SU1075091A1

SU1075091A1 - Method and device for graduating heat flow pickups

Info

Publication number: SU1075091A1
Application number: SU823516777A
Authority: SU
Inventors: Владимир Петрович Морозов; Татьяна Васильевна Белкина
Original assignee: Государственное Специальное Конструкторское Бюро Теплофизического Приборостроения
Priority date: 1982-12-01
Filing date: 1982-12-01
Publication date: 1984-02-23

Abstract

1. Способ градуировки датчика теплового потока, включающий предварительный перегрев нагревательного блока относительно теплоприемника, размещение датчика теплового потока между нагревательным блоком и теплоприемником, измерение теплового потока и сигнала с датчика, отличающийс тем, что, с целью повышени точности градуировки, датчик теплового потока устанавливают на нагревательном блоке, теплоприемник подвод т к датчику теплового потока и после окончани переходных процессов в датчике измер ют скорость нагрева теплоприемника, по которой суд т о величине теплового потока. 2.Устройство дл градуировки датчика теплового потока, содержащее нагревательный блок, теплоприемник и измерительный блок, отличающеес тем, что в него введены узел перемещени теплоприемника и адиабатическа оболочка теплоприемника, который выполнен в виде пластины из высокотеплопроводного материала, причем контактна поверхность пластины по конфигурации и размерам совпадает с теплообменной поверхностью датчика теплового потока. 3.Устройство по п. 2, отличающеес тем, что в него введено регулируемое термическое сопротивление. СЛ о со1. A method for calibrating a heat flow sensor, including preheating the heating unit relative to the heat receiver, placing a heat flow sensor between the heating unit and the heat receiver, measuring the heat flux and the signal from the sensor, characterized in that, to improve the accuracy of the calibration, the heat flow sensor is set to the heating unit, the heat receiver is supplied to the heat flux sensor and after the end of the transient processes in the sensor the heating rate of the heat collector is measured ka, which is judged on the magnitude of the heat flux. 2. A device for calibrating a heat flow sensor, comprising a heating unit, a heat receiver and a measuring unit, characterized in that a heat receiver receiving unit and an adiabatic shell of the heat receiver, which is made in the form of a plate of high conductivity material, are inserted, the contact surface of the plate in configuration and size coincides with the heat exchange surface of the heat flow sensor. 3. The device according to claim 2, characterized in that an adjustable thermal resistance is introduced into it. SL about with

Description

Изобретение относитс к .теплометрии и может быть использовано дл градуировки датчиков теплового потока при их производстве и эксплуатации. Известен способ градуировки Датчика теплового потока путем установки градуируемого датчика на предварительно откалиброванный тепломер, измерени теплового потока, проход щего через датчик по показани м тепломера, и сигнала с датчика 1. Недостатком известного способа вл етс низка точность градуировки вследствие того, что тепловой поток, пронизывающий датчик, приходитс определ ть на основании предварительно полученной калибровочной характеристики тепломера. Кроме того, необходимо точно компенсировать боковые теплопотери с нагревател , а это вносит дополнительные ощибки в измерени и снижает точность. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому вл етс способ градуировки датчика теплового потока, включающий предварительный перегрев нагревательного блока относительно теплоприемника, размещение датчика теплового потока между нагревательным блоком и теплоприемником, измерение теплового потока и сигнала с датчика 2. Способ осуществл ют устройством дл градуировки датчика теплового потока, содержащем нагревательный блок, теплоприемник и измерительный блок. В известном устройстве нагревательный блок выполнен в виде пассивного тела с встроенным электронагревателем , а тепловой поток измер етс при помощи эталонного датчика типа «вспомогательна стенка 2. Известный способ имеет низкую точность градуировки обусловленную тем, что необходима предварительна , калибровка эталонного датчика и необходим учет контактных термических сопротивлений между эталонным датчиком и блоком, в котором он размещен. Кроме того, в известном способе необходим учет пространственной разности температур, что в совокупности снижает точ ность градуировки. Целью изобретени вл етс повыщение точности градуировки. Дл достижени поставленной цели согласно способу градуировки датчика теплового потока, включающему предварительный перегрев нагревательного блока относительно теплоприемника, размещение датчика теплового потока между нагревательным блоком и теплоприемником, измерение теплового потока и сигнала с датчика, датчик теплового потока устанавливают на нагревательном блоке, теплоприемник подвод т к датчику теплового потока, и после окончани переходных процессов в датчике теплового потока измер ют скорость нагрева теплоприемника, по которой суд т о величине теплового потока. Кроме того, в устройство дл градуировки датчика теплового потока, содержащее нагревательный блок, теплоприемник и измерительный блок, введены узел перемещени теплоприемника и адиабатическа оболочка теплоприемника, который выполнен в виде пластины из высокотеплопроводного материала, причем контактна поверхность пластины по конфигурации и размерам совпадает с теплообменной поверхностью датчика теплового потока. При этом устройство снабжено дополнительно регулируемым термическим сопротивлением . На фиг. 1 показано устройство дл осуществлени способа градуировки датчика теплового потока; на фиг. 2 - изменение во времени параметров устройства в процессе градуировки. Устройство содержит нагревательный блок 1 с встроенным нагревателем 2, теплоприемник 3 выполненный в виде пластины из высокотеплопроводного материала, окруженный адиабатической оболочкой 4, термодатчики А и Б, окончани которых выведены на блок холодных спаев 5, измерительный блок 6, датчик 7 теплового потока, регулируемое термическое сопротивление 8, узел перемещени теплоприемника 9, измеритель 10 сигнала датчика теплового потока . Термодатчик А служит дл измерени температуры теплоприемника, а дифференциальна термопара АБ - дл измерени перегрева нагревательного блока 1 относительно теплоприемника 3. Регулируемое термическое сопротивление 8 служит дл расщирени диапазона тепловых потоков , проход щих через градуируемый датчик 7. Например, в качестве регулируемого термического сопротивлени 8 может быть использован переменный воздушный зазор между нагревательным блоком 1 и датчиком 7. Процесс градуировки осуществл ют следующим образом. Градуируемый датчик 7 теплового потока размещают на нагревательном блоке 1 (непосредственно на блоке или через регулируемое термическое сопротивление 8). Теплоприемник 3 в контакте с датчиком 7 не находитс (например, отведен в сторону с помощью узла 9 дл его перемещени ).Включают нагреватель 2, перегрева нагревательный блок 1 относительно теплоприемника 3 на величину перепада температур, соответствующую ожидаемому значению теплового потока. Затем с помощью узла 9 теплоприемник 3 привод т в контакт с датчиком 7 и после окончани переходных тепловыхпроцессов в последнем определ ют сигнал датчика с помощью измерител 10 и скорость изменени температуры теплоприемника 3 с помощью измерительного блока 6. Критерием окончани переходных процессов и, следовательно, начала измерени может служить, например, посто нство скорости нагрева теплоприемника 3. Качественна картина тепловых процессов , протекающих в устройстве, такова. После приведени в контакт теплоприемника 3 с датчиком 7 происходит перестройка температурного пол в датчике 7, а именно: температура поверхности датчика 7, контактирующей с теплоприемником 3, уменьщаетс до температуры теплоприемника 3, в датчике 7 устанавливаетс линейное распределение температуры. Одновременно часть тепла, аккумулированного в нем, отдаетс теплоприелунику 3. По окончании этого переходного процесса, продолжительность которого Afirep достаточно мала , в датчике 7 устанавливаетс стационарный тепловой процесс, а с момента времениt ufпер в теплоприемник 3 поступает посто нный тепловой поток с и, благодар наличию адиабатической оболочки 4, линейно повыщает его температуру. Дл иллюстрации происход щих тепловых процессов на фиг. 2 прин ты обозначени : б . температура нагревательного блока. - температура поверхности датчика 7; -температура теплоприемника 3; -тепловой поток, поступающий в датчик 7 через поверхность, контактирующую с регулируемым термическим сопротивлением 8; -тепловой поток, поступающий в теплоприемник 3 со стороны датчика 7 IQ - начальный момент времени (теплоприемник 3 приведен в соприкосновение с датчиком 7); Afnep -отрезок времени, в течение которого происход т переходные тепловые процессы в теплоприемнике 3, датчике 7 и регулируемом термическом сопротивлении 8; -врем окончани переходных тепловых процессов, начало измерени ; 4 С -длительность времени измерени ; Са -врем окончани измерени . Все кривые при представл ют собой пр мые линии с небольшим наклоном к оси абсцисс (не более 1% за врем измерени ) За врем дТ в теплоприемнике 3 аккумулируетс количество тепла, равное T-AP Cr-(t2-ti), полна теплоемкость тепломера 3, Дж/К; температура теплоприемника 3 в начальный момент времени измерени (1i ACnep), °С; tg -температура тепломера 3 в конечный момент времени измерени ( Г, Г,+лГ),°С. ,,CT-(t2.ti) Ст- AJT (0 Отсюда лт дт ji скорость нагрева тепломера 3, Провод во всех требуемых точках теплового потока измерение сигнала датчика Ц, скорости нагрева теплоприемника и рассчитав по формуле (2) значени q,. пО лучают искомую градуировочную зависимость tt f(j.). Причем перед каждым последующим измерением теплоприемник охлаждают до начальной температуры или дл ускорени процесса градуировки используют несколько теплоприемников. Точность градуировки предлагаемым способом характеризуетс как методическими погрещност ми, так и погрещностью измере ни величин, вход щих в формулу (2). Часть методических погрещностей сводитс практически к минимуму путем выполнени следующих условий: величина теплового потока за врем измерени At остаетс неизменной, что достигаетс , во-первых, подбором массы нагревательного блока и его теплоотдачи в окружающую среду таким образом , чтобы изменением его температуры за врем дТ можно было пренебречь, и, во-вторых , обеспечением посто нства термического контактного сопротивлени между нагревательным блоком и датчиком за счет того, что измерени провод тс при установившемс температурном поле в градуируемом датчике; весь тепловой поток, прошедший через датчик, поступает в тепломер, что обеспечиваетс наличием адиабатической оболочки около тепломера и тем, что контролирующие поверхности датчика теплоприемника совпадают по конфигурации и размерам. Дл уменьшени методических погрешностей градуировки, кроме описанных, общих дл некоторых известных способов и устройств дл градуировки датчиков, требований , необходимо выполнить характерные дл предлагаемого способа услови : 1.Врем измерени дТ выбираетс таким образом, чтобы оно не превышало длительность начальной стадии нагрева теплоприемника , в течение которого все тепло, поступившее в теплоприемник аккумулируетс в нем и температура его измен етс по линейному закону. 2.Материал и толщина регулируемого термического сопротивлени выбираетс таким образом, чтобы выполн лось условие ,ог(д1п + ду(з; гдеА1п -перепад температуры по толщине датчика. К; Л1д-г перепад температуры на дополнительном термическом сопротивлении , К.The invention relates to heatmaking and can be used for the calibration of heat flow sensors during their production and operation. A known method of calibration of a heat flux sensor is by installing a calibrated sensor on a pre-calibrated heat meter, measuring the heat flux passing through the sensor as measured by a heat meter, and a signal from sensor 1. A disadvantage of the known method is the low graduation accuracy due to the fact that the heat flux penetrating the sensor must be determined on the basis of the previously obtained calibration characteristic of the heat meter. In addition, it is necessary to accurately compensate for the side heat losses from the heater, and this introduces additional errors in the measurements and reduces the accuracy. The closest in technical essence and the achieved result to the proposed method is the calibration of the heat flux sensor, including preheating of the heating unit relative to the heat sink, placing the heat flux sensor between the heating block and the heat sink, measuring the heat flux and the signal from the sensor 2. Calibration of the heat flow sensor containing the heating unit, the heat sink and the measuring unit. In the known device, the heating unit is designed as a passive body with a built-in electric heater, and the heat flux is measured using an auxiliary wall 2 type sensor. The known method has low calibration accuracy due to the fact that it is necessary to preliminarily calibrate the reference sensor resistances between the reference sensor and the unit in which it is placed. In addition, in a known method, it is necessary to take into account the spatial temperature difference, which, in aggregate, reduces the accuracy of calibration. The aim of the invention is to increase the accuracy of the calibration. To achieve this goal, according to the method of calibration of the heat flux sensor, including preheating of the heating unit relative to the heat receiver, placing the heat flux sensor between the heating unit and the heat receiver, measuring the heat flux and the signal from the sensor, the heat flux sensor is installed on the sensor heat flux, and after the end of the transient processes in the heat flux sensor, the heating rate of the heat collector is measured according to which the heat flux is judged. In addition, a device for displacing the heat collector and the adiabatic shell of the heat receiver, which is made in the form of a plate made of highly heat-conducting material, are introduced into the device for calibrating the heat flow sensor, which contains the heating unit, and the contact surface of the plate coincides in configuration and size with the heat exchange surface heat flow sensor. In this case, the device is equipped with an additionally adjustable thermal resistance. FIG. 1 shows a device for implementing a method for calibrating a heat flow sensor; in fig. 2 - change in time parameters of the device in the process of calibration. The device contains a heating unit 1 with an integrated heater 2, a heat receiver 3 made in the form of a plate of high heat-conducting material, surrounded by an adiabatic shell 4, thermal sensors A and B, the ends of which are output to the cold junction block 5, measuring unit 6, heat flow sensor 7, adjustable thermal resistance 8, displacement unit of heat receiver 9, meter 10 of the heat flow sensor signal. Thermal sensor A is used to measure the temperature of the heat receiver, and differential thermocouple AB is used to measure the overheating of the heating unit 1 relative to the heat receiver 3. Adjustable thermal resistance 8 serves to expand the range of heat flux passing through the graduated sensor 7. For example, as an adjustable thermal resistance 8 A variable air gap between the heating unit 1 and the sensor 7 will be used. The calibration process is carried out as follows. The graduated heat flow sensor 7 is placed on the heating unit 1 (directly on the unit or through adjustable thermal resistance 8). The heat sink 3 is not in contact with the sensor 7 (for example, set aside with the help of node 9 to move it). The heater 2 is turned on, the heating block 1 overheats with respect to the heat sink 3 by the value of the temperature difference corresponding to the expected value of the heat flow. Then, using the node 9, the heat receiver 3 is brought into contact with the sensor 7 and after the end of the transient heat processes in the latter, the sensor signal is determined with the aid of the meter 10 and the rate of change of the temperature of the heat receiver 3 with the help of the measuring unit 6. The beginning of the transient The measurement can be, for example, the constancy of the heating rate of the heat sink 3. The qualitative picture of the thermal processes occurring in the device is as follows. After the heat receiver 3 is brought into contact with the sensor 7, the temperature field in the sensor 7 is rearranged, namely, the surface temperature of the sensor 7 in contact with the heat sink 3 decreases to the temperature of the heat receiver 3, the linear temperature distribution is established in the sensor 7. At the same time, part of the heat accumulated in it is given to the thermal pickup 3. At the end of this transient process, the length of which Afirep is rather small, a fixed thermal process is established in sensor 7, and since time ufper a constant heat flux enters the heat receiver 3 and adiabatic shell 4, linearly increases its temperature. To illustrate the thermal processes taking place in FIG. 2 principles: b. temperature of the heating unit. - surface temperature of sensor 7; -the temperature of the heat receiver 3; - heat flow entering the sensor 7 through the surface in contact with adjustable thermal resistance 8; - heat flow entering the heat receiver 3 from the side of sensor 7 IQ - the initial moment of time (heat receiver 3 is brought into contact with sensor 7); Afnep is a time interval during which transient thermal processes take place in the heat sink 3, the sensor 7 and the adjustable thermal resistance 8; - the end of transient thermal processes, the beginning of the measurement; 4 C-duration measurement time; Sa is the end of the measurement. All curves at are straight lines with a small inclination to the abscissa axis (no more than 1% during the measurement time) During the time dT in the heat receiver 3, the amount of heat accumulated is equal to T-AP Cr- (t2-ti), the total heat capacity of the heat meter 3 J / C; the temperature of the heat sink 3 at the initial measurement time (1i ACnep), ° C; tg is the temperature of heat meter 3 at the final measurement time point (Г, Г, + лГ), ° С. ,, CT- (t2.ti) St-AJT (0 From here lt dt ji heating rate of heat meter 3, Wire at all required points of heat flow measurement of sensor signal C, heating rate of heat receiver and calculating q, p. The desired calibration dependence tt f (j.) is obtained. Moreover, before each subsequent measurement the heat sink is cooled to the initial temperature or several heat sinks are used to speed up the calibration process. The accuracy of the calibration by the proposed method is characterized by both methodical faults and measuring the quantities in formula (2). Part of the methodical faults is reduced to a minimum by satisfying the following conditions: the heat flux during the measurement time At remains unchanged, which is achieved, firstly, by selecting the mass of the heating unit and its heat transfer in environment in such a way that the change in its temperature over the time dT can be neglected, and, secondly, the provision of thermal contact resistance between the heating unit and the sensor due to the fact that Measurements are carried out at a steady temperature field in the calibrated sensor; the entire heat flux passed through the sensor enters the heat meter, which is ensured by the presence of an adiabatic shell near the heat meter and by the fact that the control surfaces of the heat sink sensor coincide in configuration and size. In order to reduce the methodological errors of calibration, in addition to the requirements described for some known methods and devices for calibration of sensors, the following conditions are typical for the proposed method: 1. The measurement time dT is chosen so that it does not exceed the duration of the initial stage of heating of the heat receiver, the course of which all the heat entering the heat sink accumulates in it and its temperature varies according to a linear law. 2. The material and thickness of the regulated thermal resistance is chosen in such a way that the condition og (q1p + du (s; where A1p is the temperature difference across the thickness of the sensor. K; L1d-g temperature difference on the additional thermal resistance, K.)

Выполнение услови по формуле (3), кроме того, дает возможность расширени диапазона измер емых тепловых потоков в сторону меньших значений без снижени точности градуировки.Fulfillment of the condition according to formula (3) furthermore allows the range of measured heat fluxes to be extended to smaller values without reducing the accuracy of the calibration.

3. Дл возможности измерени Д1т одним термодатчиком необходимо обеспечить изотермичность температурного пол поверхности теплоприемника, контактируюш.ей с датчиком, что достигаетс соблюдением уелоВИЯ3. To be able to measure D1t with one thermal sensor, it is necessary to ensure that the temperature field of the heat-receiving surface is isothermal, which contacts the sensor, which is achieved by observing

B,0,1,(4)B, 0.1, (4)

гдеВ - критерий Био;where В is the Biot criterion;

S -высота теплоприемника, м;S is the height of the heat sink, m;

Л-коэффициент теплопроводности материала тeплoп pиeмникa, Вт/(м. К);L-coefficient of thermal conductivity of the material of the heater, W / (m. K);

х. -коэффициент теплоотдачи с поверхности теплоприемника, ВтДм.К). x - heat transfer coefficient from the heat sink surface, WDm.K).

Как видно из формулы (2), определение значени теплового потока, сводитс к измерению .временной разности температур, что может быть осуш,ествлено с погрешностью 1°/о. Погрешность определени параметров теплоприемника составл ет менее 1%.As can be seen from formula (2), the determination of the value of the heat flux is reduced to measuring the temporal temperature difference, which can be dried, with an error of 1 ° / o. The error in determining the parameters of the heat receiver is less than 1%.

Следовательно, суммарна погрешность градуировки датчика предлагаемым способом на устройстве дл его осуществлени не превышает 3%.Therefore, the total calibration error of the sensor by the proposed method on the device for its implementation does not exceed 3%.

Кроме того, предлагаемое устройство не требует предварительной градуировки, погрешности которой также снижает точность градуировки.In addition, the proposed device does not require pre-calibration, the error of which also reduces the accuracy of calibration.

Проведение измерений в нестационарном тепловом режиме и возможность использовани в устройстве двух или нескольких теплоприемников приводит к ускорению процесса градуировки и, следовательно, к суш ,ественному повышению производительности предлагаемого способа.Measuring in a non-stationary thermal regime and the possibility of using two or more heat receivers in the device accelerates the calibration process and, consequently, sushi, a natural increase in the performance of the proposed method.

Claims

METHOD FOR GRADING THE HEAT FLOW SENSOR AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION.

(57) 1. The method of calibrating the heat flux sensor, including preheating the heating unit relative to the heat sink, placing the heat flux sensor between the heating block and the heat sink, measuring the heat flux and the signal from the sensor, characterized in that, in order to improve the accuracy of calibration, the sensor the heat flux is installed on the heating block, the heat sink is brought to the heat flux sensor, and after the end of the transient processes, the heat sink's heating rate is measured in the sensor, by which they judge the magnitude of the heat flux.

2. A device for calibrating a heat flux sensor, comprising a heating unit, a heat receiver and a measuring unit, characterized in that a heat transfer unit and an adiabatic shell of the heat receiver, which is made in the form of a plate of highly heat-conducting material, are introduced into it, moreover, the contact surface of the plate is configured and sized coincides with the heat exchange surface of the heat flux sensor.

3. The device according to p. 2, characterized in that it introduced an adjustable thermal resistance.