Спосіб вимірювання температури і величини теплового потоку в ґрунті

Реферат: UA 90786 U UA 90786 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області термоелектрики, а більш конкретно - до способів використання термоелектричних батарей генераторного типу як пристроїв вимірювальної техніки. Він може широко використовуватись в агро-метео-дослідженнях. Україна володіє надзвичайним резервом родючих ґрунтів, які є одним із основних природних засобів виробництва продовольства. Тому поточна достовірна інформація про теплофізичні характеристики ґрунту, зокрема - про розподіл температури за профілем ґрунту, про теплоакумуляцію ґрунту на різних глибинах, необхідна в системі управління виробництвом сільськогосподарської продукції, в першу чергу, для прийняття оперативних мір при розробці технологій вирощування сільськогосподарських культур. Однак, органи управління агрометеокомплексами, наука і виробництво володіють далеко не повною і доволі наближеною інформацією про теплофізичні властивості ґрунтів, зокрема про їх температуру і теплоакумуляцію. Це пояснюється нестачею сучасних ефективних методів, способів і технічних засобів, необхідних для отримання згаданої вище інформації. У даний час практично не існує прямих методів вимірювання теплових потоків у фунтах. Теплові потоки в ґрунтах зазвичай розраховуються за результатами вимірювання градієнтів температури та за визначеними відомими способами коефіцієнтами теплопровідності або температуропровідності. Якщо вимірювання температур на фіксованих відстанях, необхідних для знаходження градієнтів температури, здійснюються порівняно просто, причому легко можуть бути налагоджені не тільки вимірювання температури, але і її неперервна реєстрація безпосередньо в природних умовах, то для знаходження вказаних вище коефіцієнтів більшість з відомих методів потребує взяття проб. Крім того, що методи визначення коефіцієнтів теплопровідності чи температуропровідності не відрізняються великою точністю, вони не дають можливості скласти уявлення про їх непереривні зміни з часом, що мають місце в природі. Між тим, для ряду практичних задач необхідно мати метод вимірювання потоків тепла. Відомі способи оперативного отримання інформації про температуру ґрунту за допомогою штучних супутників Землі [1]. Але отримана таким способом інформація характеризується тим, що вона відноситься лише до поверхні землі або до кількох сантиметрів її поверхневого шару. Крім того, дані, отримані з космосу потребують наземної прив'язки. Але в даний час відсутні надійні наземні експрес-методи і технічні засоби, необхідні для цього. Також відомі способи визначення температури будь-якого середовища, в тому числі і ґрунту, за допомогою термометрів [2], які поділяються на рідинні, термоелектричні, деформаційні і термометри противаги. Близьким до заявленого є спосіб вимірювання температури ґрунту на загальноприйнятих в агрометеодослідженнях глибинах 5, 10, 15, 20 см, при якому використовують термометри Савінова, а в більш глибоких горизонтах - витяжні термометри [3, 4]. Установка термометрів здійснюється в ряд, зі Сходу на Захід у порядку зростання глибини. Відстані між термометрами Савінова прийнято встановлювати 10-15 см, а між витяжними - 5 см. Недоліками таких способів визначення температури ґрунту за його профілем є: необхідність одночасного застосування багатьох вимірювальних засобів (термометрів); внесення теплових і механічних збурень в ґрунт при горизонтальному розміщенні на його різних глибинах термометрів Савінова; необхідність установки обсадних (металевих чи пластмасових) труб для витяжних термометрів, які є стаціонарними і заважають обробітку ґрунту; велика тривалість вимірювань і їх невисока точність; неможливість визначення величини питомого теплового потоку через задані горизонти глибини ґрунту і т.д. Найближчим аналогом до заявленого способу є спосіб описаний в [5], де наведено інформацію про новий спосіб вимірювання параметрів ґрунтів за допомогою приладу ВПГ-Чц, розробленого УКР НДГ МІ в 2001 р. Даний спосіб визначення вологості і температури ґрунту полягає в тому, що вимірювальний датчик-бур розташовується в нижній частині приладу ВПГЧц і за допомогою спеціального пристрою заглиблюється на задану глибину ґрунту, де необхідно визначити вологість і температуру ґрунту. Вологість визначають за допомогою градуювальник графіків, які є практично лінійними, а температуру - за даними датчика температури. Такий спосіб є набагато перспективнішим і оперативнішим за вищезгадані. Однак, він характеризується порівняно невисокою точністю визначення температури ґрунту (~ ±1 °C), неможливістю прямого визначення величини питомого теплового потоку через заданий горизонт глибини ґрунту. Задачею корисної моделі є створення способу прямого визначення температури і питомого теплового потоку в ґрунті. Вказана задача реалізується наступним чином. Відомо [6, 7], що величина термоелектрорушійної сили (термоЕРС) термобатареї має прямо-пропорційну залежність від величини питомого теплового потоку, що проходить через її робочі грані і робочого перепаду 1 UA 90786 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 температури на ній. Тому, розташування в ґрунті такої, попередньо протестованої по тепловому потоку і градієнту температури, термоелектричної батареї, що функціонує в режимі генерації електричного струму, дозволяє прямим методом визначити величину теплового потоку (або питомого теплового потоку q), що проходить через термобатарею, а також одночасно фіксувати величину градієнта температури на її робочих гранях, що утворюється між поверхнею ґрунту та його шаром на заданій глибині. Тобто в процесі вимірювання фіксується температура поверхні ґрунту і визначається різниця температури ΔТ між поверхнею ґрунту і його шаром на заданій глибині, та величина q, що утворюється цією ΔТ. Поставлена задача вирішується у способі визначення температури і величини питомого теплового потоку в ґрунті, у якому згідно з корисною моделлю вимірювання температури та величини теплового потоку на заданій глибині ґрунту здійснюється прямим методом попередньо протестованою термоелектричною батареєю з відомими залежностями її термоЕРС від величини питомого теплового потоку, що проходить через термобатарею і від градієнта температури на робочих гранях термобатареї, що утворюється між поверхнею ґрунту з відомою температурою і його шаром на заданій глибині. Промислове використання запропонованого способу не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, його реалізація можлива на існуючих підприємствах електронного, приладобудівного напрямків. Зокрема, через свою простоту, дешевизну і доступність запропонований спосіб успішно буде реалізовуватись підприємствами, що працюють в галузі термоелектричного приладобудування. Можливість здійснення корисної моделі багаторазово перевірялась при створенні і дослідженнях ґрунтового термоелектричного генератора типу "Алтек-8027", у конструкцію якого входила термоелектрична батарея, до складу якої входило 1024 віток термоелементів перерізом 0,7 × 0,7 (мм), виготовлених із Ві2Те3. Велика кількість віток термоелементів та їх висока термоелектрична ефективність дозволила фіксувати прямим методом перепаду 2 температури до сотих часток градуса, а величину густини теплового потоку - з 0,01 мВт/см , що свідчить про високу точність запропонованого способу. Крім того, істотною перевагою запропонованого способу є можливість вимірювання в практично неперервному режимі та у значно ширшому температурному діапазоні (від -60 до +150 °C). Джерела інформації: 1. Панова В.Б. Аэрокосмические методы в географических исследованиях. Учебн. пособие для студентов географ, фак-та. Саратовский гос. университет им. Н.Г. Чернышевского. Саратов. Из-во Саратовского университета. 1984. - 80 с. 2. Олейник Б.И., Лаздина С.И. и др. Прибори и методы температурных измерений// М.: Издво стандартов. - 1987. - 296 с. 3. Полякова Л.С., Кашарин Д.В. Учебное пособие "Метеорология и климатология" Новочеркасск. НГМА, 2004., 107 с. 4. Вытяжной почвенно-глубинный термометр. Патент Российской Федерации № 205 7305. 5. Грушка І.Г. "Нові методи і засоби агрометеорологічних вимірювань і питання гідрометеорологічного забезпечення землеробства. Матеріали наради-семенару "Обмін досвідом гідрометеорологічного забезпечення сільськогосподарського виробництва у сучасних умовах". 15-20 жовтня. 2001 р. м. Ялта. Український ГМЦ, Київ. 2001, с. 43-54. 6. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник - К.: Наук. думка. - 1979. - 768 с. 7. Микитюк П.Д., Марущак Л.Д. "Особливості роботи ґрунтового термоелектричного генератора в зимово-весняний період»// Термоелектрика. - 2008. - № 4. - с. 83-86. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 Спосіб вимірювання температури і величини питомого теплового потоку в ґрунті, який включає в себе розміщення на заданій глибині ґрунту та на його поверхні датчиків температури, фіксацію показів датчиків за допомогою вимірювальних приладів, обробку та візуалізацію даних вимірювання за допомогою електронного блока, який відрізняється тим, що вимірювання температури та питомого теплового потоку назаданій глибині ґрунту здійснюється прямим методом попередньо протестованою термоелектричною батареєю з відомими залежностями її термоЕРС від величини питомого теплового потоку, що проходить через термобатарею і від градієнта температури на робочих гранях термобатареї, що утворюється між поверхнею ґрунту і його шаром на заданій глибині. 2 UA 90786 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3