Средства теплометрии на базе термоэлектрических преобразователей теплового потока

Abstract

Дисертацію присвячено вирішенню важливої науково-технічної проблеми підвищення точності засобів теплометрії, удосконаленню та розробленню нових перетворювачів з покращеними метрологічними і експлуатаційними характеристиками, створенню на їх основі теплофізичних приладів нового покоління та вдосконаленню системи метрологічного забезпечення теплометрії в Україні. Досліджено методичні похибки вимірювання густини теплового потоку на об'єктах контролю різних типів, зумовлені спотвореннями полів температури та теплового потоку і теоретично обґрунтовано структуру перетворювачів теплового потоку з покращеними метрологічними та експлуатаційними характеристиками. Розроблено еталонні засоби вимірювання для відтворення, зберігання і передавання розміру одиниці вимірювання густини теплового потоку та обґрунтовано принципи побудови повірочної схеми для засобів вимірювання густини теплового потоку. Розроблено, виготовлено, атестовано та впроваджено у науково-виробничий комплекс України засоби теплометрії для вирішення різних прикладних задач в широкому динамічному діапазоні теплових величин. Створено систему метрологічного забезпечення та нормативні документи (стандарти і методики) для забезпечення єдності вимірювань теплових величин та теплофізичних характеристик. Диссертация посвящена решению важной научно-технической проблемы повышения точности средств теплометрии, усовершенствованию и разработке новых преобразователей с улучшившими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, созданию на их основе теплофизических приборов нового поколения и совершенствованию системы метрологического обеспечения. На основании комплексного анализа ряда задач, соответствующих различным условиям применения преобразователей теплового потока (ПТП) на объектах контроля различных типов, установлены причины возникновения методических погрешностей измерения плотности теплового потока. Разработаны рекомендации по выбору размеров и теплофизических характеристик ПТП с учетом условий их применения, которые позволяют уменьшить методическую составляющую погрешности в 5 раз. В результате теоретического и экспериментального исследования пар термоэлектродных материалов константанникель и копельникель, предложено их применение в конструкции термоэлектрических ПТП, что позволило без использования драгоценных металлов расширить температурный диапазон измерения до 500 К и увеличить временную стабильность характеристик ПТП. Предложены и разработаны способы улучшения метрологических характеристик ПТП на основе никелевого покрытия, что позволило расширить температурный диапазон работы в зону выше точки Кюри и создать ПТП, чувствительность которых изменяется не более чем на 5% в диапазоне рабочей температуры. Разработана теория проектирования ПТП для измерения теплового потока при неустановившемся теплообмене. В результате созданы и внедрены специализированные ПТП, время реакции которых снижено в 10 раз, что позволило впервые экспериментально определить тепловую нагрузку на главный аэродинамический обтекатель ракетыносителя в процессе вывода на орбиту космических аппаратов. На основании изучения условий теплообмена при воспроизведении и передаче единицы измерения плотности теплового потока обоснованы правила выбора размеров эталонных ПТП и материалов для их изготавления, а также создан комплекс установок для метрологического обеспечения теплопоточных измерений, в том числе, установка эталонного уровня и проект государственной поверочной схемы для средств измерения плотности теплового потока. Эталонная установка обеспечивает воспроизведение единицы измерения плотности теплового потока в диапазоне от 100 до 20000 Вт/м2 с неисключенной систематической погрешностью ±0,18% и погрешностью передачи ее размера, не превышающей 0,5%. Проведена модернизация нормативно-методической базы теплометрии путем разработки и внедрения более трех десятков стандартов и методик выполнения измерений, в том числе межгосударственный стандарт на ПТП вида вспомогательной стенки. Разработан и внедрен на предприятиях Украины ряд приборов, базирующихся на созданных преобразователях и предназначенных для измерения высокоинтенсивных тепловых потоков при проведении огневых испытаний на пожарную безопасность изделий, теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов, сопротивления теплопередаче строительных конструкций и зданий, коэффициента эмиссии энергоэффективных стекол и покрытий, тепловыделения топливосодержащих масс разрушенного реактора ЧАЭС, теплоты сгорания топлив, теплоты парообразования. The thesis is devoted to important scientific and technical problem of increasing the accuracy of heat flux measurement, researching and development of new sensors with improved metrological and operating characteristics, creating the basis for a new generation of thermal devices and improves the system of metrological support of heat flux measure-ment in Ukraine. Methodical errors of measurement of the heat flow density on various type objects caused by distortions of temperature and heat flux field are investigated. Structure of heat flux transducers with improved metrological and operating characteristics is theoretically grounded. Standard measurement tools for reproduction, keeping and transfer of unit size measurement of the heat flux density are developed and principles of hierarchy scheme for means of the heat flux density measuring are grounded. Heat flux transducers and devices to solve various application tasks in wide dynamic range of thermal values were developed, manufactured, certified and implemented in scientific and industrial complex of Ukraine. The system of metrological support and normative documents (standards and measuring techniques) was created to ensure uniformity of measurements heat values and thermal characteristics.