Розробка засобів контролю теплопровідності матеріалів для теплоізоляції та тепловідводу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний університет “Львівська політехніка”

УДК 536.2.083

Розробка засобів контролю теплопровідності матеріалів для теплоізоляції та тепловідводу

05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Юсик Ярослав Петрович



Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Державному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Пістун Євген Павлович, проректор Державного університету “Львівська політехніка”, завідувач кафедри “Автоматизація теплових та хімічних процесів”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кісіль Ігор Степанович, завідувач кафедри “Прилади та методи контролю якості та сертифікації продукції”, Івано- Франківський державний технічний університет нафти і газу

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Грищенко Тетяна Георгіївна, зав. відділом теплометрії, Інститут технічної теплофізики НАН України

Провідна установа: НВО ”Термоприлад” Міністерства промислової політики (м. Львів)

Захист відбудеться “ 29 ” червня 2000 р. о 16⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.04 у Державному університеті “Львівська політехніка” 79013, Львів-13, вул.С.Бандери,12, ауд.51 Х учбового корпусу).

Відгуки на автореферат у двох примірниках, завірені печаткою, просимо надсилати на адресу: 79013, Львів-13, вул.С.Бандери, 12, Державний університет “Львівська політехніка”, вченому секретарю ради Д35.052.04.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного університету “Львівська політехніка” (Львів, вул.Професорська,1)

Автореферат розісланий “ 27 ” травня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, кандидат технічних наук Вашкурак Ю.З.



Анотація

Юсик Я.П. Розробка засобів контролю теплопровідності матеріалів для теплоізоляції та тепловідводу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - Прилади та методи контролю та визначення складу речовин. - Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2000.

Дисертаційна робота присвячена розробці засад створення засобів контролю теплопровідності матеріалів, особливо низько - та високотеплопровідних, і як результат нових теплофізичних приладів, більш досконалих порівняно з існуючими. Розроблено нові конструкції змінних теплових опорів і на їх основі запропоновано нові теплові вимірювальні схеми. Розроблено математичні моделі теплових вимірювальних схем, проаналізовано їх функціональні можливості. За новою методикою проведено дослідження контактних теплових опорів, за їх результатами встановлено функціональні залежності контактних теплових опорів від різноманітних факторів, проаналізовано вплив контактних теплових опорів на точність вимірювання теплопровідності за допомогою теплових вимірювальних схем. Запропоновано нові, на рівні винаходів, способи вимірювання теплопровідності матеріалів, які дозволяють підвищити точність і спростити процес вимірювання. Розроблено методику розрахунку конструктивних параметрів засобів контролю теплопровідності за критерієм максимальної чутливості в заданому діапазоні вимірювання, а також визначення співвідношень між тепловими опорами елементів теплової вимірювальної схеми, що забезпечують інваріантність вихідного сигналу цієї схеми до неінформативних параметрів. Запропоновано методику градуювання розроблених засобів контролю з використанням стандартних матеріалів, а також порядок вибору і використання стандартних матеріалів. Розроблено на основі теплових вимірювальних схем нові засоби контролю теплопровідності матеріалів для теплоізоляції та тепловідводу, досліджено їх метрологічні характеристики. тепловий опір теплопроводність

Ключові слова: теплопровідність, тепловий опір, теплова вимірювальна схема, контактний тепловий опір.



Аннотация

Юсык Я.П. Разработка средств контроля теплопроводности материалов для теплоизоляции и теплоотвода. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук за специальностью 05.11.13 - Приборы и методы контроля и определения состава веществ. - Государственный университет “Львивська политехника”, Львов, 2000.

Диссертационная работа посвящена разработке основ создания приборов для контроля теплопроводности материалов, в особенности низко - и высотеплопроводных, и как результат новых теплофизических приборов, больше совершенных сравнительно с существующими. Разработаны новые конструкции переменных тепловых сопротивлений и на их основе предложены новые тепловые измерительные схемы. Разработаны математические модели тепловых измерительных схем, проанализированы их функциональные возможности. За новой методикой проведен исследования контактных тепловых сопротивлений, за их результатами установлены функциональные зависимости контактных тепловых сопротивлений от разнообразных факторов, проанализировано влияние контактных тепловых сопротивлений на точность измерения теплопроводности с помощью тепловых измерительных схем. Предложены новые, на уровне изобретений, способы измерения теплопроводности материалов, которые позволяют повысить точность и упростить процесс измерения. Разработана методика расчета конструктивных параметров средств контроля теплопроводности по критерию максимальной чувствительности в заданном диапазоне измерения, а также определение соотношений между тепловыми оплотами элементов тепловой измерительной схемы, которые обеспечивают инвариантность выходного сигнала этой схемы к неинформативным параметрам. Предложена методика градуировки разработанных средств контроля с использованием стандартных материалов, а также порядок выбора и использования стандартных материалов. Разработаны на базе тепловых измерительных схем новые средства контроля теплопроводности материалов для теплоизоляции и теплоотвода, исследованы их метрологические характеристики.

Ключевые слова: теплопроводность, тепловое сопротивление, тепловая измерительная схема, контактное тепловое сопротивление.



The summary

Yusik Ya.P. The development of means of the check of a thermal conduction of materials for a heat insulation and heatsink. - Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of the candidate of technical science speciality 05.11.13 - The devices fnd methods of the check and definition of a composition of substances. - State university "Lvivska Politechnika", Lviv, 2000.

The thesis is devoted to development of the bases of making the devices for the checking of a thermal conduction of materials, in particular with low and high thermal conduction, and as result of new thermalphysical devices more perfect in comparison with existing. The new constructions of variable thermal resistances were designed and on their basis the new thermal measuring circuits were offered. The mathematical models of the thermal measuring circuits were designed and their functional abilities vere analysed. Behind the new method the examinations of contact thermal resistances was carried out and the functional dependencies of contact thermal resistances upon different factors were set, the influence of contact thermal resistances on a measurement accuracy of a thermal conduction with the help of thermal measuring circuits was analysed. The new methods of measurement of a thermal conduction of materials of the inventions which allow to increase the accuracy and simplify the process of measuring were offered. The methods of the calculation of design data of the means of checking the thermal conduction by criterion of the highest sensitivity in the given range of measuring designed and definition of relations between thermal bulwarks of devices of thermal metering diagram which provide invariance of the target signal of this plan to spurious parameters were designed. The methods for graduation of designed resorts of the checking devises with use of standard materials and the order of choice and use of standard materials is offered. Designed on the basis of thermal metering circuits new resorts of the check of a thermal conduction of materials for a heat insulation and heatsink, are explored them metrological of the performance.

Key words: a thermal conduction, thermal resistance, thermal metering circuit, contact thermal resistance.



Характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема енергозбереження є надзвичайно актуальною, особливо в країнах з помірним та холодним кліматом, оскільки в них значна частина енергії витрачається на продукування, передавання та збереження тепла. Втрати тепла, при цьому, залежать в основному від теплопровідності матеріалів, які використовуються для теплоізоляції та тепловідводу. Використання відповідних матеріалів дозволило б значно скоротити затрати енергії на продукування, передавання і збереження тепла, а також зменшити забруднення навколишнього середовища, що завжди має місце при виробництві теплової енергії.

Матеріали, які застосовуються для теплоізоляції та тепловідводу характеризуються властивостями теплопровідності. Чим менша (більша) теплопровідність матеріалу, тим краще він зберігає (проводить) тепло. Тому теплопровідність є їх паспортною характеристикою, а потреба у вимірюванні теплопровідності, причому з високою точністю, є актуальною.

В сучасній фізиці твердого тіла основним способом отримання інформації про теплофізичні властивості речовин так само залишається експеримент. Це пояснюється тим, що розрахункові методи не завжди забезпечують необхідну точність (похибка до 20%), а для розрахунків потрібний такий обсяг вихідних даних, отримання яких є складнішим прямого вимірювання шуканої величини.

Серійний випуск приладів для вимірювання теплопровідності в Україні не налагоджено, хоча потреба в таких приладах надзвичайно велика.

В країнах колишнього СРСР їх випуск малими партіями здійснювався на заводі "Еталон" (м. Актюбінськ, Казахстан), а роботи з їх розробки проводились в ДСКБ теплофізичного приладобудування (м. Ленінград, Росія), ІТТФ НАН України (м. Київ, Україна) та ін. ІТТФ НАН України також випускав прилади для вимірювання теплопровідності невеликими партіями. Однак, часто ці прилади не задовільняли споживачів через обмеженість їх діапазону, низьку точність вимірювання, складність конструкції і високу вартість. Особливо це стосується приладів для дослідження матеріалів з низькою (зокрема будівельних та теплоізоляційних), а також - з високою (зокрема для досліджуваних зразків призматичної та листової форми) теплопровідністю. Це створювало і сьогодні створює великі труднощі як в плані реалізації вимірювання теплопровідності матеріалів, так і в метрологічному забезпеченні цих вимірювань. В майбутньому ж це викличе додаткові проблеми для господарства України, оскільки прилади для вимірювання теплопровідності і їх метрологічне забезпечення необхідно буде придбати за межами України.

Таким чином, розробка засад створення засобів контролю теплопровідності матеріалів, особливо низько - та високотеплопровідних, і як результат нових теплофізичних приладів, більш досконалих порівняно з існуючими, надзвичайно актуальна.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з планом наукової - дослідної роботи кафедри “Автоматизація теплових та хімічних процесів” Державного університету “Львівська політехніка” при виконанні держбюджетної науково - дослідної теми ДБ/25.ТП “Розробка нових методів побудови теплофізичних приладів на основі теплових мостових вимірювальних схем”.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є розробка теплових вимірювальних схем (ТВС) для побудови засобів контролю теплопровідності матеріалів з низькою та високою теплопровідністю, дослідження їх функціональних можливостей, розробка на їх основі засобів контролю теплопровідності матеріалів для теплоізоляції та тепловідводу.

Дана мета реалізується вирішенням наступних завдань:

визначення методів та шляхів підвищення точності засобів контролю теплопровідності;

розробка принципів побудови ТВС для вирішення задач контролю теплопровідності матеріалів з низькою та високою теплопровідністю;

розробка математичних моделей ТВС;

дослідження контактних теплових опорів (КТО) та впливу їх значень на точність вимірювання теплопровідності за допомогою ТВС;

дослідження функціональних можливостей ТВС в т.ч: аналіз чутливості ТВС та впливу неінформативних параметрів на ТВС та можливостей їх компенсації;

розробка методики розрахунку та оптимізації конструктивних параметрів засобів контролю теплопровідності;

розробка на основі ТВС нових засобів контролю теплопровідності матеріалів для теплоізоляції та тепловідводу, дослідження їх метрологічних характеристик.

Наукова новизна одержаних результатів:

розроблено нові конструкції змінних теплових опорів (ЗТО) і на їх основі запропоновано нові ТВС;

розроблено математичні моделі запропонованих ТВС, що дозволило проаналізувати їх функціональні можливості;

за новою методикою проведено дослідження КТО, за їх результатами встановлено функціональні залежності КТО від різноманітних факторів, проаналізовано вплив КТО на точність вимірювання теплопровідності за допомогою ТВС;

запропоновано нові, на рівні винаходів, способи вимірювання теплопровідності матеріалів, які дозволяють підвищити точність і спростити процес вимірювання;

запропонована методика розрахунку конструктивних параметрів засобів контролю теплопровідності за критерієм максимальної чутливості в заданому діапазоні вимірювання, а також визначення співвідношень між тепловими опорами елементів ТВС, що забезпечують інваріантність вихідного сигналу цієї схеми до неінформативних параметрів;

запропоновано методику градуювання розроблених засобів контролю з використанням стандартних матеріалів, а також порядок вибору і використання стандартних матеріалів.

Практична цінність роботи полягає в тому, що за результатами теоретичних та експериментальних досліджень розроблено ряд засобів контролю теплопровідності матеріалів, зокрема: будівельних та теплоізоляційних - в діапазоні від 0,05 до 1 Вт/(мК), а також - високотеплопровідних: - в діапазоні від 20 до 400 Вт/(мК).

Наукові положення і висновки дисертації успішно використовувались і використовуються при виконанні НДР по розробці та реалізації засобів контролю теплопровідності матеріалів для теплоізоляції та тепловідводу в Державному університеті “Львівська політехніка“. Крім того, засіб контролю теплопровідності будівельних та теплоізоляційних матеріалів використовувався в науково- проектному інституті будівельних матеріалів “ЛьвівбудмНДІпроект” для контролю теплопровідності будівельних матеріалів.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно, на основі власних ідей і розробок, а окремі досягнуті у співавторстві з науковим керівником та працівниками за місцем роботи. В публікаціях, в яких викладено результати досліджень і які написані у співавторстві, дисертанту належать: у публікації [1]- особисто здобувачем проведено експериментальне визначення величини КТО, проведена обробка та аналіз отриманих результатів, встановлено функціональні залежності КТО від різноманітних факторів, проаналізовано вплив КТО на точність вимірювання теплопровідності матеріалів та ін.; [2] - особисто здобувачем розроблена мостова ТВС неповного зрівноваження, математична модель ТВС, розроблено конструкцію приладу, що реалізує ТВС, проведено градуювання та ін.; [3] - особисто здобувачем проаналізовано чутливість теплового подільника та незрівноваженої мостової ТВС; [4] - особисто здобувачем запропоновано для створення приладів застосовувати метод, який грунтується на закономірностях передачі теплоти від плоского нагрівача до напівобмеженого тіла, яке знаходиться з ним в контакті; [5] - особисто здобувачем проведені експериментальні дослідження і на основі їх розроблено алгоритм опрацювання результатів вимірювання; [6] - особисто здобувачем запропонована мостова ТВС, на основі якої побудований прилад; [7] - особисто здобувачем проведено розрахунок конструктивних елементів приладу; [8] - особисто здобувачем проведено розрахунок конструктивних елементів приладу; [9] - особисто здобувачем запропоновано забезпечувати рівність теплових потоків, що проходять через досліджуваний та еталонний зразки, через дію тепловим потоком на обмежену зону теплопровідного елементу і переміщенням місця дії тепловим потоком, також розроблено математичну модель ТВС та ін.; [10] - особисто здобувачем запропоновано для звуження діапазону вимірювання використовувати додаткові теплові опори, які вводять між теплопровідним елементом і зразками, як досліджуваним так і еталонним; [11] - особисто здобувачем запропоновано підтримувати температури стінок трубок на ділянках теплообміну рівними між собою; [12] - особисто здобувачем запропоновано умову рівності теплових потоків досягати шляхом дії тепловим потоком на частини досліджуваного зразка і переміщенням місця дії тепловим потоком, а також розроблено математичну модель ТВС та ін.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: LY- XLYIII науково- технічних конференціях Державного університету "Львівська політехніка" (1989-1992); Всесоюзній конференції "Метрология и научно- технический прогрес" (м. Новосибірськ, 1991); 2-ій Міжнародній науково- практичній конференції "Проблеми економії енергії" (м.Львів, 1999).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 14 наукових праць, в т.ч. 4 авторські свідоцтва СРСР.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів і висновків, викладених на сторінках, 30 рисунків, 5 таблиць, списку використаної літератури із 87 найменувань і додатків.

У вступі обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульована мета та завдання досліджень, наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, приведені основні результати і положення, які подаються автором до захисту.

В першому розділі розглянуто сучасний стан і задачі в галузі контролю та вимірювання теплопровідності матеріалів, а також стан метрологічного забезпечення теплофізичних вимірювань. Показано, що існуючі в одиничних примірниках прилади для вимірювання теплопровідності матеріалів, які були випущені в часи існування колишнього СРСР і експлуатуються до сьогодні не можуть задовольнити все зростаючі потреби користувачів внаслідок їх морального старіння, низької точності вимірювань та інших факторів. Проаналізовано необхідність таких вимірювань для народного господарства України.

Проаналізована точність теплофізичних приладів, реалізованих на основі існуючих методів вимірювання теплопровідності, виявлено шляхи її підвищення. Показано, що у відомих розробках теплофізичних приладів недостатньо уваги приділялося питанням виявлення та компенсації впливу різних неінформативних параметрів на результат вимірювання, внаслідок чого ці прилади не забезпечували високої точності вимірювання. В зв'язку з цим виник цілий ряд задач: визначення цих неінформативних параметрів, дослідження їх впливу на точність вимірювання, а також розробки засобів контролю теплопровідності матеріалів на основі проведених досліджень з метою компенсації цих впливів.

Показано, що значно підвищити точність і спростити роботу теплофізичних приладів при одночасному зменшенні їх собівартості, можна тільки шляхом створення їх на основі більш досконалих ТВС, зокрема мостових ТВС.

В цьому ж розділі визначено та обгрунтовано напрям досліджень.

В другому розділі розроблено принципи побудови ТВС для вирішення задач контролю теплопровідності матеріалів з низькою та високою теплопровідністю. На основі теорії теплових ланцюгів розроблено ряд мостових ТВС, з метою їх дослідження побудовано математичні моделі як без врахування КТО та інших неінформативних параметрів, так і з їх врахуванням.

Для реалізації переваг розроблених мостових ТВС запропоновано нові аналогові та дискретні змінні теплові опори (ЗТО), які умовно можна віднести до двох груп: 1) з рухомими джерелом тепла; 2) з рухомим давачем температури.

Розроблена мостова ТВС неповного зрівноваження. Схема з'єднання теплових опорів в такій ТВС приведена на рис.1. При вимірюванні теплового опору досліджуваного зразка здійснюється зміна співвідношення між тепловими опорами R₁ та R₂ шляхом зміни положення точки a (давача температури) до тих пір, поки температура T_ab не стане мінімальною (або рівною нулю).

Для даної ТВС можна записати наступну систему рівнянь:

R₀, ,

де T₁ - температура джерела тепла; T₂- температура приймачів тепла; T_a,T_b-температури в вимірювальній діагоналі; R_x - тепловий опір матеріалу досліджуваного зразка; - теплові опори елементів вимірювальної схеми; i - кількість теплових опорів R для кожного плеча.

Розв'язуючи систему рівнянь (1) знайдемо тепловий опір досліджуваного зразка R_x:



де T_ab - різниця температур в вимірювальній діагоналі,

або після перетворення:

.

Виходячи з аналізу залежності (3) можна зробити висновок, що шуканий опір R_x залежить від співвідношення R₂/R₁, а також від виміряної різниці температур - T_ab.

Розроблена також мостова ТВС зі зрівноваженням теплових потоків, що проходять через стандартні (еталонні) зразки.

Для даної ТВС можна записати наступну систему рівнянь:

Умову рівності теплових потоків, що проходять через еталонні зразки, досягають шляхом дії теплового потоку на обмежену зону досліджуваного зразка і переміщенням місця дії теплового потоку (джерела тепла). Очевидно, що з врахуванням ідентичності тепломірних елементів R, виконання умов рівності теплових потоків, які проходять по різних теплопровідних колах (F₁=F₂) досягається при T_ab=0. Розв'язуючи систему рівнянь можна записати наступне рівняння рівноваги:



Звідси отримуємо формулу для визначення коефіцієнта теплопровідності досліджуваного зразка:

де _{x, e1, e2} - коефіцієнти теплопровідності досліджуваного, першого і другого еталонного зразка, відповідно;

L - відстань між еталонними зразками;

l₁- відстань від середини місця дії теплового потоку до одного із еталонних зразків;

l_e1, l_e2 - товщина першого та другого еталонного зразка, відповідно;

S_x, S_e1, S_e2 - площа поперечного перерізу досліджуваного, першого та другого еталонних зразків, відповідно.

Розроблено зрівноважену мостову ТВС зі зрівноваженням теплових потоків, що проходять через досліджуваний та стандартний (еталонний) зразки.

Умову рівноваги такої вимірювальної схеми (T_ab=0), можна записати:

Звідси отримуємо формулу для розрахунку коефіцієнта теплопровідності досліджуваного зразка:



де _x, _e, _T - коефіцієнт теплопровідності досліджуваного, еталонного зразка та теплопровідного елементу, відповідно; l_x, l_e-товщина досліджуваного та еталонного зразка, відповідно; l₁- відстань від місця дії тепловим потоком до досліджуваного зразка; l₂ - відстань від місця дії теплового потоку до еталонного зразка; S_x, S_e, S_T - площа поперечного перерізу досліджуваного і еталонного зразка та теплопровідного елементу, відповідно.

Проведена перевірка адекватності математичної моделі мостової ТВС неповного зрівноваження. Встановлено, що між отриманими розрахунковим шляхом із математичної моделі та експериментальними даними є значні розходження. Зроблено висновок, що при розробці математичних моделей ТВС необхідно врахувати вплив на них КТО, теплообміну бокових поверхонь елементів ТВС та інших неінформативних параметрів.

За новою методикою проведено дослідження КТО між давачем температури вмонтованим у температуровирівнюючу пластину (мідну) та різними матеріалами, контактуючими з цією пластиною. Результати експериментального визначення КТО показують, що їх значення коливаються в межах від 1,1 до 0,71 К/Вт, при відсутності змащування на контактуючих поверхнях, і від 0,3 до 0,2 К/Вт, при змащуванні контактуючих поверхонь маслом ПФМС-4, тобто заповнення міжконтактного простору зменшує КТО приблизно в 3- 3,5 рази. Крім того, проведені дослідження дозволили зробити висновок, що КТО залежить в основному від якості обробки контактуючих поверхонь та властивостей середовища, що заповнює контакт і дуже мало залежить від контактного тиску, теплопровідності та механічних властивостей контактуючих матеріалів. Знехтувати впливом КТО на результат вимірювання при визначенні коефіцієнта теплопровідності різних матеріалів (особливо високотеплопровідних) не можна, оскільки його значення може бути співрозмірним, а подекуди більший теплового опору досліджуваних зразків.

Розглянемо вплив КТО на ЗТО з рухомим давачем температури. Схема розподілу температур і теплових потоків в такому ЗТО з врахуванням впливу КТО наведена на рис.4.

Для спрощення аналізу математичних моделей ТВС з врахуванням КТО, виходячи із результатів проведених досліджень припускаємо, що значення КТО, які виникають між різними елементами ТВС однакові.

Вздовж теплопровідного елементу протікає тепловий потік F. Тоді можна записати наступне співвідношення:

де - дійсний тепловий опір частини теплопровідного елементу з умовною довжиною ; R_k - величина КТО між елементами теплопровідного елементу; i- кількість теплових опорів R та R_k, для кожного плеча, відповідно. Із (9)

Отже, КТО змінюють тепловий опір теплопровідного елементу. Звідси можна зробити висновок про те, що подібним чином діють на елементи ТВС і інші неінформативні параметри, такі як теплообмін бокових поверхонь з оточуючим середовищем, температурна деформація елементів та ін.

Розглянемо мостову ТВС неповного зрівноваження з врахуванням КТО.

Для такої ТВС рівняння (3) з врахуванням впливу КТО та інших неінформативних параметрів матиме вигляд

, (11)

Значення , які є постійними в деякому діапазоні вимірювань, знаходимо при градуюванні приладу.

Дослідження математичних моделей розроблених зрівноважених мостових ТВС з врахуванням впливу КТО показало, що власне для таких ТВС, шукане значення R_x не залежить від впливу КТО та інших неінформативних параметрів, адитивно впливаючих на елементи ТВС.

Таким чином, проведені дослідження підтвердили можливість використання розроблених мостових ТВС для вирішення задач контролю теплопровідності матеріалів для теплоізоляції та тепловідводу за рахунок значного зменшення впливу різних неінформативних параметрів на результат вимірювань.

Третій розділ присвячено дослідженню метрологічних та функціональних характеристик засобів контролю теплопровідності матеріалів побудованих на основі розроблених ТВС.

Проведена оцінка чутливості ТВС, зокрема, чутливості вимірювального пристрою S_x у будь-якій довільній точці:

та чутливості S_Д на діапазоні вимірювання (усереднена чутливість):



де x₁, x₂ і y₁, y₂- значення на початку (індекс 1) та в кінці (індекс 2) досліджуваного діапазону вимірювань вхідної x та вихідної y фізичних величин, відповідно.

Показано, що чутливість

для мостової ТВС неповного зрівноваження максимальна при виконанні умови:

При цьому, якщо розглядати залежність чутливості мостової ТВС неповного зрівноваження від співвідношення теплових опорів досліджуваного зразка R_x та зразка з відомим тепловим опором R₀, для випадку коли , то вона максимальна при .

Дослідження чутливості мостової ТВС неповного зрівноваження на діапазоні вимірювання (усереднена чутливість)

від співвідношення теплових опорів досліджуваного зразка R_x та зразка з відомим тепловим опором R₀, показують, що вона максимальна при



.

Запропоновано спосіб підвищення чутливості шляхом виконання опорного зразка з тепловим опором R₀ у вигляді ЗТО з рухомим давачем температури. Таким чином, величина R₀ буде змінюватись в залежності від положення точки b.

де R- постійна складова ЗТО; n- загальна кількість елементів ЗТО з тепловим опором R; i- кількість елементів ЗТО з тепловим опором R, які складають R₀. Аналіз чутливості S_x зрівноваженої мостової ТВС зі зрівноваженням теплових потоків, що проходять через досліджуваний та еталонний (стандартний) зразки, показав, що вона максимальна при виконанні умов тепловий опір теплопровідного елементу; R - опір тепломірного елементу.

З використанням положень теорії інваріантності досліджена чутливість мостової ТВС неповного зрівноваження до різних неінформативних параметрів, таких як температура джерела та приймачів тепла, відтоки тепла через електроди термопари. Нехай задана система лінійних алгебраїчних рівнянь для ТВС, що складається з j-елементів:

де a_ij- лінійні оператори, що задають характеристики кожного елементу; X_j- змінні величини системи; i,j1,....n; 0.

В роботі показано, що критерієм абсолютної інваріантності координати X_j від зовнішнього збурення f є тотожність A_ij0.

Виходячи із цієї умови, отримані співвідношення між тепловими опорами елементів ТВС, які забезпечують інваріантність вихідного сигналу розроблених ТВС до температури джерела та приймачів тепла, відтоків тепла через електроди термопари. Проведені експериментальні дослідження, які підтверджують виконання умови інваріантності вихідного сигналу ТВС до вказаних неінформативних параметрів.

В четвертому розділі проведена розробка конструкцій і експериментальне дослідження засобів контролю теплопровідності матеріалів та результати контролю теплопровідності матеріалів для теплоізоляції та тепловідводу. В основу таких засобів покладені розглянуті вище розроблені мостові ТВС. Обгрунтовано доцільність використання тієї чи іншої схеми для побудови засобів контролю теплопровідності для теплоізоляції та тепловідводу.

Розроблена конструкція приладу для вимірювання теплопровідності будівельних та теплоізоляційних матеріалів в діапазоні від 0,05 до 1 Вт/(мК), який реалізує розроблену мостову ТВС неповного зрівноваження.

Розрахунок конструктивних параметрів приладу для вимірювання теплопровідності будівельних та теплоізоляційних матеріалів проведено за критерієм оптимальної чутливості в заданому діапазоні вимірювання. Для градуювання розробленого приладу, під заданий діапазон вимірювання із стандартних матеріалів, було вибрано органічне скло (0,195 Вт/мК при 300К), дані про теплопровідність якого прогнозовані з високою точністю (3 %). При цьому, в якості досліджуваних зразків застосовувався набір зразків виготовлений з органічного скла з однаковими поперечними розмірами 250x250 мм, але з різними товщинами, які розглядають як зразкові міри теплового опору, тепловий опір яких, з врахуванням вищесказаного, відомий.

Крім того, проведене дослідження середньоквадратичного відхилення випадкової складової похибки для різних градуювальних кривих при наближенні та віддаленні від положення рівноваги. Було встановлено, що випадкова складова похибки при наближенні то положення рівноваги ТВС зменшується, і, навпаки, при віддаленні від цього положення - збільшується. Виходячи з цього вибрано робочий діапазон вимірювань: T_ab від -50 до 50 мкВ.

Виконані експериментальні дослідження розробленого приладу. Похибка приладу визначалась сумою систематичної і випадкової складової похибок та похибкою стандартної міри:

Експериментальними дослідженнями встановлено, що межа допустимої похибки розробленого приладу не перевищує 5,3 % при довірчій ймовірності 0,95 в діапазоні вимірювання.

Проведено дослідження стабільності показів розробленого приладу за регламентований період часу T=30 діб. При цьому зміна його статичної характеристики складає менше 0,5 % відносно діапазону вимірювання.

Розроблений прилад для вимірювання теплопровідності високотеплопровідних матеріалів для досліджуваних зразків листової форми в діапазоні від 20 до 400 Вт/(мК), який реалізує зрівноважену мостову ТВС зі зрівноваженням теплових потоків, що проходять через стандартні (еталонні) зразки.

Експериментальними дослідженнями встановлено, що межа допустимої основної похибки приладу змінюється від 10 % для _x=400 Вт/(мК) і 5% для _x=20 Вт/(мК) при довірчій ймовірності 0,95.

Розроблений прилад для вимірювання теплопровідності твердих високотеплопровідних матеріалів в діапазоні від 20 до 400 Вт/(мК), який реалізує зрівноважену мостову ТВС зі зрівноваженням теплових потоків, що проходять через стандартний та досліджуваний зразки.

Для градуювання приладу застосовувався комплект зразкових мір теплового опору, виготовлених із сплаву ВТ-6, нержавіючої сталі 12Х18Н10Т, низьковуглецевої сталі. Експериментальними дослідженнями встановлено, що межа допустимої основної похибки приладу: 10 % для R_x=0,5 К/Вт і 3,3% для R_x=4 К/Вт при довірчій ймовірності 0,95.

Проведено дослідження стабільності показів приладу показали, що зміна його статичної характеристики складає менше 0,5 % відносно діапазону вимірювання за регламентований період часу T=30 діб.

Розроблені прилади, внаслідок присутньої їм більш високої точності вимірювання та простоти вимірювальної схеми, дозволяють значно підвищити надійність і зменшити собівартість теплофізичних вимірювань, що дозволяє розв'язати ряд актуальних задач, не вирішених до цього часу в галузі теплофізичного приладобудування.



Основні висновки

Проаналізована точність теплофізичних приладів, реалізованих на основі існуючих методів вимірювання теплопровідності, виявлено шляхи її підвищення. Показано, що найбільш перспективним шляхом для досягнення максимальної точності вимірювання теплопровідності матеріалів низькою та високою теплопровідністю є побудова засобів на основі мостових ТВС.

Розроблено нові аналогові та дискретні ЗТО, що дозволяє реалізувати переваги рівноважних мостових ТВС, при вимірюванні теплопровідності матеріалів для теплоізоляції та тепловідводу.

Запропоновані нові мостові ТВС для вимірювання теплопровідності матеріалів в стаціонарному тепловому режимі. Розроблені математичні моделі мостової ТВС неповного зрівноваження та зрівноважених мостових ТВС. Перевірена адекватність розроблених математичних моделей.

За новою методикою проведено дослідження КТО, встановлені функціональні залежності КТО від різноманітних факторів та вплив їх значень на точність вимірювання теплопровідності за допомогою ТВС. На базі проведених дослідження встановлено, що КТО залежить в основному від якості обробки контактуючих поверхонь та властивостей середовища, що заповнює контакт і дуже мало залежить від контактного тиску, теплопровідності та механічних властивостей контактуючих матеріалів.

Отримано математичні залежності чутливості ТВС. За новою методологією виконана оцінка їх чутливості (зокрема, чутливості в точці та усередненої чутливості на діапазоні вимірювання), що дозволяє вирішувати задачу оптимального проектування.

Запропонована методика розрахунку конструктивних параметрів приладів для вимірювання теплопровідності за критерієм оптимальної чутливості в заданому діапазоні вимірювання, а також визначено співвідношення між тепловими опорами елементів ТВС, які забезпечують інваріантність вихідного сигналу цієї схеми до неінформативних параметрів

Розроблено засіб контролю теплопровідності будівельних та теплоізоляційних матеріалів в діапазоні від 0,05 до 1 Вт/(мК), який реалізує мостову ТВС неповного зрівноваження. Межа допустимої похибки вимірювання становить 5,3 % при довірчій ймовірності 0,95.

Розроблено засіб контролю теплопровідності високотеплопровідних пластин та листових матеріалів в діапазоні від 20 до 400 Вт/(мК), який реалізує зрівноважену мостову ТВС зі зрівноваженням теплових потоків, що проходять через стандартні зразки. Межа допустимої похибки вимірювання приладу змінюється від 10 % для _x=400 Вт/(мК) і 5% для _x=20 Вт/(мК) при довірчій ймовірності 0,95.

Розроблено засіб контролю теплопровідності високотеплопровідних матеріалів (для досліджуваних зразків призматичної форми) в діапазоні від 20 до 400 Вт/(мК), який реалізує зрівноважену мостову ТВС зі зрівноваженням теплових потоків, що проходять через досліджуваний та стандартний зразки. Межа допустимої похибки вимірювання становить 10% для R_x=0,5 К/Вт і 3,3% для R_x=4 К/Вт при довірчій ймовірності 0,95.

Наукові положення і висновки дисертації успішно використовувались і використовуються при виконанні НДР по розробці та реалізації засобів контролю теплопровідності матеріалів для теплоізоляції та тепловідводу в Державному університеті “Львівська політехніка“. Крім того, засіб контролю теплопровідності будівельних та теплоізоляційних матеріалів використовувався в науково- проектному інституті будівельних матеріалів “ЛьвівбудмНДІпроект” для контролю теплопровідності будівельних матеріалів.



Список робіт, опублікованих по темі дисертаційної роботи

Пістун Є.П., Васильківський І.С., Юсик Я.П. Аналіз впливу контактних теплових опорів на точність вимірювання теплопровідності матеріалів. - Н.-т. журнал “Методи та прилади контролю якості”, вип.2, Івано-Франківськ: Вид-во “Простір-М”, 1998, с. 50-53.

Пістун Є.П., Васильківський І.С., Юсик Я.П. Новий метод вимірювання теплопровідності будівельних та теплоізоляційних матеріалів. - Н.-т. журнал “Методи та прилади контролю якості”, вип.3, Івано-Франківськ: Вид-во “Простір-М”, 1999, с. 25-27.

Василькивский И.С., Рогоцкий Я.Т., Юсык Я.П. Анализ чувствительности устройств контроля теплопроводности на базе тепловых измерительных схем. - Сб. “Контрольно-измерительная техника”, вып.47.- Львов: Изд-во “Свит”, 1990, с.69-74.

Рогоцкий Я.Т., Василькивский И.С., Юсык Я.П. Приборы для неразрушающего контроля теплопроводности материалов. - Сб. “Контрольно-измерительная техника”, вып.48.- Львов: Изд-во “Свит”, 1990, с.84-88.

Васильківський І.С., Рогоцький Я.Т., Юсик Я.П. Алгоритмічний метод підвищення точності визначення теплопровідності матеріалів. - Зб. “Контрольно-вимірювальна техніка”, вип.49.- Львів: В-во “Світ”, 1990, с.69-74.

Васильківський І.С., Рогоцький Я.Т., Юсик Я.П., Симотюк В.Ф. Прилад для вимірювання теплопровідності рідких та рідиноподібних матеріалів. - Зб. “Контрольно-вимірювальна техніка”, вип.50.- Львів: В-во “Світ”, 1990, с.67-72.

Пистун Е.П., Василькивский И.С., Рогоцкий Я.Т., Юсык Я.П. Универсальный измеритель теплопроводности УИТ-1. - Приборы и техника эксперимента, №3, 1990, с.243-244

Пистун Є.П., Василькивский И.С., Юсык Я.П., Сымотюк В.Ф. Прибор для измерения теплопроводности жидкостей и текучих материалов. - Приборы и техника эксперимента, №, 1992, с.246

А.С. 1536969 /СССР/. Способ измерения теплопроводности веществ. Пистун Е.П., Рогоцкий Я.Т., Василькивский И.С., Юсык Я.П.

А.С. 1599740 /СССР/. Способ измерения теплопроводности веществ. Пистун Е.П., Рогоцкий Я.Т., Василькивский И.С., Юсык Я.П., Вента О.М. - Опубл. В Б.И., 1990, №38.

А.С. 1631386 /СССР/. Способ определения температуропроводности жидкостей. Пистун Е.П., Василькивский И.С., Рогоцкий Я.Т., Юсык Я.П. - Опубл. в Б.И., 1991, № 8.

А.С. 1681216 /СССР/. Способ измерения теплопроводности материалов. Пистун Е.П., Рогоцкий Я.Т., Василькивский И.С., Юсык Я.П. - Опубл. в Б.И., 1991, № 36.

Василькивский И.С., Юсык Я.П. Повышение точности измерения теплопроводности с помощью уравновешенных мостовых тепловых измерительных схем.- Тезисы доклада YIII ВНТК молодых ученых и специалистов “Метрология и стандартизация в научно- технической революции”. /г. Новосибирск,25-27 октября 1989 г./- Новосибирск, 1989 г., с.267-268

Васильківский І.С., Юсик Я.П. Новий метод вимірювання теплопровідності будівельних та теплоізоляційних матеріалів. -Тези доповіді 2-ої Міжнародної науково- практичної конференції “Проблеми економії енергії”. /м.Львів, 2-4 червня 1999 р./- Львів,1999р.

Размещено на Allbest.ru

...