устройство для калибровки датчиков теплового потока

Формула изобретения

Устройство для калибровки датчиков теплового потока, содержащее тепловой излучатель, снабженный датчиком температуры, и теплосток, на котором размещен калибруемый датчик, отличающееся тем, что тепловой излучатель выполнен в виде стакана, на поверхности которого размещен электрический нагреватель, подключенный к источнику питания и измерителю мощности, введен тепловой экран, окружающий излучатель и повторяющий его форму, на поверхности которого размещены датчик температуры и электрический нагреватель, подключенные к регулятору температуры экрана, а теплосток выполнен в виде термоэлектрической батареи Пельтье, охлаждаемой тающим льдом и подключенной к источнику питания, калибруемый датчик снабжен датчиком температуры и размещен на термобатарее так, что перекрывает выходное отверстие излучателя, и подключен к измерителю сигнала.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для калибровки датчиков теплового потока, основанным на радиационно-конвективном способе.

Известны устройства, реализующие радиационный способ. Аналогом предлагаемого изобретения являются излучатели теплового потока известной мощности, в качестве которых используют модели абсолютно черного тела (АЧТ). Чаще всего такие излучатели конструктивно выполняют в виде горизонтальной трубчатой печи, внутри которой помещается тепловой блок в виде стакана из материала с высокой теплопроводностью. Блок снабжают термометрическим каналом для размещения в нем эталонного датчика температуры. Нагретая полость стакана служит источником теплового излучения (см. Б.Н.Олейник, С.И.Лаздина, В.П.Лаздин, О.М.Жагулло. Приборы и методы температурных измерений: уч. пособие. М.: изд-во стандартов, 1987, 296 с.).

Условием близости свойств излучения такой полости к АЧТ является выполнение двух условий: малость площади ее выходного отверстия по отношению к площади полости излучателя (блока) и однородность температурного поля полости. Степень близости такого излучателя к свойствам АЧТ определяется коэффициентом черноты, который для реальных тел может изменяться в пределах 0< <1. Значение этого коэффициента для моделей АЧТ находят только расчетным путем на основании данных по геометрическим параметрам излучателя и однородности его температурного поля. Наиболее удачные конструкции АЧТ имеют расчетное значение более 0,99. Тепловой поток на выходе излучателя определяется при этом по закону Стефана-Больцмана.

Недостатком таких устройств является то, что используются расчетные значения , достоверность которых невозможно подтвердить. Другим недостатком является невозможность учета конвективной составляющей теплообмена, поэтому необходимо наличие вакуума, что существенно усложняет конструкцию устройства и его эксплуатацию.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству, взятой в качестве прототипа, является установка для радиационной градуировки датчиков теплового потока, содержащая излучатель в виде плоской модели АЧТ, корпус, снабженный кожухом и термостатируемой блендой, спаи термоэлектрического датчика температуры, теплосток в виде теплообменника, охлаждаемого протекающей жидкостью, на котором размещаются эталонные и калибруемые датчики теплового потока, два одинаковых кольца, кронштейн, рукоятка, осевой винт и направляющая, а также столешница и клеммная колодка (см. Декуша Л.В., Грищенко Т.Г., Зайцев В.Б. Установка для радиационной градуировки преобразователей теплового потока. / Промышленная теплотехника, т.25, № 4. - 2003. ISSN 0204-3602).

К недостаткам таких устройств относится возможность возникновения погрешностей, обусловленных неидентичностью геометрии и свойств калибруемых и эталонного датчиков, приводящая к неодинаковости взаимодействия теплового излучения с их поверхностью. Кроме этого для осуществления такого способа необходимо иметь эталонный датчик высокой точности.

Поэтому актуальной является задача создание тепловых излучателей не с расчетным, а с измеряемым значением теплового потока, позволяющих проводить калибровку датчиков не только в вакууме, но и в условиях атмосферы при наличии конвективного теплообмена.

Технический результат от внедрения устройства заключается в том, что оно позволяет осуществлять калибровку датчиков теплового потока в условиях, наиболее близких к реальным условиям их эксплуатации.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для калибровки датчиков теплового потока содержит тепловой излучатель, снабженный датчиком температуры, и теплосток, на котором размещен калибруемый датчик, согласно изобретению в нем тепловой излучатель выполнен в виде стакана, на поверхности которого размещен электрический нагреватель, подключенный к источнику питания и измерителю мощности, введен тепловой экран, окружающий излучатель и повторяющий его форму, на поверхности которого размещены датчик температуры и электрический нагреватель, подключенные к регулятору температуры экрана, а теплосток выполнен в виде термоэлектрической батареи Пельтье, охлаждаемой тающим льдом и подключенной к источнику питания, калибруемый датчик снабжен датчиком температуры и размещен на термобатарее так, что перекрывает выходное отверстие излучателя, и подключен к измерителю сигнала.

Предлагаемое устройство представлено на фиг.1, где: 1 - калибруемый датчик, 2 - тепловой излучатель, 3 - теплоизолирующее кольцо, 4 - измеритель сигнала калибруемого датчика, 5 - электрический нагреватель теплового излучателя, 6 - источник питания электрического нагревателя излучателя, 7 - измеритель мощности, 8 - тепловой экран, 9 - электрический нагреватель теплового экрана, 10 - датчик температуры теплового экрана, 11 - регулятор температуры теплового экрана, 12 - датчик температуры теплового излучателя, 13 - датчик температуры калибруемого датчика, 14 - источник питания батареи Пельтье, 15 - термоэлектрическая батарея Пельтье, 16 - сосуд с тающим льдом.

Устройство работает следующим образом. Калибруемый датчик 1 помещают в теплоизолирующее кольцо 3 на выходном отверстии излучателя 2. На внешнюю поверхность датчика устанавливают термобатарею Пельтье 15 вместе с сосудом с тающим льдом 16. Регулируя ток в термобатарее 15 источником 14, устанавливают по сигналу датчика 13, регистрируемому измерителем 4, необходимую температуру калибруемого датчика. К нагревателю теплового излучателя 5 подводят электрическую мощность P _u от источника питания 6, которую измеряют измерителем 7. С помощью регулятора 11 устанавливают мощность нагревателя 9 экрана 8, при которой его температура становится равной температуре излучателя, что определяется по показаниям датчиков температуры 10 и 12. В этом случае подводимая к тепловому излучателю 2 электрическая мощность P_u, преобразуясь в тепло, создает тепловой поток Q₀ на выходном отверстии излучателя, равный мощности P_u.

Так как калибруемый датчик 1 расположен вблизи выходного отверстия излучателя и перекрывает его, то плотность теплового потока q_o, проходящего через датчик, определится соотношением

где F_o - площадь выходного отверстия излучателя.

Следовательно, измеряя мощность электрического нагревателя теплового излучателя, площадь его выходного отверстия, а также электрический сигнал Е датчика, рассчитывают значение его коэффициента преобразования К по формуле:

Важным преимуществом предлагаемого устройства является возможность калибровки датчиков теплового потока без использования эталонного датчика в условиях, максимально приближенных к условиям эксплуатации датчиков при их размещении на поверхностях различных объектов.