ГЛАВА 10
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ
ТЕПЛОМЕТРИЯ
Необходимость измерения плотности теплового потока при контроле тепловых режимов различных приборов и механизмов привела к созданию специальных приборов — тепломеров, предназначенных для измерения тепловых потоков при наличии контакта с поверхностями, излучающими или поглощающими тепло. Чувствительным элементом таких приборов служит термопара или термобатарея.
Наиболее широко используются тепломеры, в которых применен метод вспомогательной стенки: на пути измеряемого теплового потока располагается «стенка» — образец с известным коэффициентом теплопроводности. Величина теплового потока определяется по перепаду температур в образце.
Одним из первых теплометрических приборов, основанных на принципе использования вспомогательной стенки и доведенных до серийного производства, является разработанный в 1923 г. Э. Шмидтом ленточный тепломер [2]. Этот тепломер используется и в настоящее время для измерения теплопотерь через теплоизоляцию. Тепломер конструкции Шмидта представляет собой резиновую ленту, на обеих поверхностях которых размещены спаи батареи дифференциальных термопар. На ленте длиной 600—650 мм и шириной 60—70 мм располагается обычно около 200 спаев. Ленту с термопарами покрывают миллиметровым слоем сырой резины, в которую также заделывают клеммы для вывода токосъемных проводников, и вулканизируют. Недостатком этих тепломеров является большая инерционность. Кроме того, из-за своей громоздкости они неудобны в работе.
К первым тепломерам, появившимся в нашей стране, относится прибор, разработанный в 1926 г. М. П. Стаценко и служащий для определения коэффициента теплопроводности по методу одной пластинки с охранным кольцом [8]. Этот тепломер лег в основу многочисленных кондуктиметров, более тридцати лет применявшихся в практике тепловых измерений.
Усовершенствование ленточного тепломера было осуществлено в разработках Ленинградского технологического института холодильной промышленности, «Теплопроект» ВНИПИ, зарубежных фирм «Бекман энд Вайтли», «Джойс энд Лэбл». Тепломер ЛТИХП, в частности, содержит резиновый диск радиусом 50 мм, на котором закреплены 600—900 пар спаев. Чувствительность этого тепломера в 2—3 раза превышает чувствительность «поясов» Шмидта.
Рис. 10.1. Тканый тепломер Лоутона [12]:
1 — медь; 2 — константан; 3 — стеклотканевая лента; 4 — линия спая меди с константаном.
Теплометрический прибор «Теплопроект» ВНИПИ, предназначенный для измерения потоков до 1000 Вт·м-2, выполнен в виде диска, однако его размеры существенно уменьшены по сравнению с устройством ленинградских специалистов. Тепломер содержал набор паронитовых брусков с намотанной на них константановой проволокой, на половину каждого витка которой гальваническим способом наносилась медь. Набор брусков вклеивался между двумя тонкими паронитовыми дисками. Датчики теплового потока фирмы «Бекман энд Вайтли» отличались малой (1,5 мм) толщиной, термобатарея изготавливалась из константана и серебра, чувствительность прибора составляла 19 В·м-2- мВ-1.
С 1956 г. производится выпуск тепломеров диаметром 50 и 100 мм фирмой «Джойс энд Лэбл». В этих тепломерах каркас медь-константановой термобатареи и оболочка датчика выполнены из полиэтилена, что ограничивает рабочую температуру датчика величиной до 70 °С. Прибор аналогичной конструкции диаметром 300 мм использовался для определения теплопроводности в разработке X. Джесперсена (1953 г.) [2J.
В 1954 г. американские исследователи Р. Лоутон, Л. Проути и Дж. Гарди создали тканый тепломер (рис. 10.1), характеризующийся высокой чувствительностью при малой инерционности. Он использовался в конструкции калориметра, предназначенного для определения теплоотдачи и теплопродукции животных. Этот тепломер представлял собой стеклотканевую ленту с биметаллической разрезанной полоской из меди и константана с линией спая. Толщина стеклотканевых лент составляла 0,4 мм, суммарная толщина теплометрической оболочки около 1 мм.
Тканый тепломер из полосок асбестового картона разработали в 1962 г. С. Пеллан и С. Брэдли. Он применялся в качестве кондуктиметра. Датчик из 200 спаев этого тепломера изготавливался из биметаллической медь-константановой полоски, подрезанной в чередующемся порядке со стороны меди и константана.
Первые биоклиматические исследования почвы с помощью термоэлектрического тепломера выполнены в 1950 г. Э. Диконом. В 1953 г. для этих целей Г. Шекке разработал тепломер со вспомогательной стенкой из стекла. Этот же материал для вспомогательной стенки использовали М. Франзилла и С. Гувила (1957 г.). Чувствительность тепломеров со стеклянной вспомогательной стенкой составляла около 3 · 106 В · м2·Вт-1.
В конструкции тепломера В. Вармбта (1961, 1963 гг.) подушечка из стеклоткани служила каркасом для батареи из частично омедненного константана. Эту подушечку обертывали алюминиевой фольгой, предварительно пропитав стеклоткань аралдитом, что позволяло приблизить теплопроводность стеклоткани к теплопроводности почвы.
Для измерения тепловых потоков в ледяном и снежном покрове, в почвах, грунтах, а также в водоемах А. Г. Колесников и А. А. Сперанская создали тепломер со вспомогательной стенкой из плексигласа, теплопроводность которого близка к теплопроводности льда. Такой датчик успешно использовался Н. С. Ивановым для измерения тепловых потоков в районах вечной мерзлоты и Б. Г. Поляком в районах повышенной вулканической активности [2, 7]. Тепломер Колесникова и Сперанской содержал батарею из 1000 термопар медь—константан, равномерно «прошивающую» пластину из плексигласа. Колесников и Сперанская не только создали конкретную конструкцию тепломера, но и разработали теорию теплометрического метода, которая явилась одной из первых фундаментальных работ в этой области [7].
Для устранения возмущений, вносимых присутствием тепломера, В. В. Шабанов и Е. П. Галямин (1962 г.) предложили подбирать материал для вспомогательной стенки таким образом, чтобы его свойства (дисперсность, пористость, теплопроводность) были сравнимы с характеристиками исследуемой почвы. Другой путь предложен Ю. Г. Розенштоком и М. А. Кагановым (1964 г.). Они разработали конструкцию тепломера, теплопроводность вспомогательной стенки которого была близка к теплопроводности окружающей среды. Это достигалось слоистой структурой стенки.
В тепломерах, предназначенных для измерений больших плотностей потока, вспомогательная стенка выполнялась из металла. В частности, такой тепломер был разработан в 1949 г. А. И. Черноголовым. Тепломер содержал медный или стальной блок цилиндрической формы, по оси которого через боковые сверления были заложены термопары.
Одним из направлений конструктивного развития тепломеров явилось изготовление вспомогательной стенки из термоэлектродного материала, что давало возможность объединить функцию вспомогательной стенки с функцией термоэлектрода дифференциальной термопары. Э. Дикон, в частности, для измерения тепловых потоков в почве изготовил средний слой вспомогательной стенки из литого висмута. Г. Фалькенберг (1930 г.) вместо висмута использовал сплав Вуда. X. Хэтвилд и Ф. Вилкин (1950 г.) изготавливали промежуточную стенку из сплавов теллура с медью и серебром. Теплометрические датчики, в которых в качестве материала вспомогательной стенки использовался сплав теллура и серебра, выпускали фирмы «Джойс энд Лэбл» и «Нешнл инструмент лабораториз».
Широкому применению тепломеров с полупроводниковыми компонентами препятствует резкая зависимость коэффициента термо- ЭДС от температуры. Более широкое распространение получили теплометрические датчики, изготовленные из материалов для стандартных термопар, которые менее чувствительны, но обладают достаточно высокой стабильностью. К таким тепломерам, в частности, принадлежат устройства А. А. Пискунова и И. Н. Эльке (1964 г.) в виде одинарного хромелевого стержня и Копелевых токосъемных проводов и устройство И. Вролика (1966 г.), предназначенное для измерения тепловых потоков в ракетных двигателях и содержащее медный блок с константа- новыми токосъемными пластинами.
Рис. 10.2. Радиометр Танмора:
1, 3 — полуцилиндры корпуса; 2 - термобатарея.
Отдельное направление представляют тепломеры с поперечной составляющей потока. В этих датчиках воспринятый поток полностью или частично проходит через вспомогательный элемент, изменяя при этом свое первоначальное направление. К таким тепломерам относятся, например, устройства Р. Гардона (1952, 1960 гг.), А. С. Сергеева (1960, 1966 г.), Ф. Стенпела и Д. Ролла (1964 г.).
Прибор Гардона содержит медный блок с отверстием, закрытым константановой пластиной, припаянной по периферии к блоку. Тепло, воспринимаемое пластиной, частично растекается в радиальном направлении к медному блоку и частично теряется в окружающей среде.
Измерению подлежит разность температур между центральным участком константановой пластины и медным блоком, оно осуществляется дифференциальной термопарой, образованной центральной медной проволокой-токовыводом, константановой пластиной и медным блоком. С помощью датчиков своей конструкции Гардой измерял потоки мощностью (0,02—4) X 106 Вт/м2 [2, 5].
Прибор поперечного тина для измерения сравнительно малых лучистых потоков разработал Б. Танмор (1962 г.) (рис. 10.2). Он содержал два медных полудиска, в углубления которых помещали спиральную батарею с каркасом из перпексовой пластины 12].
С середины 50-х годов началось интенсивное развитие термоэлектрической теплометрии в Институте технической теплофизики АН УССР. Работу в этом направлении возглавил О. А. Геращенко, активное участие в разработках принимали В. Г. Федоров, С. А. Сажина, В. П. Карпенко, А. Д. Лебедев и другие. В институте были созданы многочисленные варианты как одиночных, так и батарейных датчиков теплового потока.
Одиночные датчики (рис. 10.3) представляют собой дифференциальные термопары, и которых один плоский электрод выполняет роль вспомогательной стенки, два других плоских тонкостенных электрода вместе с токосъемными проводниками образуют термоэлектрическую цепь.
Рис.10.3. Одиночный датчик теплового потока:
1 — никелевое покрытие; 2 — медный термоэлектрод; 3 — промежуточный термоэлектрод; 4 — токосъемные провода; 5 — изоляционная втулка.
Первый вариант такого датчика создан О. А. Геращенко и В. Г. Федоровым в 1958 г. 14]. На основе модели одиночного датчика разработана теория расчета тепломеров.
Одиночные тепломеры используются для измерения плотности теплового потока в интервале 103—106 Вт · м-2. Развиваемая датчиком ЭДС изменяется от 2 до 2 · 103 мкВ, перепад температуры на стенке при этом составляет от 0,05 до 50 К. При создании одиночных термоэлектрических тепломеров большое значение имеет гомогенность стандартных термоэлектродных материалов, так как неоднородность вдоль проводников может стать источником значительных погрешностей при измерениях.
Существенным недостатком одиночных датчиков является их низкая чувствительность — около 500·10° Вт · м-2·Β—1, поэтому их целесообразно использовать для измерения достаточно интенсивных тепловых потоков. Для измерения более слабых потоков (до 0,03 Вт X м-2), какими, в частности, являются потоки геотермального тепла, тепловые утечки и т. п., необходимы датчики с чувствительностью, на несколько порядков превышающей чувствительность одиночного датчика. Это достигается использованием батарейных датчиков. В Институте технической теплофизики АН УССР разработан ряд многоэлементных тепломеров, одним из которых является галетный датчик теплового потока (рис. 10.4), представляющий собой большое число одиночных датчиков, соединенных последовательно в одном устройстве. Его чувствительность на два порядка выше чувствительности одиночного датчика [5]. Другой тип многоэлементного датчика получил название слоистого. Такие датчики изготовляются навивкой константановой проволоки-основы на растворимую целлулоидную ленту с дальнейшим омеднением участков проволоки. Большая работа в институте проводится по унификации теплометрических элементов, что позволяет упростить измерения и обеспечить их надежность и точность, На основе унифицированных серийно выпускаемых датчиков созданы, например, измерители теплопотерь ИТГТ-3, ИТП-4, ИТП-4А, приборы для определения теплопроводности, устройства для диагностики в стоматологии и т. п. [2, 91.
Рис. 10.4. Галетный датчик теплового потока:
1 — константановый термоэлектрод; 2— медный термоэлектрод; 3 — токосъемные провода; 4 — кожух; 5 — изоляция.
В настоящее время термоэлектрическая теплометрия представляет собой отдельное научно-техническое направление в термоэлектричестве, объединяющее методы и средства получения экспериментальной информации о плотности тепловых потоков, которое используется во многих областях науки и техники, от медицинских и биологических исследований до космических и энергетических. Одной из главных задач дальнейшего развития термоэлектрической теплометрии является уменьшение инерционности устройств, что позволило бы снизить общую погрешность измерения переменного входного воздействия и расширить сферу применения приборов в сторону изучения быстроменяющихся процессов. Инерционность батарейных тепломеров, характеризуемая временем установления показаний, изменяется в пределах от 1 до 30 с. Уменьшение инерционности обеспечивается уменьшением толщины чувствительного элемента тепломеров, однако этот способ связан не только с большими технологическими трудностями, но и с недопустимым уменьшением чувствительности.
Одним из наиболее перспективных общих подходов к решению проблемы, по-видимому, является применение анизотропных чувствительных элементов, так называемых косослойных датчиков теплового потока, впервые предложенных Л. Тайлингом в 1951 г. и детально разработанных О. А. Геращенко, Е. К. Иорданишвили, Т. С. Гудкиным и др. Работа косослойных датчиков основана на использовании эффектов искусственной анизотропии тепловых и электрических свойств материалов [3, 11].
Существенное повышение чувствительности достигнуто при использовании термобатарей, изготовленных из высокоэффективных полупроводниковых материалов. В частности, Л. И. Анатычуком, IX. Д. Микитюком и Ю. Ю. Розвером были созданы термоэлектрические полупроводниковые тепломеры с плотностью упаковки термопар 2—5 тыс.·см-2, которые характеризуются чувствительностью до 30 В · Вт-1 [1].
Улучшение инерционности характеристик тепломеров можно также достичь совершенствованием методики обработки экспериментальных данных [10]. Для измерения нестационарных тепловых потоков перспективно применение комбинированных тепломеров [6].
Для развития термоэлектрической теплометрии характерно дальнейшее усовершенствование пленочных тепломеров, обладающих высоким быстродействием, чувствительностью и хорошей технологичностью. В настоящее время их применение ограничивается низкой метрологической надежностью, повысить которую можно только при обеспечении целого комплекса охранных мероприятий, таких, как ограждение или вакуумирование чувствительного элемента, модуляция измеряемого теплового потока, обеспечение жесткого температурного режима эксплуатации и хранения приборов.
