Автор: Д.Н. Аксенов (ОАО НПП «Эталон»).
Опубликовано в журнале Химическая техника №1/2014
Потребность в измерении теплопроводности раз- личных материалов существует во многих областях науки и промышленности. К ним относятся, прежде всего, строительство и энергетика. Необходимость технологического контроля и сертификации по теплопроводности возникает при производстве и эксплуатации новых материалов различного назначения (наиболее важные элементы сложных инженерных объектов, например ограждающие конструкций отапливаемых зданий и сооружений), а также при испытаниях на соответствие требованиям нормативных документов. Таким образом, в современном технологическом обществе, характеризующемся все возрастающим уровнем энергопотребления на фоне постоянного увеличения стоимости и ограниченности запасов энергоносителей, измерения теплопроводности наиболее востребованы среди других видов измерений теплофизических свойств материалов и конструкций.
В последнее время интенсивно ведутся работы по усовершенствованию метрологического обеспечения измерений плотности теплового потока и теплопроводности, а также средств измерений.
Для мобильного измерения теплофизических свойств материалов и конструкций специалистами ОАО НПП «Эталон» был разработан многоканальный измеритель теплового сопротивления ИТС-1, отвечающий всем современным требованиям (см. рисунок).
Измерительный комплекс теплового сопротивления ограждающих конструкций предназначен для применения на предприятиях стройиндустрии, в органах госнадзора, аудита и сертификационных центрах.
Комплекс позволяет определять приведенное сопротивление теплопередаче и термическое сопротивление ограждающих конструкций и материалов по ГОСТ 26254–84 и ГОСТ 26602.1–99 (стены, перекрытия, оконные и дверные блоки), а также измерять плотность теплового потока, напряжения, температуру внутри и снаружи помещения.
Измерительный комплекс обладает рядом преимуществ перед существующими аналогами:
- удобство для оперативного транспортирования;
- время непрерывной автономной работы не менее 100 ч;
- имеется возможность выбора периода времени записи информации в архив значений (15 с…60 мин) в каждом канале;
- широкий диапазон измерений плотности теплового потока, температуры и напряжения;
- удобство и простота в эксплуатации.
Разрешающая способность при измерении плотности теплового потока – 0,5 Вт/м2; при измерении температуры – 0,5°C.
Число каналов измерения в зависимости от вида исполнения — 16, 32, 48, 64, 80, 96.
Измерительный комплекс работает со всеми видами рабочих датчиков теплового потока ДТП 0924, производства ОАО НПП «Эталон» (всего насчитывается 26 типов).
Применяется термопара типа ТХА(К), рекомендуется термопара ТХА 1105 также нашего производства.
Технические характеристики ИТС-1
Диапазон измерения плотности теплового потока, Вт/м2 | 10…2 000 |
Предел допускаемой основной абсолютной погрешности (без учета погрешности датчика), Вт/м2 | Не более ±1 |
Число каналов | 16…96 |
Диапазон измерения температуры, °C | –50…1300 |
Предел допускаемой основной абсолютной погрешности (без учета погрешности датчика), °C | Не более ±1 |
Диапазон измерения напряжения, мВ | 5…500 |
Предел допускаемой основной абсолютной погрешности (без учета погрешности датчика), мкВ | Не более ±5 |
Индикация LCD | 480×270; |
Питание от источника постоянного напряжения, В | 5 |
Время автономной непрерывной работы, ч | Не менее 100 |
Температура окружающей среды, °C | –10…+50 |
Габаритные размеры, мм | 250×220×110 |
Масса, кг | 1,35 |
Для проверки соответствия фактических характеристик требованиям, предусмотренным ТЗ и ТУ, в процессе разработки проводились лабораторные испытания опытных образцов. В частности, проверялись такие параметры, как абсолютная основная погрешность и диапазон измерений напряжения. Результаты измерений представлены в табл. 1–3.
Также проводилась проверка на наличие ошибок в обмене данными УСИ-1 (устройство сбора информации) и модулями КИ-16 (коммутаторы измерительные), и записи данных на SD карту.
Заключение: в ходе проведения испытаний опытных образцов УСИ-1 было установлено, что полученные технические характеристики соответствуют нормам ТУ.
В процессе измерений теплофизических и теплотехнических параметров материалов и конструкций, из-за наличия множества не утвержденных методов измерений, приходится сталкиваться со многими проблемами, влияющими на обеспечение единства измерений. Хотя и существующие государственные стандарты также поддаются критике.
Рассмотрим, к примеру, ГОСТ 26254–84 « Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций», в соответствии с которым проводятся измерения приведенного сопротивления теплопередаче. Пункт 6.4 данного стандарта гласит: «При обработке результатов натурных испытаний строят графики изменения во времени характерных температур и плотности тепловых потоков, по которым выбирают периоды с наиболее установившимся режимом с отклонением среднесуточной температуры наружного воздуха от среднего значения за этот период в пределах ±1,5°С и вычисляют средние значения сопротивления теплопередаче для каждого периода.»
Согласно ГОСТу (пункт 5.2), в наружных ограждающих конструкциях стационарный процесс теплопередачи в зависимости от их тепловой инерции устанавливается через 1,5…7,5 суток. Однако на практике при контроле строительных конструкций разница температуры наружного воздуха в ночное и дневное время, например, достигает 10…15°С, и это не предел. Этот фактор, в свою очередь, вызывает нестационарные процессы теплопередачи в исследуемых конструкциях. Отсюда и такая продолжительность измерений – не менее 15 суток (пункт 5.3 ГОСТа), что тормозит процесс измерений.
Очевидно, что данный способ измерения применим только при условии стационарности процесса теплопередачи через контролируемое сооружение (т.е. только при условии постоянства теплового потока, входящего в сооружение) на одной поверхности и выходящего из сооружения на другой поверхности (по сути – лабораторные условия). В действительности при тепловом контроле сооружений при реальном изменении во времени внутренних и наружных температур окружающей среды это условие соблюдается крайне редко.
Это несоблюдение условия постоянства плотности теплового потока значительно снижает точность получаемых результатов и приводит к появлению больших погрешностей в определении теплового сопротивления.
Лабораторные исследования являются весьма дорогостоящими и требуют длительного времени, к тому же их результаты не характеризуют с достаточной достоверностью теплозащитные свойства реального объекта. В то время как натурные исследования наиболее полно отражают фактические теплотехнические характеристики наружных ограждающих конструкций, поскольку проводятся в конкретных климатических условиях на реально существующих объектах.
Таблица 1.
Номинальное значение напряжения (по ТУ), мВ |
Допустимое значение погрешности, мВ |
Измеренное значение напряжения прибором №001, мВ |
||
Модуль 1 Канал 1 |
Модуль 2 Канал 1 |
Модуль 3 Канал 1 |
||
–299, 995 | ±0,04999 | –299,9 | –300,0 | –299,9 |
–99, 995 | ±0,01985 | –99,98 | –99,99 | –99,99 |
0 | ±0,005 | –0,003 | –0,004 | 0,002 |
99, 995 | ±0,01985 | 99,99 | 100,0 | 99,98 |
299, 995 | ±0,04999 | 299,9 | 299,9 | 300,0 |
Таблица 2.
Номинальное значение напряжения(по ТУ), мВ | Допустимое значение погрешности,мВ | Измеренное значение напряжения прибором №002, мВ | ||
Модуль 1 Канал 1 |
Модуль 2 Канал 1 |
Модуль 3 Канал 1 |
||
–299, 995 | ±0,04999 | –300,0 | –299,9 | –299,9 |
–99, 995 | ±0,01985 | –100,0 | –99,98 | –99,99 |
0 | ±0,005 | 0,004 | –0,002 | –0,002 |
99, 995 | ±0,01985 | 99,99 | 99,99 | 99,98 |
299, 995 | ±0,04999 | 299,9 | 300,0 | 300,0 |
Таблица 2.
Номинальное значение напряжения(по ТУ), мВ | Допустимое значение погрешности,мВ | Измеренное значение напряжения прибором №003, мВ | ||
Модуль 1 Канал 1 |
Модуль 2 Канал 1 |
Модуль 3 Канал 1 |
||
–299, 995 | ±0,04999 | –299,9 | –299,9 | –300,0 |
–99, 995 | ±0,01985 | –100,0 | –99,99 | –99,99 |
0 | ±0,005 | –0,002 | 0,003 | –0,001 |
99, 995 | ±0,01985 | 99,99 | 99,98 | 100,0 |
299, 995 | ±0,04999 | 300,0 | 299,9 | 300,0 |
Таким образом, отсутствие актуальной информационно-нормативной базы не позволяет добиться единства измерений, а предлагаемые для испытаний средства измерений далеко отстали от современного оснащения.
В настоящее время завершаются подготовительные работы по внесению измерительного комплекса ИТС-1 в Государственный Реестр Средств Измерений.