| Приоритети: | Изобретението се отнася до областта на термометрията и може да се използва за измерване на топлопредаването от повърхности, например нагревателни устройства в отоплителните мрежи на сгради за управление на отоплителните системи, за определяне на количеството изтичане на топлина в сгради и в други области, в които е необходимо да се контролират процесите на топлообмен. Претендиран е метод за измерване на топлинния поток, който се осъществява чрез инсталиране на фероелектричен кондензатор по пътя на топлинния поток, деполяризиращи импулси на електрическо напрежение се прилагат към пластините на кондензатора. След това се измерва скоростта на промяна на напрежението по време на разреждането на кондензатора и топлинният поток се определя от калибровъчната зависимост на скоростта на промяна на напрежението и топлинния поток. Технически ефект: повишена точност на измерване на променливи и постоянни топлинни потоци. 1 з.п. f-ly, 2 ил.
Чертежи към патент България 2488080
Изобретението се отнася до измервателната техника и може да се използва за измерване на топлопредаването от повърхности, като нагревателни устройства в отоплителни системи на сгради, за управление на отоплителни системи, за определяне на количеството изтичане на топлина в сгради и в други области, в които е необходимо да се контролират процесите на топлообмен.
При известни термични съпротивления, топлинният поток може да бъде индиректно определен от стойностите на температурата, измерени в различни точки на изследванотообект. Обикновено се определя плътността на топлинния поток q [W/m 2 ], т.е. поток на единица площ
където - топлопроводимост [W / m K], t - температурни стойности в някои точки на обекта, между които се определя топлинният поток.
При измерване на топлинния поток при поапартаментно измерване, например със сензори за топлинен поток Danfoss INDIV-3, температурата се измерва между характерната точка на повърхността на радиатора и въздуха в отопляемото помещение, а температурата на въздуха в помещението е постоянна програмирана стойност и съответства на стандартната стойност от 20 ° C. Въпреки това, условието за фиксирана стойност на втората температура не винаги е осъществимо.
Трудността се състои и във факта, че стойността на топлопроводимостта често не е известна и тогава е необходимо да се извършват измервания чрез директен метод с помощта на сензори за топлинен поток.
Съществен недостатък на този метод е необходимостта от точно измерване на температурата на плочите, за което те трябва да бъдат увеличени. За повишаване на чувствителността трябва да се използват и термодвойки с много преходни точки. Увеличаването на дебелината на плочите означава увеличаване на масата и размерите на сензора и повишаване на неговите топлоизолационни свойства, което води до увеличаване на методологичната грешка при измерване на потока.
Известен метод за измерване на топлинния поток, описан в статията L.Geiling, Das Termoelement als Strahlungsmesser. (Zschr. Phys., Bd. 3.12, 1951). Този метод използва сензор, направен под формата на плоча, състояща се от последователно редуващи се термоелектродни материали (например мед и константан). Интерфейсът между слоевете е наклонен под ъгъл 20-45° спрямо равнините на сензора. Сензорът е позициониран спрямо потока по такъв начин, че да има разлика между долната и горната му повърхносттемператури, което възбужда термо-ЕМП. Измерва се термоедс, която се натрупва по повърхността на сензора и е линейно свързана с температурния градиент и, следователно, с големината на топлинния поток.
Недостатъкът на разглеждания метод е, че за неговото реализиране е необходимо в сензора да се използват материали с рязко различни термични и термоелектрични свойства.
При известния метод измерването на потока се основава на зависимостта на диелектричната проницаемост от температурата - при нейното изменение възниква поляризация на сегнетоелектрика, което е следствие от деформацията на кристалната решетка. Степента на поляризация зависи от количеството топлина, погълнато от фероелектрика. Ако обаче температурата не се променя, тогава поляризацията се намалява от свободните заряди от атмосферата и поради съществуващата вътрешна проводимост. Така измереното напрежение вече няма да характеризира реалния топлинен поток. Това явление ограничава използването на фероелектрични кондензатори до единични измервания.
Проблемът, решен от изобретението, е разработването на метод за измерване на топлинния поток, който ви позволява постоянно да наблюдавате величината на топлинния поток на контролирания обект.
Проблемът се решава поради факта, че в предложения метод за измерване на топлинния поток, както и в известния, на пътя на топлинния поток е монтиран фероелектричен кондензатор. Но за разлика от известния метод, в предложения метод към пластините на кондензатора се прилагат деполяризиращи импулси на електрическо напрежение, измерва се скоростта на промяна на напрежението по време на разреждането на кондензатора и топлинният поток се определя от калибровъчната зависимост на скоростта на промяна на напрежението от топлинния поток.
Постигнатият технически резултат еприлагане на възможността за непрекъснато измерване не само на променящи се, но и на постоянни топлинни потоци.
Наборът от съществени характеристики, формулирани в претенция 2 на претенциите, характеризира метод за измерване на топлинния поток, при който измерването на скоростта на промяна на напрежението се извършва в началния етап на забавяне на определената скорост.
В този участък от кривата на изменение на напрежението се увеличава делът на температурния фактор върху доменната структура на сегнетоелектрика и се осигурява максимална чувствителност на метода.
Изобретението е илюстрирано с чертежи, където фигури 1 и 2 показват кривите на спад на напрежението на кондензатори с различни области на фероелектрика BaTiO 3
На фигура 1 площта на кондензатора е равна на 100 mm 2, а на фигура 2 - 25 mm 2. Дебелината и в двата случая е еднаква, равна на 0,1 мм.
Изобретението се основава на следните зависимости:
Топлинно уравнение за едномерен случай:
където P V , [W/m3] - мощност на вътрешни енергийни източници; c T [J/K] - топлинна мощност; [kg/m3] - плътност, - време.
Ако температурното поле е равномерно, тогава можем да напишем:
Тогава общата мощност на топлоотдаване, т.е. топлинния поток:
Последният израз може да бъде пренаписан като:
,
където C T = c T V
Енергия на зареден кондензатор:
,
[J], където C E е капацитетът на кондензатора, U е напрежението върху пластините на кондензатора.
След това можете да напишете:
,
Последният израз показва връзката между големината на топлинния поток и скоростта на промяна на напрежението на разряда на кондензатора. Тази връзка е илюстрирана на фиг. 1 и 2, които показват зависимостите на напрежението и времето за разреждане на кондензатора. Всяка крива характеризира топлинния поток и набора от криви на една графикаилюстрира постепенното охлаждане на измервания обект и намаляването на топлинния поток.
При измерване на топлинния поток, например радиатор, кондензаторът се монтира на пътя на топлинния поток. Кондензаторът трябва да има достатъчно малка дебелина и обем, за да не нарушава практически топлинния поток, преминаващ през него. Материалът на използвания диелектрик се избира при условие, че точката на Кюри е над най-високата температура от диапазона, в който се измерва топлинният поток. Проведохме измервания с помощта на кондензатори със сегнетоелектрик BaTiO 3 и Ba 0.9 Sr 0.1 TiO 3 . В последния случай фероелектрикът има дебелина 0,5 mm и площ 50 mm. Точката на Кюри съответства на 80°C. Деполяризиращото напрежение съответства на 3,3 V. За тези параметри бяха съставени таблици за калибриране за съответствието между скоростта на промяна на напрежението на разреждане на кондензатора и големината на топлинния поток. Измерването на скоростта на промяна на напрежението се извършва в началния етап на забавяне на процеса на деполяризация на фероелектрика, тъй като в този участък делът на термичното влияние върху скоростта на затихване на кривата на напрежението се увеличава значително. Като се има предвид факта, че както отоплителните батерии, така и пространството около тях имат достатъчно голяма топлинна инерция, деполяризиращите импулси могат да се прилагат доста рядко - веднъж на няколко минути, за разлика от системите с бързо променяща се топлинна ситуация, в които импулсите се прилагат непрекъснато.
Както следва от описанието, предложеният метод дава възможност да се измерват не само променящите се топлинни потоци, но и измерването на потоци, чиято величина не се променя с течение на времето, така че може да бъде основа за създаване на устройства за измерване на потреблението на топлина и потреблението.
ИСК
1. Методизмерване на топлинния поток чрез инсталиране на фероелектричен кондензатор по пътя на топлинния поток, характеризиращ се с това, че деполяризиращите импулси на напрежение се прилагат към пластините на кондензатора, скоростта на промяна на напрежението по време на разреждането на кондензатора се измерва и топлинният поток се определя от калибриращата зависимост на скоростта на промяна на напрежението върху топлинния поток.
2. Метод за измерване на топлинния поток съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че измерването на скоростта на промяна на напрежението се извършва в началния участък на забавяне на определената скорост.