Спросить
Войти
УДК 681.2:536.6 В.Я. Черепанов СГГ А, Новосибирск
АДИАБАТИЧЕСКИЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ В ЭТАЛОНАХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
В государственных эталонах России, воспроизводящих единицы энергетических величин, содержащих в размерности джоули или ватты, используется преобразование измеряемых величин в тепловые эффекты, значения которых определяют обычно калориметрическими методами [1]. Метрологические характеристики этих эталонов приведены в табл. 1.
Таблица 1. Некоторые сведения по государственным эталонам энергетических величин (ГПЭ - государственный первичный эталон, ГСЭ государственный специальный эталон)
Наименование эталона Д Б 0 Метод измерения
ГСЭ единицы электрической мощности в диапазоне (40-2500) Гц 0,01-6 • 103 Вт (0,5- 1>10&5 (2-4) -10&5 Термоэлект- рическое компарирование
ГПЭ единицы коли-чества теплоты 7 - 35 кДж (4-60) -10&5 (5 — 150)- 10&5 Калориметрическ ий
ГСЭ единицы коли-чества теплоты в области калориметрии растворения и реакций 0,05 - 1 кДж 2 • 10&4 3 • 10&4 Калориметрическ ий
ГПЭ единицы мощ-ности электромагни-тных колебаний в волноводных трактах в диапазоне (0,03 - 37,5) Гц 1-Ю&4- 1-Ю&1 Вт 1 • 10&4 2 • 10&3 Калориметрическо е компарирование
ГСЭ единицы потока излучения при длине волны 0,95 мкм ЫО&2-2 -10&2 Вт 2 • 10&3 4 • 10&3 Термоэлект- рическое компарирование
ГСЭ единицы потока энергии тормозного излучения с максимальной энергией фотонов 8 - 8,0 пДж 1-Ю&4- 10 Вт (0,8- 1,0) -10&2 (3 - 5) • 10&2 Калоримет- рический
ГПЭ единиц погло-щенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излу-чений 0,08 - 8 Вт 2 • 10&3 2 • 10&3 Калориметрический с термоэлектрическим компарированием
* Примечание: Д - диапазон воспроизводимых значений; Б - случайная составляющая погрешности; 0 - неисключенная систематическая погрешность
Из таблицы следует, что уровень точности эталонов невелик: их суммарная погрешность находится, в лучшем случае, на уровне одного - двух порядков ниже одного процента. Основным источником погрешности при этом является измерение количества теплоты, выделяемой в калориметрических ячейках. Данная работа посвящена оценке возможностей получения максимальной точности при определении тепловых эффектов в прецизионных средствах измерения энергетических величин.
Обзор и классификация методов и средств калориметрии приведены в работы [2 - 6]. Их анализ показывает, что наиболее точным из этих методов является абсолютный адиабатический метод измерений, основанный на тепловом взаимодействии двух тел - ядра и окружающей его оболочки (рис.1). Связь между ними обычно характеризуется тепловым потоком ()ь, интенсивность которого зависит от свойств поверхности тел и разделяющей их среды (теплопроводности/1, коэффициентов теплоотдачи а и теплового излучениям).
Рис. 1. Замкнутая адиабатическая Рис. 2. Открытая (полуадиабатическая)
оболочка (Тэ = Т0, ()г = 0) оболочка (ТЭ1 = Т0, Ро = £?2)
Уравнение баланса тепловых потоков в системе ядро - оболочка имеет
Р0(т)-01:(Т0,Тэ,Я,а,е) = С(Т0)—^ , (1)
где Ра(т) - поток, сформированный источником тепла, например, электрическим нагревателем, расположенным в ядре; Qт (Т0, Тэ, Л, а, б) -тепловой поток, образованный тепловыми утечками; С(То) - полная теплоемкость ядра измерительной ячейки; с!То с!т - скорость изменения температуры ядра.
В адиабатическом методе поток ()Е сводится к минимуму за счет того, что температура ТЭ адиабатической оболочки поддерживается равной температуре образца ТО путем регулирования мощности нагревателя оболочки.
Остаточный тепловой поток ()у между ядром и оболочкой в случае, когда АТ = Тд — Т^ —>0, является суммой потока ()л, обусловленного
теплопроводностью среды между ядром и оболочкой, теплового потока ()а, обусловленного конвективной составляющей (в случае газовой среды) и радиационным тепловым потоком ()е (в случае прозрачной среды)
= + (}а+ , (2)
где (1 - толщина слоя среды; б, F - эффективные значения коэффициентов теплового излучения и площади взаимного облучения ядра и оболочки, ст - постоянная Стефана-Больцмана.
Здесь
Для близких значений Т0 и Тэ термическое сопротивление среды между ядром и оболочкой равное отношению АТ к плотности теплового потока Цу (2 V /*’, имеет ВИД
В табл. 2 приведены расчетные значения Я? для различных вариантов заполнения пространства между ядром и оболочкой.
Таблица 2. Значения суммарного термического сопротивления между ядром и оболочкой для различных сред (в = 0 - непрозрачная среда, а = О вакуум или твердотельная изоляция)
Среда Л Вт ё, мм Вт л/ То , К я.Л Вт
(Л, м2 •К є
м •К
Вакуум (5-10"5 мм.рт.ст.) 0 3 0 0,05 200 11,1
Воздух (760 мм.рт.ст.) 0,03 3 5 0,05 200 0,04
Стеклотекстолит Экранно-вакуумная 0,3 340&5 3 0 0 200 0,01
изоляция 3 0 0 200 100
Пенопласт 0,06 3 0 0 200 0,05
Анализ таблицы показывает существенный вклад радиационной составляющей теплообмена, сильно возрастающий с ростом температуры. В этой ситуации целесообразно вместо вакуумирования среды использовать
— + а + 4стєТ 3
непрозрачные для излучения теплоизоляционные материалы и, прежде всего, экранно-вакуумную изоляцию.
Если задать в рамках решаемой измерительной задачи значение мощности Р0 и значение АТ погрешности поддержания равенства температур ядра и оболочки, то относительная погрешность определения мощности, расходуемой на нагрев ядра равна
$ (5) р РоЧ
Для наиболее эффективной экранно-вауумной изоляции при Ра = 1 Вт, АТ = 10 мК, Т7 = 1 • 10-2 м2, = 100 К/Вт получаем 8р = 10_4%, для воздуха
(Б^ = 0,04) - 0,4 %
Примером использования адиабатического метода является калориметр для изучения температурной зависимости удельной теплоемкости жидкостей, с помощью которого были получены основные термодинамические функции теплоносителей [7]. Принцип действия калориметра предусматривает ступенчатый подвод теплоты в исследуемый контейнер, наполненный теплоносителем, путем эпизодического включения на небольшой промежуток времени источника нагрева. Адиабатические условия поддерживались в условиях вакуума тремя автоматическими регуляторами нулевой разности температур между контейнером и адиабатическим экраном, между контейнером и охранным кольцом, исключающим отвод тепла по проводам нагревателя и термометра - носителя шкалы, а также между контейнером и капилляром, служащим для заливки теплоносителя. Такой метод измерения теплоемкости обычно называют стационарным адиабатическим.
Адиабатический нестационарный (динамический) метод измерения обычно используется для исследований температурной зависимости теплоемкости твердых тел в широком диапазоне температур. Метод предусматривает непрерывный подвод тепла к исследуемому образцу вещества (ядро), окруженному адиабатической оболочкой.
Опыт использования «адиабатических» измерительных технологий привел к идеи их применения в установке высшей точности для воспроизведения, и передачи размера единицы поверхностной плотности теплового потока[8]. Для формирования эталонного теплового потока был предложен вариант адиабатической оболочки, отличающийся тем, что измерительная ячейка содержит ядро в виде плоского нагревателя, который с одной стороны окружен адиабатической оболочкой, а его другая сторона открыта и обращена в окружающее пространство или прижата к объекту исследования - преобразователю теплового потока, а также к исследуемым образцам теплопроводности или коэффициентов теплового излучения (рис.2). В зависимости от требований к погрешности измерений в качестве среды между ядром и оболочкой, использовались вакуум или воздух [9].
Такой «полуадиабатический» метод автор предложил называть методом открытой адиабатической оболочки. Наиболее перспективно использовать этот метод при создании эталонов мощности электромагнитного излучения в различных диапазонах спектра. При этом ядро измерительной ячейки выполняется в виде модели абсолютно черного тела, которая в зависимости от значений температуры может выполнять функцию абсолютного излучателя [10] или абсолютного приемника (радиометра) [11]. Как было показано, использование метода в этих случаях позволяет повысить точность определения тепловых эффектов на 2 - 3 порядка.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
© В.Я. Черепанов, 2006
