27, IPC7 G01R 31/26.
5. Сергеев В.А. Устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов. Заявка на патент РФ на изобретение №2000127414/09, приор. 2000.10.31, опубл. 2002.10.10, МПК7 G01R 31/26.5. Sergeev V.A. Device for measuring the thermal resistance of transistors. Application for a patent of the Russian Federation for invention No.2000127414 / 09, prior. 2000.10.31, publ. 2002.10.10, IPC7 G01R 31/26.
6. Медведев В.В., Троицкий О.Ю. Устройство для определения характеристик материалов. Патент РФ на изобретение №2212653, приор. 2002.05.28, опубл. 2003.09.20, МПК7 G01N 25/18.6. Medvedev VV, Troitsky O.YU. Device for determining the characteristics of materials. RF patent for invention No. 2212653, prior. 2002.05.28, publ. 2003.09.20, IPC7 G01N 25/18.
7. Тепловой неразрушающий контроль изделий: Научно-методическое пособие / О.Н.Будадин, А.И.Потапов, В.И.Колганов, Т.Е.Троицкий-Марков, Е.В.Абрамова. - М.: Наука, 2002. С.11-13.7. Thermal non-destructive testing of products: Scientific and methodological manual / O. N. Budadin, A. I. Potapov, V. I. Kolganov, T. E. Troitsky-Markov, E. V. Abramova. - M .: Nauka, 2002. S.11-13.
8. Ханков С.И., Исаков П.Г., Платонов А.С. Способы измерений удельных тепловых сопротивлений ограждающих конструкций. Опубл. http://isk-energo.ru/public/public01.htm, 24.05.2006.8. Hankov S.I., Isakov P.G., Platonov A.S. Methods of measuring specific thermal resistances of building envelopes. Publ. http://isk-energo.ru/public/public01.htm, 05.24.2006.
9. Дацюк Т.А., Исаков П.Г., Лаповок Е.В., Платонов С.А., Соколов Н.А., Ханков С.И. Устройство для измерения теплового сопротивления (варианты). Патент на полезную модель №52186, приоритет 27 мая 2005 г., зарег. в Гос. реестре ПМ РФ 10 марта 2006 г., МПК G01N 25/18 (2006.01).9. Datsyuk T.A., Isakov P.G., Lapovok E.V., Platonov S.A., Sokolov N.A., Khankov S.I. Device for measuring thermal resistance (options). Utility Model Patent No. 52186, priority May 27, 2005, registered. in the state. Register of the PM of the Russian Federation on March 10, 2006, IPC G01N 25/18 (2006.01).
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006120331/28A RU2330270C2 (en) | 2006-05-31 | 2006-05-31 | Device and calculation method of thermal resistivity |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006120331/28A RU2330270C2 (en) | 2006-05-31 | 2006-05-31 | Device and calculation method of thermal resistivity |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006120331A RU2006120331A (en) | 2007-12-27 |
| RU2330270C2 true RU2330270C2 (en) | 2008-07-27 |
Family
ID=39018483
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006120331/28A RU2330270C2 (en) | 2006-05-31 | 2006-05-31 | Device and calculation method of thermal resistivity |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2330270C2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2480739C1 (en) * | 2011-08-23 | 2013-04-27 | Анатолий Иванович Походун | Thermal non-destructive testing method of resistance to heat transfer of building structure |
| RU2558273C2 (en) * | 2013-12-17 | 2015-07-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) | Method for determining thermal conductivity of solid bodies |
| RU2722088C1 (en) * | 2019-05-06 | 2020-05-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) | Method of measuring specific thermal resistance and device for implementation thereof |
| RU2736322C2 (en) * | 2018-12-26 | 2020-11-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) | Method of measuring specific thermal resistance and device for implementation thereof |
| RU2771997C1 (en) * | 2021-12-15 | 2022-05-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Самарский государственный университет путей сообщения | Method for measuring specific thermal resistance and device for its implementation |
-
2006
- 2006-05-31 RU RU2006120331/28A patent/RU2330270C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2480739C1 (en) * | 2011-08-23 | 2013-04-27 | Анатолий Иванович Походун | Thermal non-destructive testing method of resistance to heat transfer of building structure |
| RU2558273C2 (en) * | 2013-12-17 | 2015-07-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) | Method for determining thermal conductivity of solid bodies |
| RU2736322C2 (en) * | 2018-12-26 | 2020-11-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) | Method of measuring specific thermal resistance and device for implementation thereof |
| RU2722088C1 (en) * | 2019-05-06 | 2020-05-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) | Method of measuring specific thermal resistance and device for implementation thereof |
| RU2771997C1 (en) * | 2021-12-15 | 2022-05-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Самарский государственный университет путей сообщения | Method for measuring specific thermal resistance and device for its implementation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006120331A (en) | 2007-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kohama et al. | AC measurement of heat capacity and magnetocaloric effect for pulsed magnetic fields | |
| Yesiloz et al. | Label-free high-throughput detection and content sensing of individual droplets in microfluidic systems | |
| RU2387981C1 (en) | Method for complex detection of thermal characteristics of materials | |
| Zhang et al. | A numerical study on the influence of insulating layer of the hot disk sensor on the thermal conductivity measuring accuracy | |
| RU2330270C2 (en) | Device and calculation method of thermal resistivity | |
| RU2009126096A (en) | METHOD OF THERMAL CONTROL OF RESISTANCE OF HEAT TRANSFER OF MULTILAYERED DESIGN IN UNSTEADY STATUS CONDITIONS OF HEAT TRANSFER | |
| CN101464422B (en) | Thermal conductivity coefficient measurement instrument for solid material | |
| Pietrak et al. | Methods for experimental determination of solid-solid interfacial thermal resistance with application to composite materials | |
| RU57464U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING SPECIFIC HEAT RESISTANCE | |
| CN103698357A (en) | Thermal conductivity and thermal diffusivity sensor based on MEMS double heater | |
| Li et al. | Convection and mass transfer enhanced rapid capacitive serum immunoassay | |
| CN203502367U (en) | Device for testing heat conductivity coefficient of material by transient plane heat source method | |
| RU2568983C1 (en) | Method to determine coefficient of heat conductivity of liquid heat insulation in laboratory conditions | |
| RU52186U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING THERMAL RESISTANCE (OPTIONS) | |
| RU60729U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING HEAT PARAMETERS | |
| Xiong et al. | Through Thickness Inspection of Layered Magnetic Material Using Pulsed Eddy Current Testing | |
| RU2322662C2 (en) | Thermal diffusivity measurement method and device (variants) | |
| JP2010210285A (en) | Method and device for detecting concentration of mixed fluid | |
| RU59832U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING THERMOPHYSICAL PARAMETERS | |
| RU59831U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING HEAT VALUES | |
| RU54193U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING THERMOPHYSICAL CHARACTERISTICS (OPTIONS) | |
| RU59833U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING THERMOPHYSICAL VALUES | |
| RU2326370C2 (en) | Method of thermal characteristics measurement (variants) and device for its implementation (variants) | |
| RU61036U1 (en) | THERMOPHYSICAL VALUE METER | |
| RU61426U1 (en) | THERMOPHYSICAL PARAMETERS |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110601 |