Датчик теплового потока

 

Рис.1.3.1. Схематичне зображення фотодіода

1 – фотодіод, 2 – оптична  лінза.

 

У режимі фотогенератора фотодіод сам є джерелом фото е.р.с., значення якої пропорційно інтенсивності світлового потоку. Типове значення фото е.р.с. кремнієвого фотодіода складає 0,5 ... 0,55 В, а значення струму недовгого   замикання   при   середньому   сонячному   освітленні   дорівнює   20 ... 25 мА / см2.

 

1.4. Прилади для  вимірювання теплового потоку

Прилад ІТП-11 сукупність перетворювача теплового потоку в електричний сигнал постійного струму з вимірювальним пристроєм, шкала якого проградуйована в одиницях щільності теплового потоку.

1. Межі виміру щільності  теплового потоку: 0-50; 0-250 Вт/м.

2. Ціна розподілу шкали  приладу: 1; 5 Вт/м.

3.Основна похибка приладу  у відсотках при температурі  повітря +20°С.

      (1.5.)

qпр - значення межі вимірювання; 

qизм - поточне значення вимірюваної щільності теплового потоку.

4. Додаткова похибка від зміни температури повітря, що оточує вимірювальний пристрій, не перевищує 1% на кожні 10 К (°С) зміни температури в діапазоні від 273 до 323 К (від 0 до 50 °С).

Додаткова похибка від зміни температури перетворювача теплового потоку не перевищує 0,83% на 10 К (° С) зміни температури в діапазоні від 273 до 243 К (від 0 до мінус 30 ° С).

5. Термічний опір перетворювача  теплового потоку - не більше 3·10 (м2·К)/Вт.

6. Час встановлення показів - не більше 3,5 хв.

7. Габаритні розміри футляра - 290х175х100 мм.

8. Габаритні розміри перетворювача теплового потоку: діаметр 27 мм, товщина 1,85 мм.

9. Габаритні розміри вимірювального  пристрою - 215х115х90 мм.

10. Довжина з'єднувального  електричного дроту - 7 м.

11. Маса приладу без  футляра - не більше 2,5 кг.

12. Джерело живлення - 3 елементи "316".

 

Прилад ІПП-2 МК призначений для вимірювання щільності теплових потоків, що проходять через одношарові і багатошарові огороджувальні конструкції будівель і споруд, через облицювання і теплоізоляцію енергооб'єктів при експериментальному дослідженні та в умовах експлуатації.

Принцип дії приладу ІПП-2 заснований на вимірюванні перепаду температур на "допоміжної стінки". Величина температурного перепаду пропорційна щільності теплового потоку. Вимірювання температурного перепаду здійснюється за допомогою стрічкової термопари, розташованої усередині пластинки зонда, яка виступає в ролі "допоміжної стінки".У робочому режимі приладом ІПП-2 проводиться циклічне вимір обраного параметра. Здійснюється перехід між режимами вимірювання щільності теплового потоку і температури. При цьому при переході між режимами на індикаторі відображається відповідний напис обраного режиму. Прилад також може виробляти періодичну автоматичну запис виміряних значень в енергонезалежну пам'ять з прив'язкою до часу.

Включення / вимикання запису статистики, настройка параметрів запису, зчитування накопичених даних здійснюється за допомогою програмного забезпечення.

Можливість встановлення порогів звукової та світлової сигналізації. При порушенні порогових значень на індикаторі загоряється світлодіод. При відповідній настройці приладу порушення порогів супроводжується звуковим сигналом. Під налаштуванням порога мається на увазі вибір виду порога: нижній або верхній, рівня сигналізації: попередження або тривога і власне значення порога (параметр попередження / тривога виражається тільки різною звукової сигналізації порушення порога).

Найменування параметра

Наведена похибка вимірювання щільності теплового потоку при 20 °С,% (не більше) 5;

Одиниці представлення щільності теплового потоку Вт/м2;

Одиниці представлення температури °С;

Індикація теплового потоку і температури світлодіодна;

Роздільна здатність вимірювання температури, °C 0,1;

Роздільна здатність індикації:

- температури, °C 0,1;

- щільності теплового потоку, Вт / м2;

Кількість підтримуваних приладом зондів теплового потоку до 8;

Кількість точок автоматичної статистики, не менше 10000;

Живлення приладу напругою від +2,2 до +2,8 В від 2 акумуляторів типорозміру AAA, ємністю 750 мАг або від мережевого адаптера напругою від +6 до +8 В;

Споживана потужність, мВт, не більше:

- в режимі індикації 200;

- в сплячому режимі (режим "SLEEP") 10;

- під час зарядки 2000;

Час безперервної роботи при живленні від батарейок, годин (не менше):

- в режимі індикації 12;

- в сплячому режимі (режим "SLEEP") 200;

Час заряду акумуляторів, ч, (не більше) 4;

Інтерфейс зв'язку з комп'ютером RS-232;

Максимальна відстань від приладу до комп'ютера 15 м;

Схема підключення температурного зонда чотири провідна

Максимальна довжина з'єднувального кабелю температурного зонда, 100 м;

Максимальна довжина з'єднувального кабелю зонда щільності теплового потоку, 20м;

Маса, не більше 0,2 кг;

Габаритні розміри, мм, не більше 130х70х25;

Умови експлуатації:

- температура навколишнього  повітря, °С від -20 до +50;

- відносна вологість (без  конденсації вологи),% від 10 до 95;

- атмосферний тиск, кПа (мм  рт.ст.) від 84 до 106,7 (від 630 до 800);

 

Висновки до розділу.

 

Вимірювання теплового потоку є досить актуальною темою. Тепломіри набули широкого застосування не тільки як прилади для проведення вимірювання та контролю та стану загороджувальних конструкцій та стану теплоізоляції, але і застосовуються для контролю різноманітних технологічних процесів, які потребують теплового контролю, прилади для проведення діагностики агрегатів. Основна проблема, що стримує широке використання теплометрії пов'язана з недостатнім рівнем розвитку теплометричних датчиків теплового потоку, помітно відстають від сучасної цифрової вимірювальної техніки.

Розглянувши деякі прилади та датчики для вимірювання теплових потоків, які запропоновані на даний час виробниками можна зробити висновок, що ціна на запропоновані товари набагато більша собівартості, а також запропоновані датчики мають дуже вузькі межі застосування.

Темою даної роботи є розроблення контактного електричного вимірювача теплового потоку. Для вирішення даної задачі потрібно розглянути такі питання:

• принципи вимірювання теплового потоку;
• розробка контактного вимірювача теплового потоку;
• проведення калібрування отриманого приладу;
• визначення характеристик;

 

2. МЕТОДИЧНА ЧАСТИНА

 

2.1. Вимірювання температури

 

2.1.1. Інструменти  контактного вимірювання температури

Температуру вимірюють за допомогою пристроїв, що використовують різні термометричні властивості рідин, газів і твердих тіл. Існують десятки різних пристроїв, що використовуються в промисловості, при наукових дослідженнях і для спеціальних цілей. У табл. 2.1. наведені найбільш поширені пристрої для з вимірювання температури і практичні температурні межі їх застосування.

Таблиця 2.1

 

Практичні межі застосування найбільш розповсюджених пристроїв для промислових вимірі температур

Термометричні властивості	Найменування пристрою	Межі тривалого застосування, °С
			нижня	верхня
Теплове розширення	Рідинні скляні термометри	-190	600
Зміна тиску	Манометричні термометри	-160	600
Зміна електричного опору	Електричні термометри опору	-200	500
	Напівпровідникові термометри опору (термістори, терморезистори)	-90	+ 180
Термоелектричні ефекти (термо-е.р.с.)	Термоелектричні термометри (термопари) стандартизовані	-50	1600
	Термоелектричні термометри (термопари) спеціальні	1300	2500
Теплове випромінювання	Оптичні пірометри	700	6000
	Радіаційні пірометри	20	3000
	Фотоелектричні пірометри	600	4000
	Кольорові пірометри	1400	2800

Термометром називають пристрій (прилад), що служить для вимірювання температури шляхом перетворення її в показання або сигнал, який є відомою функцією температури.

Чутливим елементом термометра називають частину термометра, перетворюючу теплову енергію в інший вид енергії для отримання інформації про температуру.

 

2.1.2. Резистивні  інструменти для вимірювання  температури термістори 

Слово «термістор» зрозуміло саме по собі: термічні резистори - пристрій, опір якого змінюється з температурою.

Термістори є в значній мірі нелінійними приладами і найчастіше мають параметри з великим розкидом. Саме тому багато хто, навіть досвідчені інженери і розробники схем відчувають незручності при роботі з цими приладами. Однак, познайомившись ближче з цими пристроями, можна бачити, що термістори насправді є цілком простими пристроями.

Спочатку необхідно сказати, що не всі пристрої, що змінюють опір з температурою, називаються термісторами. Наприклад, резистивні термометри, які виготовляються з маленьких котушок кручений дроту або з напилених металевих плівок. Хоча їх параметри залежать від температури, однак, вони працюють не так, як термістори. Зазвичай термін «термістор» застосовується стосовно чутливим до температури напівпровідниковим пристроям.

Є два основні класи термісторів: з негативним ТКС (температурним коефіцієнтом опору) і з позитивним ТКС.

Термістори з негативним ТКС є високочутливими, нелінійними пристроями з вузьким діапазоном, опір яких зменшується при збільшенні температури. На рис.2.1. зображена крива, що показує зміну опору в залежності від температури і представляє собою типову температурну залежність опору. Чутливість - близько 4-5% / °С. Є великий діапазон номіналів опорів, і зміна опору може досягати багатьох ом і навіть килоом на градус.

По суті термістори являють собою напівпровідникову кераміку. Вони виготовляються на основі порошків окислів металів (звичайно окислів нікелю і марганцю), іноді з добавкою невеликої кількості інших окислів. Порошкоподібні окисли змішуються з водою і різними зв'язувальними речовинами для одержання рідкого тіста, якому надається необхідна форма і яке обпікається при температурах понад 1000 °С.

 

               R

            Ro

 

 

 

 

 

 

      To

 

Рис.2.1. Термістори з негативним ТКС дуже чутливі і значною ступені нелінійні. Rо може бути в омах, кілоомах або мегоомах:

1-ставлення опорів R / Rо; 2 - температура в °С

 

Приварюється проводить металеве покриття (звичайно срібне), і приєднуються виводи. Закінчений термістор звичайно покривається епоксидною смолою або склом або полягає в який-небудь інший корпус.

Термістори мають вигляд дисків і шайб діаметром від 2,5 до приблизно 25,5 мм, форму стрижнів різних розмірів.

 

2.1.3. Термопари

Термопара, датчик температури, що складається з двох з'єднаних між собою різнорідних електропровідних елементів (зазвичай металевих провідників, рідше напівпровідників). Дія термопари заснована на ефекті Зеєбека. Якщо контакти спаї провідників, що утворюють термопару знаходяться при різних температурах, то в ланцюзі термопари. виникає термо е.р.с., величина якої однозначно визначається температурою "гарячого" і "холодного" контактів і природою матеріалів, застосованих в якості термоелектродов.

Рис.2.2. Схема підключення термопари

 

Термопари використовуються в самих різних діапазонах температур. Так, термопари із золота, легованого залізом (2-й термоелектроди - мідь або хромель), перекриває діапазон 4-270 °К, мідь - константан 70-800 °К, хромель - копель 220-900 °К, хромель - алюмель 220-1400 °К , платинородій - платина 250-1900 °К, вольфрам - реній 300-2800 °К. Е.р.с. термопари з металевих провідників зазвичай лежить в межах 5-60 мВ. Точність температури з їх допомогою становить, як правило, кілька °К, а у деяких термопарах досягає ~ 0,01 °К. Е.р.с. термопари з напівпровідників може бути на порядок вище, але такі термопари відрізняються істотною нестабільністю.

Термопари застосовують в пристроях для вимірювання температури і в різних автоматизованих системах управління і контролю. У поєднанні з електровимірювань приладом (милливольтметром, потенціометром і т. п.) термопари утворює термоелектричний термометр. Вимірювальний прилад підключають або до кінців термоелектродов (рис.2.2, а), або в розрив одного з них (рис.2.2, б). Залежно від конструкції і призначення розрізняють термопари : занурені і поверхневі; з звичайної, вибухобезпечної, вологонепроникної чи іншої оболонкою (герметичній або негерметичной), а також без оболонки; звичайні, ударостійкі; стаціонарні і переносні і т. п.

 

2.1.4. Біметали

Термометри біметалічні – призначені для вимірювання температури рідких, сипучих і газоподібних середовищ в діапазоні температур від -70 ° С до +600 ° С.

Принцип дії термометрів біметалічних заснований на пружною деформації, що виникає під впливом температури двох міцно з'єднаних металевих пластин, що мають різні температурні коефіцієнти лінійного розширення. При зміні температури біметал згинається в сторону матеріалу з меншим коефіцієнтом лінійного розширення, вигин за допомогою кінематичного вузла перетворюється в обертальний рух стрілки, що показує вимірюване значення температури по шкалі термометра.