способ измерения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект (варианты) и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении температуры нагреваемой поверхности исследуемого объекта в заданной точке, отличающийся тем, что до достижения теплоносителем рабочей температуры теплообменник располагают от внутренней поверхности исследуемого объекта на расстоянии, исключающем тепловой контакт между теплообменником и исследуемым объектом, при достижении теплоносителем рабочей температуры обеспечивают тепловой контакт между теплообменником и внутренней поверхностью исследуемого объекта, измеряют температуру нагреваемого участка внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют промежуток времени между началом нагревания участка внутренней поверхности и началом повышения температуры в заданной точке на внешней поверхности исследуемого объекта, при этом регистрируют зависимость величины перегрева внешней поверхности исследуемого объекта от времени, получают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева внешней поверхности исследуемого объекта, вычисляют значения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект для разных моментов времени, при этом устанавливают постоянное значение удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект или рассчитывают его среднее значение.

2. Способ измерения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении температуры нагреваемой поверхности исследуемого объекта в заданной точке, отличающийся тем, что до достижения теплоносителем рабочей температуры теплообменник располагают от внутренней поверхности исследуемого объекта на расстоянии, исключающем тепловой контакт между теплообменником и исследуемым объектом, при достижении теплоносителем рабочей температуры обеспечивают тепловой контакт между теплообменником и внутренней поверхностью исследуемого объекта, измеряют температуру нагреваемого участка внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют промежуток времени между началом нагревания участка внутренней поверхности и началом повышения температуры в заданной точке на боковой поверхности исследуемого объекта, при этом регистрируют зависимость величины перегрева боковой поверхности исследуемого объекта от времени, получают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева боковой поверхности исследуемого объекта, вычисляют значения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект для разных моментов времени, при этом устанавливают постоянное значение удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект или рассчитывают его среднее значение.

3. Устройство для измерения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект, содержащее теплообменник, входной трубопровод, выходной трубопровод, первый контактный измеритель температуры, второй контактный измеритель температуры, тепловую изоляцию, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме обращенной к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника, выход теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, первый контактный измеритель температуры размещен на обращенной к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит нагревательный бак, соединительный трубопровод, накопительный бак, сливной бак, нагревательный бак снабжен нагревательным элементом, соединительный трубопровод снабжен измерителем расхода теплоносителя и вентилем, выход входного трубопровода соединен с входом нагревательного бака, выход нагревательного бака соединен с входом соединительного трубопровода, выход соединительного трубопровода соединен с входом теплообменника, выход накопительного бака соединен с входом входного трубопровода, выход выходного трубопровода соединен с входом сливного бака, теплообменник выполнен с возможностью пространственного перемещения относительно исследуемого объекта, причем расстояние b между внутренней поверхностью исследуемого объекта и обращенной к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника выбирают из соотношений:

b b₀ при Т_ТН<Т_РАБ,

b=0 при Т_ТН=Т_РАБ,

где b ₀ - исключающее тепловое взаимодействие между исследуемым объектом и теплообменником расстояние между обращенной к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхностью теплообменника и внутренней поверхностью исследуемого объекта;

Т _ТН - температура теплоносителя;

Т_РАБ - рабочее значение температуры теплоносителя.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит расположенный в соединительном трубопроводе третий контактный измеритель температуры.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит расположенный в выходном трубопроводе четвертый контактный измеритель температуры.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что второй контактный измеритель температуры расположен на внешней поверхности исследуемого объекта.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что второй контактный измеритель температуры расположен на боковой поверхности исследуемого объекта.

8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что накопительный бак выполнен регулируемым по высоте.

9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что накопительный бак снабжен сливным трубопроводом, выход которого соединен с вторым входом сливного бака.

10. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит внешний трубопровод, накопительный бак снабжен измерителем уровня теплоносителя, внешний трубопровод снабжен управляемым вентилем, управляющий вход которого соединен с выходом измерителя уровня теплоносителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительной технике и может быть преимущественно использовано для измерения теплофизических характеристик различных строительных конструкций, например стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др.

Известен 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.

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 теплового сопротивления.

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 для измерения теплофизических характеристик только радиоэлектронных приборов, причем только одного их класса - полупроводниковых диодов.

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 для измерения теплового сопротивления только радиоэлектронных приборов, причем только одного их класса - транзисторов.

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.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов [7]. Известный способ заключается в том, что измеряют двумя термоприемниками температуру в заданных точках поверхности образца и температуру окружающей среды, по полученным результатам определяют поправочный коэффициент, затем воздействуют на поверхность образца неподвижным точечным источником тепла. В заданный момент времени измеряют двумя термоприемниками избыточные температуры нагреваемой поверхности в заданных точках. Продолжают нагрев и измеряют момент времени, когда температура более удаленного от пятна нагрева термоприемника увеличится на заданную величину. По измеренным величинам определяют коэффициенты температуропроводности и теплопроводности.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство для измерения теплофизических характеристик [8], содержащее теплообменник, входной трубопровод, выходной трубопровод, два контактных измерителя температуры, тепловую изоляцию, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией, кроме примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника, выход теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, первый контактный измеритель температуры размещен между внутренней поверхностью исследуемого объекта и внешней поверхностью теплообменника. Второй контактный измеритель температуры размещен либо на внешней поверхности исследуемого объекта, либо на боковой поверхности исследуемого объекта.

Известные технические решения (способ и устройство) имеют низкие потребительские свойства за счет узкой области применения, низкой точности и низкой достоверности измерений. Наличие указанных недостатков обусловлено следующими факторами. В известных технических решениях используется точечный или линейный источник тепловой энергии, поэтому его можно применять только при измерении теплофизических характеристик однородных объектов. Если исследуемый объект имеет различные неоднородности (например, железобетонная стена), то результаты измерений будут различаться при воздействии точечного или линейного источника тепловой энергии на различные точки поверхности исследуемого объекта. В прототипах точка или линия воздействия источником тепловой энергии и точки, в которых производится измерение температуры, находятся на одной и той же поверхности исследуемого объекта, поэтому известные технические решения неприменимы для измерения теплофизических характеристик многослойных объектов. Если исследуемый объект имеет различные теплофизические характеристики в направлении, перпендикулярном его поверхности, и в направлении, параллельном его поверхности, то известные технические решения могут измерить теплофизические характеристики только в направлении, параллельном поверхности исследуемого объекта. Таким образом, известные технические решения неприменимы для измерения теплофизических характеристик анизотропных объектов. Низкие точность и достоверность известных технических решений обусловлены высокой сложностью модели, описывающей их работу. Так, в известном способе, необходимо провести предварительные измерения для определения поправочного коэффициента. Работа известных способа и устройства описываются уравнением теплового баланса, в котором необходимо учитывать потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена. Кроме того, в уравнении теплового баланса известного способа необходимо учитывать потери тепловой мощности из-за частичного поглощения лазерного излучения окружающей средой и частичного отражения лазерного излучения поверхностью исследуемого объекта. Эти компоненты учитываются приближенно расчетным путем. При обработке результатов измерений в известном способе используется функция ошибок, вычисляемая путем ее разложения в ряд Тейлора. В описании известного способа указано, что вычисление этой функции в аналитическом виде весьма затруднительно. Там же указано, что только для материалов с коэффициентом температуропроводности а 10^-7 м²/сек можно ограничиться первым членом ряда Тейлора, и только тогда можно использовать рабочую формулу для обработки результатов измерений. Все эти факторы в совокупности приводят к низким потребительским свойствам известных способа и устройства за счет узкой области применения и низких точности и достоверности.

Задачей изобретения является повышение потребительских свойств путем повышения точности и достоверности измерений.

Решение поставленной задачи в соответствии с п.1 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известный способ, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении температуры нагреваемой поверхности исследуемого объекта в заданной точке, внесены следующие усовершенствования: до достижения теплоносителем рабочей температуры теплообменник располагают от внутренней поверхности исследуемого объекта на расстоянии, исключающем тепловой контакт между теплообменником и исследуемым объектом, при достижении теплоносителем рабочей температуры обеспечивают тепловой контакт между теплообменником и внутренней поверхностью исследуемого объекта, измеряют температуру нагреваемого участка внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют промежуток времени между началом нагревания участка внутренней поверхности и началом повышения температуры в заданной точке на внешней поверхности исследуемого объекта, при этом регистрируют зависимость величины перегрева внешней поверхности исследуемого объекта от времени, получают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева внешней поверхности исследуемого объекта, вычисляют значения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект для разных моментов времени, при этом устанавливают постоянное значение удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект или рассчитывают его среднее значение.

Решение поставленной задачи в соответствии с п.2 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известный способ, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении температуры нагреваемой поверхности исследуемого объекта в заданной точке, внесены следующие усовершенствования: до достижения теплоносителем рабочей температуры теплообменник располагают от внутренней поверхности исследуемого объекта на расстоянии, исключающем тепловой контакт между теплообменником и исследуемым объектом, при достижении теплоносителем рабочей температуры обеспечивают тепловой контакт между теплообменником и внутренней поверхностью исследуемого объекта, измеряют температуру нагреваемого участка внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют промежуток времени между началом нагревания участка внутренней поверхности и началом повышения температуры в заданной точке на боковой поверхности исследуемого объекта, при этом регистрируют зависимость величины перегрева боковой поверхности исследуемого объекта от времени, получают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева боковой поверхности исследуемого объекта, вычисляют значения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект для разных моментов времени, при этом устанавливают постоянное значение удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект или рассчитывают его среднее значение.

Решение поставленной задачи в соответствии с п.3 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее теплообменник, входной трубопровод, выходной трубопровод, первый контактный измеритель температуры, второй контактный измеритель температуры, тепловую изоляцию, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией, кроме обращенной к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника, выход теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, первый контактный измеритель температуры размещен на обращенной к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника, внесены следующие усовершенствования: оно дополнительно содержит нагревательный бак, соединительный трубопровод, накопительный бак, сливной бак, нагревательный бак снабжен нагревательным элементом, соединительный трубопровод снабжен измерителем расхода теплоносителя и вентилем, выход входного трубопровода соединен с входом нагревательного бака, выход нагревательного бака соединен с входом соединительного трубопровода, выход соединительного трубопровода соединен с входом теплообменника, выход накопительного бака соединен с входом входного трубопровода, выход выходного трубопровода соединен с входом сливного бака, теплообменник выполнен с возможностью пространственного перемещения относительно исследуемого объекта, причем расстояние b между внутренней поверхностью исследуемого объекта и обращенной к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника выбирают из соотношений:

b b₀ при Т_ТН<Т_РАБ,

b=0 при Т_ТН=Т_РАБ,

где b₀ - исключающее тепловое взаимодействие между исследуемым объектом и теплообменником расстояние между обращенной к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхностью теплообменника и внутренней поверхностью исследуемого объекта, Т_ТН - температура теплоносителя, Т_РАБ - рабочее значение температуры теплоносителя.

Заявленные два варианта реализации способа и устройство по сравнению со способом-прототипом и устройством-прототипом соответственно обладают более высокими потребительскими свойствами за счет расширения области применения и повышения точности и достоверности измерений. В отличие от способа-прототипа и устройства-прототипа, в описываемом техническом решении используется протяженный в двух взаимно перпендикулярных направлениях источник тепловой энергии, поэтому измерения дают эффективные (усредненные) значения теплофизических характеристик, а в большинстве случаев на практике нужны не точечные, а именно эффективные значения тепловых характеристик, например, при исследовании стен зданий. За чет того что в заявленных технических решениях осуществляют нагревание внутренней поверхности, а температуру измеряют на внешней или боковой поверхности, описываемые способ и устройство применимы для исследования многослойных объектов. Следовательно, описываемые способ и устройство можно использовать для измерения теплофизических характеристик анизотропных объектов. В заявленных способе и устройстве обеспечивается формирование одномерного теплового потока (тепловой поток распространяется прямолинейно от внутренней поверхности исследуемого объекта к внешней поверхности исследуемого объекта), который описывается значительно более простой математической моделью, чем в прототипе. Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями заявленные способ и устройство обладают более широкой областью применения. В описываемых способе и устройстве используется более простая и более достоверная модель. В известном способе нужно проводить предварительные измерения для определения поправочного коэффициента, а в описываемых технических решениях этого делать не нужно. В уравнении теплового баланса, описывающего работу заявленных способа и устройства, не надо учитывать потери тепловой энергии в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена вследствие того, что применяется протяженный источник тепловой энергии, снабженный тепловой изоляцией. В уравнении теплового баланса описываемого способа отсутствуют необходимые в уравнении теплового баланса способа-прототипа члены, описывающие частичное поглощение тепловой мощности окружающей средой при передаче тепловой энергии от источника энергии к поверхности исследуемого объекта и при частичном отражении от поверхности исследуемого объекта. В модели, описывающей работу заявленного способа, отсутствует необходимость разложения каких-либо функций в ряд Тейлора. Таким образом, описываемые технические решения обладают более высокими точностью и достоверностью. Расширение области применения и повышение точности и достоверности измерений приводит к повышению потребительских свойств заявленных технических решений по сравнению с прототипами. За счет того что до достижения теплоносителем рабочей температуры теплообменник располагают от внутренней поверхности исследуемого объекта на расстоянии, исключающем тепловой контакт между теплообменником и исследуемым объектом, при достижении теплоносителем рабочей температуры обеспечивают тепловой контакт между теплообменником и внутренней поверхностью исследуемого объекта, достигается постоянство во времени температуры проходящего через теплообменника теплоносителя, что повышает точность и достоверность измерений. Использование в заявленном устройстве нагревательного бака, снабженного нагревательным элементом, обеспечивает постоянство во времени температуры теплоносителя на входе теплообменника и постоянство во времени величины массового расхода теплоносителя в теплообменнике. Вентили позволяют регулировать величину массового расхода теплоносителя, проходящего через соответствующие трубопроводы. Таким образом, с момента начала измерений на вход теплообменника поступает теплоноситель, величина массового расхода которого и температура которого постоянны во времени, в результате чего повышаются точность и достоверность измерений. Все это в совокупности приводит к повышению потребительских свойств заявленного устройства по сравнению с прототипом.

Покажем, что задача изобретения решается в заявленном техническом решении.

Рассмотрим случай, когда исследуемый объект имеет вид плоской стенки, выполненной в виде однородного и изотропного слоя. Это означает, что все теплофизические свойства материала такого слоя одинаковы по всем координатам.

Измерив продолжительность начальной стадии нагрева ₁ экспериментально, можно определить удельное сопротивление теплопередаче (которое иначе называют удельным тепловым сопротивлением) исследуемого объекта через температуропроводность по формуле:

где r - удельное тепловое сопротивление объекта, м²К/Вт; - коэффициент теплопроводности материала объекта, Вт/мК; L - толщина плоского слоя исследуемого объекта, м; С₀ - объемная теплоемкость материала объекта, Дж/м³К; а - коэффициент температуропроводности материала объекта, м ²/с, Fo₁ - характеристическое значение критериального числа Фурье, соответствующее времени ₁.

Были проведены расчетные исследования длительности процесса с учетом влияния основных определяющих параметров. Эти исследования дополнялись численными расчетами, учитывающими термическую инерцию теплообменника.

При измерениях осуществляется нагрев внутренней поверхности исследуемого объекта до температуры t_в, что соответствует температурному напору на нагреваемой внутренней поверхности исследуемого объекта

где t_c - начальное значение температуры по всей толщине исследуемого объекта, равное значению температуры окружающей среды, которая до начала измерений одинакова у внутренней и противоположной ей наружной поверхностей исследуемого объекта.

Затем исследуемый объект постепенно прогревается, и через некоторое время ₂, фиксируемое в эксперименте, начинает расти температура на наружной поверхности исследуемого объекта. При этом перегрев на наружной поверхности исследуемого объекта относительно начальной температуры и температуры окружающей среды, определяемый из соотношения

монотонно возрастает во времени.

Суть известного технического решения заключается в следующем.

Значение Fo₂, характеризующего первую стадию прогрева, определяется величинами температурного напора ₀ на нагреваемой внутренней и перегрева и t на внешней поверхностях, т.е.

В интервале изменения t(0,01-0,5)°С зависимость (4) аппроксимируется формулой [8]

В интервале изменения t(0,5-2,0)°С зависимость (4) аппроксимируется другой формулой [8]

Формула (6) является чисто эмпирической. Она не совсем удобна, поскольку коэффициенты 0,18 и 0,11 имеют дробные размерности. Преобразуем ее к полностью безразмерному виду:

где _m - характеристическое значение температурного напора. Примем _m=100. Тогда (7) можно представить в виде

Обычно нагрев внутренней поверхности исследуемого объекта реализуется с использованием проточного теплообменника, нагреваемого до заданной температуры, который находится в тепловом контакте с внутренней поверхностью исследуемого объекта. На внешней поверхности исследуемого объекта установлены датчики температуры, которые позволяют измерять зависимость t( ). По этой зависимости определяется коэффициент температуропроводности с использованием формулы (1), в которую для каждого момента времени ₂ подставляется значение Fo₂, вычисленное по формуле (5) - до t 0,5°С и по формуле (9) при 0,5°С t 2°С. Последний диапазон перегревов наиболее важен, поскольку измерение их значений от 0,5 до 2°С осуществляется с наименьшей погрешностью.

Осуществим учет термической инерционности теплообменника. Для этого рассмотрим ситуацию, когда теплообменник находится в контакте с внутренней поверхностью исследуемого объекта и имеет ту же начальную температуру, а прогрев теплообменника начинается в момент начала подачи на его вход теплоносителя с начальной температурой t₀. Тогда изменение температуры теплообменника во времени может быть описано следующим образом [10]

где t₁ - температура внутренней поверхности исследуемого объекта, находящейся в контакте с рабочей поверхностью теплообменника [K]; t₀ - температура теплоносителя на входе теплообменника [K]; - тепловая проводимость между рабочей поверхностью теплообменника и внутренней поверхностью исследуемого объекта [Вт/K]; C _w - полная теплоемкость теплообменника вместе с трубопроводом [Дж/K]; S - площадь внутренней поверхности трубопровода [м ²]; - коэффициент теплообмена теплоносителя с внутренней поверхностью трубопровода [Вт/м²K]; М - массовый расход теплоносителя [кг/с]; c_f - удельная теплоемкость теплоносителя [Дж/кгK].

В начальный момент времени =0 температуры теплообменника и нагреваемой внутренней поверхности исследуемого объекта равны начальной температуре или температуре среды, то есть t_т=t₁=t _c. Выход на стационарный тепловой режим осуществляется при _т>4/m₀, то есть на нагрев внутренней поверхности исследуемого объекта необходимо затратить определенное время, которое требует оценки. Неучет этого времени приводит к систематической погрешности при определении времени , затрачиваемого на сквозной прогрев слоя. Это, в свою очередь, внесет систематическую погрешность в определение коэффициента температуропроводности.

Относительная погрешность определения коэффициента температуропроводности вычисляется следующим образом. Для выбранного номинального значения коэффициента температуропроводности вычисляется с учетом формулы (9) t( ₂), где ₂ - время возникновения перегрева с учетом термоинерционности теплообменника. Эта величина больше , а в предельном случае нулевой термоинерционности теплообменника совпадает с ней. Тогда можно записать

где а₂ - значение а, определенное с учетом времени, затрачиваемого на нагрев теплообменника до стационарной температуры. Относительная погрешность определяется по формуле

Рассмотрим систему «теплообменник - исследуемый объект». Для расчета а₂ необходимо поставить краевую задачу теплопроводности с граничным условием первого рода на нагреваемой поверхности и условием теплоизоляции на противоположной ей поверхности.

Уравнение теплопроводности запишем в виде

с граничными условиями:

и начальным условием:

При этом в граничные условия на нагреваемой поверхности будет входить температура теплообменника, определяемая по формуле (9), причем под t₁ понимается температура нагреваемой внутренней поверхности исследуемого объекта.

В такой постановке задача оказывается весьма сложной для использования аналитических подходов. Поэтому расчеты проводились численно, с использованием конечно-разностной схемы, построенной интегроинтерполяционным методом [11]. Фиксировалось время, при котором температура теплоизолированной поверхности начинала изменяться, а также время, в течение которого это изменение происходило в интервале от 0,5 до 2°С. Далее по значениям этого изменения и величине температурного напора на нагреваемой поверхности рассчитывалось критериальное число Фурье Fo₂ по формуле (8). Затем из (10) вычислялось а₂ и из (11) с использованием номинального значения температуропроводности - а₂.

Полученные результаты представлены на фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 приведены графики зависимости относительной погрешности определения коэффициента температуропроводности плоского исследуемого объекта толщиной 0,3 м за счет запаздывания нагрева теплоносителем теплообменника, вводимого в соприкосновение с внутренней поверхностью исследуемого объекта, от измеряемого перегрева на внешней поверхности исследуемого объекта. Номинальные значения коэффициента температуропроводности равны, (м² /с, 10^-6):0,9 (линия L₁); 0,3 (линия L ₂); 0,15 (линия L₃). Температура теплоносителя на входе в теплообменник ₀=80 K, его массовый расход М=5 г/с.

На фиг.2 приведены графики зависимости относительной погрешности определения коэффициента температуропроводности плоского исследуемого объекта толщиной 0,3 м за счет запаздывания нагрева теплоносителем теплообменника, вводимого в соприкосновение с внутренней поверхностью исследуемого объекта, от измеряемого перегрева на внешней поверхности исследуемого объекта. Номинальные значения коэффициента температуропроводности равны, (м²/с, 10^-6):0,9 (линия L₄ ); 0,3 (линия L₅); 0,15 (линия L₆). Температура теплоносителя на входе в теплообменник ₀=50 K, его массовый расход М=5 г/с.

Таким образом, если теплообменник постоянно расположен вплотную к внутренней поверхности исследуемого объекта, то есть теплообменник постоянно находится в тепловом контакте с внутренней поверхностью исследуемого объекта, то из-за наличия переходных процессов в этой системе существует систематическая погрешность измерений.

Заявленные способ и устройство реализуют идею, в соответствии с которой теплообменник не с самого начала находится в тепловом контакте с внутренней поверхностью исследуемого объекта, а предварительно прогревается до рабочей температуры, находясь от внутренней поверхности исследуемого объекта на расстоянии, исключающем возможность теплового контакта между теплообменником и внутренней поверхностью исследуемого объекта, и только после достижения теплоносителем рабочей температуры теплообменник устанавливается вплотную к внутренней поверхности исследуемого объекта, в результате чего обеспечивается тепловой контакт теплообменника с внутренней поверхностью исследуемого объекта.

В частном случае в соответствии с п.4 формулы изобретения устройство для измерения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект дополнительно содержит расположенный в соединительном трубопроводе третий контактный измеритель температуры. Наличие этого контактного измерителя температуры позволяет получить более полную информацию о процессе теплообмена, в результате чего повышаются точность и достоверность измерений.

В частном случае в соответствии с п.5 формулы изобретения устройство для измерения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект дополнительно содержит расположенный в выходном трубопроводе четвертый контактный измеритель температуры. Наличие этого контактного измерителя температуры позволяет получить более полную информацию о процессе теплообмена, в результате чего повышаются точность и достоверность измерений.

В частном случае в соответствии с п.6 формулы изобретения второй контактный измеритель температуры расположен на внешней поверхности исследуемого объекта. Такой вариант конструктивного выполнения заявленного устройства обеспечивает фиксацию времени начала подъема температуры и ее изменение во времени в заданной точке, расположенной на внешней поверхности исследуемого объекта.

В частном случае в соответствии с п.7 формулы изобретения второй контактный измеритель температуры расположен на боковой поверхности исследуемого объекта. Такой вариант конструктивного выполнения заявленного устройства обеспечивает фиксацию времени начала подъема температуры и ее изменение во времени в заданной точке, расположенной на боковой поверхности исследуемого объекта.

В частном случае в соответствии с п.8 формулы изобретения накопительный бак выполнен регулируемым по высоте. Такой вариант конструктивного выполнения заявленного устройства позволяет при необходимости изменять давление теплоносителя на входе теплообменника, в результате чего можно изменять величину массового расхода теплоносителя в теплообменнике в зависимости от конкретных условий проведения измерений.

В частном случае в соответствии с п.9 формулы изобретения накопительный бак снабжен сливным трубопроводом, выход которого соединен с вторым входом сливного бака. Если параметры заявленного устройства подобраны таким образом, что величина массового расхода теплоносителя в соединительном трубопроводе меньше, чем минимально возможная величина массового расхода теплоносителя в входном трубопроводе, то часть теплоносителя все время уходит через сливной трубопровод, в результате чего обеспечивается постоянный уровень теплоносителя в нагревательном баке. Это приводит к постоянству величины массового расхода теплоносителя в теплообменнике.

В частном случае в соответствии с п.10 формулы изобретения устройство для измерения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект дополнительно содержит внешний трубопровод, накопительный бак снабжен измерителем уровня теплоносителя, внешний трубопровод снабжен вторым вентилем, управляющий вход которого соединен с выходом измерителя уровня теплоносителя. Если параметры заявленного устройства подобраны таким образом, что величина массового расхода теплоносителя в входном трубопроводе меньше, чем минимально возможная величина массового расхода теплоносителя в внешнем трубопроводе, то датчик уровня теплоносителя формирует сигнал, поступающий на управляющий вход управляемого вентиля, в результате чего обеспечивается постоянный уровень теплоносителя в накопительном баке. Это приводит к постоянству величины массового расхода теплоносителя в теплообменнике.

Сущность изобретения поясняется описанием двух конкретных вариантов конструктивного выполнения заявленного устройства и чертежами, на которых:

- на фиг.1 - фиг.2 приведены графики, поясняющие сущность изобретения,

- на фиг.3 приведена схема первого варианта конструктивного выполнения заявленного устройства;

- на фиг.4 приведена схема второго варианта конструктивного выполнения заявленного устройства.

Устройство для измерения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект (первый вариант конструктивного выполнения) содержит (фиг.3) теплообменник 1, входной трубопровод 2, выходной трубопровод 3, первый контактный измеритель 4 температуры, второй контактный измеритель 5 температуры, тепловую изоляцию 6, внешняя поверхность теплообменника 1 снабжена тепловой изоляцией 6, кроме обращенной к внутренней поверхности 7 исследуемого объекта 8 внешней поверхности теплообменника 1, выход теплообменника 1 соединен с входом выходного трубопровода 3, первый контактный измеритель 4 температуры размещен на обращенной к внутренней поверхности 7 исследуемого объекта 8 внешней поверхности теплообменника 1. Устройство также содержит нагревательный бак 9, соединительный трубопровод 10, накопительный бак 11, сливной бак 12, нагревательный бак 9 снабжен нагревательным элементом, соединительный трубопровод 10 снабжен измерителем расхода теплоносителя 13 и вентилем 14, выход входного трубопровода 2 соединен с входом нагревательного бака 9, выход нагревательного бака 9 соединен с входом соединительного трубопровода 10, выход соединительного трубопровода 10 соединен с входом теплообменника 1, выход накопительного бака 11 соединен с входом входного трубопровода 2, выход выходного трубопровода 3 соединен с входом сливного бака 12, теплообменник 1 выполнен с возможностью пространственного перемещения относительно исследуемого объекта 8, причем расстояние b между внутренней поверхностью исследуемого объекта 8 и обращенной к внутренней поверхности 7 исследуемого объекта 8 внешней поверхностью теплообменника 1 выбирают из соотношений:

b b₀ при Т_ТН<Т_РАБ,

b=0 при Т_ТН=Т_РАБ,

где b₀ - исключающее тепловое взаимодействие между исследуемым объектом 8 и теплообменником 1 расстояние между обращенной к внутренней поверхности 7 исследуемого объекта 8 внешней поверхностью теплообменника 1 и внутренней поверхностью 7 исследуемого объекта 8, Т_ТН - температура теплоносителя, Т_РАБ - рабочее значение температуры теплоносителя.

В соединительном трубопроводе 10 расположен третий контактный измеритель 15 температуры, в выходном трубопроводе 3 расположен четвертый контактный измеритель 16 температуры. Второй контактный измеритель 5 температуры расположен на внешней поверхности 17 исследуемого объекта 8 или на боковой поверхности 18 исследуемого объекта 8. Накопительный бак 11 выполнен регулируемым по высоте. Он снабжен сливным трубопроводом 19, выход которого соединен с вторым входом сливного бака 12.

Направление движения теплоносителя показано стрелками, обозначенными на чертежах позицией 20. В качестве нагревательного элемента может быть применен преобразователь электрической энергии в тепловую энергию. Клеммы, к которым подключается внешний источник электрической энергии, обозначены на чертежах позицией 21.

Изменение величины массового расхода теплоносителя через теплообменник 1 осуществляется изменением высоты h накопительного бака 11 над теплообменником 1. При этом накопительный бак 11 должен быть расположен выше нагревательного бака 9.

Скапливающийся в сливном баке 12 теплоноситель может быть снова использован путем транспортировки из сливного бака 12 в накопительный бак 11 с помощью возвратного трубопровода 22, снабженного насосом 23 и вторым вентилем 24, или путем транспортировки теплоносителя из сливного бака 12 в накопительный бак 11 с помощью каких-либо контейнеров, например ведер. Теплообменник 1 установлен на подвижном основании 25 с помощью кронштейна 26. Стрелки 27 указывают направление перемещения теплообменника 1.

Описанный вариант конструктивного выполнения заявленного устройства работает следующим образом. Теплоноситель из накопительного бака 11 по входному трубопроводу 2 попадает в нагревательный бак 9. Нагревательный элемент нагревает находящийся в нагревательном баке 9 теплоноситель. Излишек поступившего в накопительный бак 11 теплоносителя по сливному трубопроводу 19 поступает в сливной бак 12 (это поддерживает постоянным уровень теплоносителя в накопительном баке 11). Пока температура теплоносителя ниже рабочей величины, теплообменник 1 находится от внутренней поверхности 7 исследуемого объекта 8 на расстоянии, исключающем тепловой контакт между ними. После достижения теплоносителем требуемой температуры теплообменник 1 придвигается вплотную к внутренней поверхности 7 исследуемого объекта 8. Это обеспечивает тепловой контакт между ними.

Рабочая температура теплоносителя на входе теплообменника 1 должна быть выше максимально возможной температуры теплоносителя на входе нагревательного бака 9. При изменении температуры поступающего во входной трубопровод 2 теплоносителя постоянство температуры на входе теплообменника 1 обеспечивается изменением режима работы нагревательного элемента. В теплообменнике 1 теплоноситель отдает тепловую энергию исследуемому объекту 8 через участок внутренней поверхности 7 исследуемого объекта 8, примыкающий к внешней поверхности теплообменника 1. Первый контактный измеритель 4 температуры фиксирует изменение во времени температуры в области контакта внешней поверхности теплообменника 1 с внутренней поверхностью 7 исследуемого объекта 8. Второй контактный измеритель 5 температуры фиксирует момент начала подъема температуры и ее дальнейшее изменение во времени в заданной точке. В соответствии с п.6 формулы изобретения заданная точка выбирается на внешней поверхности 17 исследуемого объекта 8. В соответствии с п.7 формулы изобретения заданная точка выбирается на боковой поверхности 18 исследуемого объекта 8. Прошедший через теплообменник 1 теплоноситель по выходному трубопроводу 3 поступает на первый вход сливного бака 12, на второй вход которого по сливному трубопроводу 19 поступает излишек теплоносителя из накопительного бака 11. Находящийся в сливном баке 12 теплоноситель перекачивается насосом 23 по возвратному трубопроводу 22 в накопительный бак 11. Расчет удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект 8 осуществляется по известной методике, описанной, например, в [8].

Устройство для измерения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект (второй вариант конструктивного выполнения) в соответствии с п.10 формулы изобретения дополнительно содержит (фиг.4) внешний трубопровод 28, накопительный бак 11 снабжен измерителем 29 уровня теплоносителя, внешний трубопровод 28 снабжен управляемым вентилем 30, управляющий вход которого соединен с выходом измерителя 29 уровня теплоносителя. В этом варианте конструктивного выполнения устройства отсутствует сливной трубопровод. В остальном конструктивное выполнение этого варианта устройства аналогично вышеописанному варианту.

Изменение величины массового расхода теплоносителя через теплообменник 1 осуществляется изменением высоты h накопительного бака 11 над теплообменником 1. При этом накопительный бак 11 должен быть расположен выше нагревательного бака 9.

Скапливающийся в сливном баке 12 теплоноситель может быть снова использован путем транспортировки из сливного бака 12 в накопительный бак 11 с помощью внешнего трубопровода 28, снабженного насосом 23, или путем транспортировки теплоносителя из сливного бака 12 в накопительный бак 11 с помощью каких-либо контейнеров, например ведер.

В описанном варианте конструктивного выполнения заявленного устройства поддержание постоянного уровня теплоносителя в накопительном баке 11 осуществляется с помощью измерителя 29 уровня теплоносителя, сигнал с выхода которого подается на управляющий вход управляемого вентиля 30, который при необходимости изменяет количество поступающего в накопительный бак 11 теплоносителя. В остальном работа данного варианта конструктивного выполнения устройства аналогична работе ранее описанного варианта. Расчет удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект 8 осуществляется по известной методике, описанной, например, в [8].

Источники информации

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. 06.10.1999, публ. 2001.07.20, МПК⁷ 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. 12.01.1996, публ. 27.05.1999, МПК⁶ 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. 09.08.2001, публ. 10.07.2003, МПК⁷ G01N 29/04.

4. Сергеев В.А. Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых приборов. Патент РФ на изобретение № 2178893, приор. 13.03.2001, публ. 27.01.2002, МПК⁷ G01R 31/26.

5. Сергеев В.А. Устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов. Заявка на патент РФ на изобретение № 2000127414/09, приор. 31.10.2000, публ. 10.10.2002, МПК ⁷ G01R 31/26.

6. Медведев В.В., Троицкий О.Ю. Устройство для определения характеристик материалов. Патент РФ на изобретение № 2212653, приор. 28.05.2002, публ. 20.09.2003, МПК⁷ G01N 25/18.

7. Чернышов В.Н., Сысоев Э.В., Павлов Р.В. Способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов. Патент РФ на изобретение № 2251098, приор. 17.11.2003, публ. 27.04.2005, МПК⁷ G01N 25/18.

8. Абрамова Е.В., Богоявленский А.И., Исаков П.Г., Лаповок Е.В., Ханков С.И. и др. Устройство для измерения теплофизических характеристик (варианты). Патент РФ № 54193 на полезную модель, приоритет 19.12.2005, публ. 10.06.2006, МПК G01N 25/18 (2006.01).

9. Абрамова Е.В., Богоявленский А.И., Будадин О.Н. и др. Способ измерения теплофизических характеристик и устройство для его осуществления (варианты). Заявка № 2005140528/(045146) на патент РФ на изобретение, приоритет 19.12.2005, публ. 27.06.2007, МПК G01N 5/00 (2006/01).

10. Богоявленский А.И., Исаков П.Г., Платонов А.С. Ханков С.И. Методы измерения удельного теплового сопротивления ограждающих конструкций // Строительные материалы № 6, 2007, с.45-47.

11. Самарский А.А. Теория разностных схем. - М.: Наука, 1977.