Датчик теплового потока

ВСТУП

 

Стрімкий розвиток електроніки та обчислювальної техніки виявилося передумовою для широкої автоматизації найрізноманітніших процесів в промисловості, в наукових дослідженнях, у побуті. Однак реалізація цієї передумови значною мірою визначається можливостями пристроїв для отримання інформації про регульованому параметрі чи процесі. Зрозуміло, застосування датчиків не обмежується тільки автоматизованими системами, оскільки вони можуть виконувати також функції елементів просто вимірювальних систем.

За визначенням до датчиків відносяться всі основні вузли електронної схеми для вимірювання неелектричних величин, розташовані безпосередньо у об'єкту. Необхідність перетворення вимірюваної неелектричної величини в адекватний їй електричний сигнал послужила пізніше підставою для введення терміну «вимірювальний перетворювач».

Удосконалення напівпровідникової технології дозволило розширити сфери застосування датчиків і до того ж підвищити їх точність, швидкодію, надійність, довговічність, зручність сполучення з електронними вимірювальними схемами. Масовий характер виробництва датчиків сприяє зниженню їх ціни, що також є важливим фактором, що визначає їх впровадження в практику. Техніка конструювання і застосування датчиків в останні роки розминулася в самостійну гілку вимірювальної техніки. З ростом автоматизації до датчиків фізичних параметрів стали пред'являтися все більш високі вимоги.

 

1.1. ОСНОВНІ ФІЗИЧНІ  ПОНЯТТЯ

 

1.1.1. Температура

Температура - це досить важлива характеристика термодинамічної системи. Вона визначає ступінь нагріву тіл і є мірою інтенсивності теплового руху.

Внутрішні параметри системи поділяються на інтенсивні та екстенсивні. Параметри термодинамічної системи, які не залежать від маси або числа частинок в системі, називають інтенсивними.

Температура виражає стан внутрішнього руху рівноважної системи незалежно від кількості частинок в них.

Тому температура є інтенсивним параметром. І в цьому розумінні вона є мірою інтенсивності теплового руху.

Екстенсивні термодинамічні параметри - це параметри, які пропорційні масі або числу частинок даної термодинамічної системи.

Їхнє значення дорівнює сумі значень таких самих параметрів окремих частин системи. До таких параметрів належать об’єм, енергія та інші.

 

1.1.2. Тепловий потік

Тепловий потік кількість теплоти, передане через ізотермічну поверхню в одиницю часу. Тепловий потік вимірюється в Ватах або ккал/год (1 Вт = 0,86 ккал/год). Тепловий потік віднесений до одиниці ізотермічної поверхні, називається щільністю теплового потоку, питомою теплового потоку або теплової навантаженням; позначається зазвичай q, вимірюється в Вт/м2 або ккал /(м2×год). Щільність теплового потоку - вектор, будь-яка компонента якого чисельно дорівнює кількості теплоти, переданої в одиницю часу через одиницю площі, перпендикулярної до напрямку взятої компоненти.

 

1.1.3. Теплопровідність

Теплопровідність - це перенесення теплової енергії структурними частками речовини ( молекулами, атомами, іонами) в процесі їх теплового руху. Такий теплообмін може відбуватися в будь-яких тілах з неоднорідним розподілом температур, але механізм переносу теплоти буде залежати від агрегатного стану речовини. Явище теплопровідності полягає в тому, що кінетична енергія атомів і молекул, яка визначає температуру тіла, передається іншому тілу при їх взаємодії або передається з більш нагрітих областей тіла до менш нагрітих областям. Іноді теплопровідністю називається також кількісна оцінка здатності конкретної речовини проводити тепло.

Чисельна характеристика теплопровідності матеріалу дорівнює кількості теплоти, що проходить через матеріал товщиною 1 м і площею 1 м2 за одиницю часу (секунду) при різниці температур на двох протилежних поверхнях в 1 До. Дана чисельна характеристика використовується для розрахунку теплопровідності для калібрування і охолодження профільних виробів.

Історично вважалося, що передача теплової енергії пов'язана з перетіканням теплорода від одного тіла до іншого. Однак більш пізні досліди, зокрема, нагрівання гарматних стволів при свердлінні, спростували реальність існування теплорода як самостійного виду матерії. Відповідно, в даний час вважається, що явище теплопровідності обумовлено прагненням зайняти стан ближче до термодинамічної рівноваги, що виражається у вирівнюванні температури.

У сталому режимі щільність потоку енергії, що передається за допомогою теплопровідності, пропорційна градієнту температури визначається за формулою (1.1):

    (1.1)

де - Вектор щільності теплового потоку – кількість енергії, що проходить в одиницю часу через одиницю площі, перпендикулярної кожній осі, к – коефіцієнт теплопровідності (іноді званий просто теплопровідністю), T – температура. Мінус в правій частині показує, що тепловий потік спрямований протилежно вектору grad T (тобто в бік якнайшвидшого убування температури). Цей вислів відомий як закон теплопровідності Фур'є.

У інтегральної формі це ж вираз запишеться так (якщо мова йде про стаціонарний потік тепла від однієї грані паралелепіпеда до іншої) (1.2):

 

       (1.2)

де P – повна потужність теплових втрат, S - площа перерізу паралелепіпеда, ΔT – перепад температур граней, h – довжина паралелепіпеда, тобто відстань між гранями.

Коефіцієнт теплопровідності вимірюється в Вт/(м·°K).

 

1.1.4. Опір теплопередачі  термічний опір огороджувальної конструкції

Опір теплопередачі огороджувальних конструкцій також коефіцієнт теплоопору, теплоопір і термічний опір застосовується в будівництві. При загальних рівних умовах, це відношення різниці температур по краях ізоляційного матеріалу до величини теплового потоку теплопередача на одиницю площі, QA проходить крізь нього, визначається за формулою (1.3):

       (1.3)

Коефіцієнт теплоопору відображає властивості будь-якого матеріалу і виражається як щільність матеріалу, поділена на теплопровідність. Для визначення теплоопору всій площі матеріалу, міра теплоопору ділиться на площу матеріалу. Коефіцієнт теплопровідності матеріалу, що позначається як к, обернено пропорційний теплоопір. Він також називається коефіцієнтом поверхневої провідності і позначається h Чим більше це число, тим краще ефективність ізоляції. Міра теплоопору R обернено пропорційна коефіцієнту теплозасвоєння ∆U.

У метричній системі СІ теплоопір вимірюється різницею температури в Кельвіна (або в градусах Цельсія), необхідної для перенесення 1 Вт енергії на 1 м2 площі (м²·°K/Вт). Зазвичай міра теплоопору дається на певний матеріал при установці.

       (1.4)

Де d – товщина шару матеріалу, (м), k – коефіцієнт теплопровідності матеріалу, (Вт / м °С). Чим більше отримане значення R при аналізі матеріалу, тим краще його теплозахисні властивості.

 

1.2. АКТУАЛЬНІСТЬ ВИБРАНОЇ ТЕМИ

Останнім часом значно підвищилася актуальність питання економної витрати енергоносіїв. І однією з найбільш важливих завдань на сьогоднішній день, що стоять перед суб'єктами економіки, є широке впровадження і застосування систем вимірювання теплового потоку, а також збільшення точності вимірювань. Крім енергозберігаючого аспекту вимірювачі теплових потоків дозволяють впливати на протікання технологічних процесів, надаючи необхідний пакет даних про стан об'єктів теплоенергетичного комплексу.

Методи теплометрії можна з успіхом застосовувати для оперативного контролю якості теплової ізоляції енергетичних установок і трубопроводів, визначення теплозахисних властивостей будівельних конструкцій. Такий контроль сприяє, з одного боку, раціональному використанню ізоляційних матеріалів, з іншого - економії теплової енергії.

Область застосування приладів, що вимірюють параметри теплового потоку, практично необмежена, і тому питання підвищення точності і надійності системи вимірювання дуже важливий для багатьох галузей науки і промислового виробництва. Але все-таки в першу чергу це необхідно для економного використання енергоресурсів. І тому найбільш актуальним завданням для теплопостачання та теплофікації, теплоенергетики та будівельного комплексу є реалізація приладів, які дозволяють виміряти кількість теплоти і теплоносія, параметр теплопровідності ізоляційних і будівельних матеріалів, розподіл і поверхневу щільність теплового потоку та інші параметри. Крім цього, широко застосовуються для проведення обстеження теплотрас і недоступних для проведення контактних вимірів об'єктів тепловізори і пірометри, що дають можливість заміряти температуру на відстані.

Датчики теплового потоку дозволяє виміряти щільність теплового потоку крізь загороджувальні конструкції промислових цехів, будинків та інших споруд. Вимірювач дає можливість виходячи з отриманих даних щільності теплового потоку і температури провести розрахунок основних теплотехнічних параметрів. Комплекс для вимірювання складається з датчика, який визначає параметри теплового потоку, і компактного приладу, який видає отримані дані в одиницях щільності.

Основна проблема, що стримує широке використання теплометрії пов'язана з недостатнім рівнем розвитку теплометричних датчиків теплового потоку, помітно відстають від сучасної цифрової вимірювальної техніки.

 

1.3. МЕТОДИ ВИМІРЮВАННЯ  ЩІЛЬНОСТІ ТЕПЛОВОГО ПОТОКУ

 

1.3.1. Пневматичний  і оптичний методи

В основу приладів пневматичного методу покладені газові термометри, які мають найвищу чутливість і точність вимірів.

На відміну від метрологічних газових термометрів об'єми прийомних камер пневматичних індикаторів променистої енергії зазвичай не перевищують 1 см3, а інтегральна теплоємність дорівнює 10-3 Дж/град. Такі малі значення відповідають теплоємності найтонших (0,02—0,05 мкм) плівкових огороджень робочих об'ємів і дозволяють при великих значеннях потоків досягати зниження постійної часу до мілісекунд. Чутливість по температурі може бути доведена до 10-5 град. При проектуванні приладу на тривалі експозиції порядку 100 секунд це дає можливість реєструвати гранично малі потоки порядку 10-10 Вт.

Гази поглинають променисту енергію лише у вузьких смугах спектра. Для розширення спектра поглинання прийомну камеру заповнюють ворсистим поглиначем (найтоншим пухом рослинного або тваринного походження) і наступною термообробкою домагаються його обвуглювання. Такий вугільний «пух» при помірній теплоємності має значну поглинальну здатність і його присутність більше підвищує чутливість, ніж інерційність приладу.

У пневматичних приймачах зі збільшенням чутливості зростає й постійна часу.

 

1.3.2. Інерційні  тепломіри

Перші калориметричні прилади були призначені для визначення теплоємності по кількості виділюваного тепла й зміні температури. Наявність відомостей про теплоємність дозволяє вимірювати кількість поглиненого або втраченого тепла по зміні температури вимірювального тіла у часі.

Недолік описаних приймачів полягає в тому, що з їхньою допомогою не можна визначити напрямок вектора вимірюваної величини.

 

1.3.3. Компенсаційні  радіометри

Компенсаційні прилади можна класифікувати на одно - і двохелементні. Найчастіше теплова компенсація здійснюється за допомогою електричного нагрівання. В одноелементних приладах за допомогою компенсаційного нагрівання здійснюється періодичне градуювання елемента, чутливого до вимірюваного потоку. При далекій аналогії ці прилади подібні до пружинних вагів, що перевіряються періодично по еталонних гирях.

Двохелементні радіометри створені на основі диференційного калориметра. Чутлива ланка дозволяє контролювати ідентичність підведення енергії. Один з елементів сприймає вимірюваний потік, другий – компенсаційне електричне нагрівання. Принципова основа цих приладів така ж, як і двоплечих важільних терезів.

 

1.3.4. Піроелектричні  тепломіри

Піроелектрикою називається стан електричної поляризації, що обумовлена зміною температури й співпадає з оптичною полярністю. Уперше це явище спостерігалося на мінералах групи турмаліну, для яких головна вісь симетрії кристалів є головної піроелектричною віссю. Зміна температури на 1 град по цій осі приводить до появи заряду до 10-5 Кл/м2.

 

1.3.5. Метод допоміжної  стінки

Сутність методу полягає у тому, що на шляху вимірюваного потоку розташовується стінка з відомою теплопровідністю.

Як звичайно, ефект присутності вимірювального органа бажано звести до мінімуму, тому допоміжна стінка, по можливості, не повинна бути додатковою, як її іноді називають. У тих же випадках, коли додатковий опір неминучий, необхідно знати не тільки абсолютну величину, але і його частку в сумарному тепловому опорі теплового кола, що проводить вимірюваний потік.

 

1.3.6. Прилади основані  на фотоелектричних та радіометричних  ефектах

Фотоелектричними іменують електронні прилади, що перетворюють енергію випромінювання в електричну енергію. Такі прилади можуть будуватися на фотоефекті як у вакуумі або газі, так і в напівпровіднику. У поточний час найбільшого поширення набули фотоелектричні прилади, принцип дії яких заснований на внутрішньому фотоефекті в напівпровіднику. Суть його полягає в збільшенні концентрації вільних носіїв заряду під дією зовнішнього світла, а отже, і провідності напівпровідникових матеріалів. Одержувана таким чином провідність іменується фотопровідність. Вона поєднується з власною провідністю напівпровідникового матеріалу. Фотопровідність знаходиться в залежності від інтенсивності і спектрального складу зовнішнього світлового потоку.

Внутрішній фотоефект може бути реалізований в різних типах напівпровідникових приладів. Розглянемо головні з них.

Фотодіод за структурою аналогічний звичайному напівпровідниковому діоду. Відмінність полягає в тому, що його корпус забезпечений додатковою лінзою, що створює зовнішній світловий потік, спрямований, звичайно, перпендикулярно площині р-n - переходу (рис. 3.1. ). Прилад може працювати в режимах фотоперетворювача і фото генератора.

У режимі фотоперетворювача в ланцюг фотодіода включають зовнішній джерело живлення, яке забезпечує оборотне зсув р-n-переходу. Якщо перехід не освітлений, то створюється оборотний темновий струм. При висвітленні переходу до темнової току додається фотострум, значення якого не перебуває в залежності від прикладеної напруги і пропорційно інтенсивності світлового потоку Ф.