УДК 536.629.7
Новое средство измерений теплофизических и теплотехнических параметров материалов и конструкций
П. Л. ОРФАНОВ – инженер ОАО НПП «Эталон», г. Омск
В статье представлено новое средство измерения теплофизических и теплотехнических параметров и материалов конструкций. Так же рассмотрены некоторые проблемы, с которыми приходится сталкиваться в процессе измерения.
Ключевые слова: теплофизические и теплотехнические параметры материалов, измеритель теплового сопротивления.
Постановка проблемы
Потребность в измерении теплопроводности различных материалов существует практически в любых областях науки и промышленности. Прежде всего, к ним относятся строительство и энергетика. Необходимость технологического контроля и сертификации по теплопроводности возникает при производстве и эксплуатации новых материалов различного назначения, а также при испытаниях на соответствие требованиям нормативных документов наиболее важных элементов сложных инженерных объектов, например, ограждающих конструкций отапливаемых зданий и сооружений. Таким образом, в современном технологическом обществе, характеризующемся все возрастающим уровнем энергопотребления на фоне постоянного увеличения стоимости и ограниченности запасов энергоносителей, измерения теплопроводности наиболее востребованы среди других видов измерений теплофизических свойств материалов и конструкций.
В последнее время интенсивно ведутся работы по усовершенствованию метрологического обеспечения измерений плотности теплового потока и теплопроводности, а также средств измерений.
Анализ последних разработок
Ранее разработанные средства измерения плотности теплового потока и теплопроводности обладают рядом недостатков, однако уже успели зарекомендовать себя с лучшей стороны.
При проектировании средств измерений разработчиками осуществлялся поиск рациональных решений с учетом требований качества и конкурентоспособности. Для реализации перспективных и конкурентоспособных средств измерений необходимо, что бы они обладали такими качествами, как:
- компактность, легкость, надежность, транспортабельность;
- возможность регистрации данных (наличие внутреннего или внешнего запоминающего устройства);
- обеспечение регистрации измеряемых показателей в автономном режиме с передачей собранной информации в виде, удобном для компьютерной обработки;
- универсальность, точность и защищенность от внешних воздействий;
- удобство и простота в работе;
- наличие свидетельства об утверждении типа средств измерений в РФ.
В зависимости от решаемых задач и финансовых возможностей, потребитель формирует свой комплект средств измерений.
Одной из первых задач, стоящих перед нашей организацией, на сегодняшний день является обеспечение рынка потребителей всеми необходимыми средствами измерения. А так же внедрение новых средств измерений, применяемых в процессе измерения теплофизических и теплотехнических параметров материалов и конструкций.
Разработка нового средства измерения, обладающего всеми качествами, упомянутыми выше, позволит потребителю решать комплексные задачи в области измерения теплопроводности.
Цель разработки
Создание комплексного средства измерения плотности теплового потока и температуры с расширенными функциональными возможностями, позволяющего продолжительно отслеживать величины тепловых потоков и температуры контролируемого объекта в лабораторных и натурных условиях.
Основной материал
Для мобильного измерения теплофизических свойств материалов и конструкций специалистами ОАО НПП «Эталон» был разработан многоканальный измеритель теплофизических величин ИТВ, отвечающий всем современным требованиям и состоящий из устройства сбора информации УСИ-1 и измерительных коммутаторов КИ-16. Измерительные коммутаторы КИ-16 предназначены для коммутации (подключения) первичных преобразователей теплового потока (датчиков теплового потока) и термопреобразователей (термопар), преобразования измеренного напряжения с преобразователей в код и передачу полученной информации по интерфейсу RS 485 в УСИ-1.
Измеритель теплофизических величин ИТВ (далее измеритель ИТВ) предназначен для применения на предприятиях стройиндустрии, органах госнадзора, аудита и сертификационных центрах.
Измеритель ИТВ измеряет плотность теплового потока, температуру, напряжение постоянного тока и дает возможность исходя из полученных данных по ГОСТ 26254-84, ГОСТ Р 54853-2011 и ГОСТ 26602.1-99 (для стен, перекрытий, оконных и дверных блоков) произвести расчет основных теплотехнических параметров (термического сопротивления ограждающей конструкции, коэффициента теплопропускания, сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции и т.д). Запись результатов измерения осуществляется на SD-карту в файл с расширением .txt. Для оперативной обработки информации планируется выпуск ПО.
Измеритель ИТВ обладает рядом преимуществ перед существующими аналогами:
- время непрерывной автономной работы не менее 100 часов;
- удобен для оперативного транспортирования, прост в эксплуатации.
Разрешающая способность при измерении:
- плотности теплового потока – 0,5 Вт/м2;
- температуры – 0,5°C.
Измеритель ИТВ обладает возможностью выбора периода времени записи информации в архив значений от 25 сек. до 60 мин. в каждом канале, широкий диапазон измерений плотности теплового потока, температуры и напряжения.
Количество каналов измерения в зависимости от вида исполнения (количества подключаемых измерительных коммутаторов КИ-16 от 1 до 6) – 16, 32, 48, 64, 80, 96.
Принцип работы заключается в следующем. Применяются первичные преобразователи плотности теплового потока или датчики теплового потока (ДТП 0924) – это термоэлектрические, гальванические преобразователи, работающие по принципу «вспомогательной стенки». ДТП 0924 выполнены в виде вспомогательной стенки, состоящей из батареи идентичных гальванических термоэлементов, включенных параллельно по измеряемому тепловому потоку и последовательно по генерируемому электрическому сигналу. Монолитность преобразователя в жестком или гибком исполнении обеспечена заливочным электроизоляционным компаундом. При эксплуатации ДТП 0924, установленного на поверхности исследуемого объекта, в режиме теплообмена на противоположных плоских поверхностях ДТП 0924 возникает пропорциональный измеряемой плотности проходящего теплового потока температурный перепад, благодаря которому в батарее термоэлементов генерируется ТЭДС. Аналоговый сигнал с преобразователей поступает в коммутатор КИ-16, преобразуется в код и далее поступает во вторичный преобразователь (УСИ-1), который считывает термоэлектрические сигналы датчиков и преобразует в величину плотности теплового потока.
Измерительный комплекс работает со всеми видами рабочих датчиков теплового потока ДТП 0924, производства ОАО НПП «Эталон» (которых насчитывается 26 типов).
Номинальная статическая характеристика (НСХ) применяемых термопар типа ТХА (К), рекомендуется термопара ТХА 1105, так же производства ОАО НПП «Эталон».
Рис. 1. Измеритель теплофизических величин ИТВ
Технические характеристики ИТВ:
Для проверки соответствия фактических характеристик требованиям, предусмотренным ТЗ и ТУ, в процессе разработке проводились лабораторные испытания трех опытных образцов.
В частности, проверялись такие параметры как:
- абсолютная основная погрешность и диапазон измерений напряжения;
- потребляемый ток;
- напряжение питания, вызывающее индикацию разряда батареи;
- запись на SD-карту.
Результаты измерений параметров трех образцов представлены в таблицах 1..3. Использовались три измерителя ИТВ (заводские номера 001; 002; 003), каждый с тремя измерительными коммутаторами КИ-16 (в таблицах модули 1; 2; 3).
Таблица 1. Результаты измерений параметров первого образца
Таблица 2. Результаты измерений параметров второго образца
Таблица 3. Результаты измерений параметров третьего образца
Для выявления ошибок в обмене данными между УСИ-1 и измерительными коммутаторами КИ-16 проводилась проверка, которая установила их отсутствие, т. е. показала положительный результат.
ВЫВОДЫ
- Разработанный измеритель теплофизических величин ИТВ, отвечающий всем современным требованиям, способен составить конкуренцию своим аналогам на рынке средств измерений, за счет расширенных функциональных возможностей и низкой цены.
- В ходе проведения испытаний опытных образцов ИТВ было установлено, что полученное максимальное значение абсолютной основной погрешности средств измерений и дополнительной погрешности, вызванной изменением температуры, ток потребления с выключенной подсветкой, напряжение питания, вызывающее индикацию разряда батареи, не превышают значения, установленные ТУ.
- На сегодняшний день завершаются подготовительные работы по внесению измерительного комплекса ИТВ в Государственный Реестр Средств Измерений РФ.
- Коллектив предприятия уверен в своих возможностях удовлетворять запросы потребителей ИТВ и готов принять замечания и предложения, как по своим изделиям, так и по аналогичным изделиям других фирм, с целью повышения качества и потребительских свойств разрабатываемых и серийно выпускаемых средств измерений.
- Отсутствие актуальной информационно-нормативной базы (ГОСТ 25380 принят и введен в действие еще в 1982 году) не позволяет добиться единства измерений, а предлагаемые для испытаний средства измерений далеко отстали от современного оснащения. Поэтому разработку и утверждение нормативно-технической документации необходимо вести на федеральном уровне.
ЛИТЕРАТУРА:
- О. А. Геращенко, В. Г. Федоров Тепловые и температурные измерения. Справочное руководство – Киев: Наукова Думка, 1965. – с. 305.
- К. Ф. Фокин Строительная теплотехника ограждающих частей зданий – Москва: АВОК-ПРЕСС, 2006 – с. 256.
- А. Э. Фридман Основы метрологии. Современный курс. – Санкт-Петербург: НПО «Профессионал», 2008. – с. 284.
