Датчик теплового потока

ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА, содержащий теплоприемник в форме диска, выполненный из низкотеплопроводного материала, внутри которого по толщине вдоль оси последнего расположены три термочувствительных элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения теплового потока, в него введена втулка, внутренняя поверхность которой контактирует с наружней поверхностью теплоприемника, и пластины, размещенные на его торцовых поверхностях, при этом теплопроводность пластин и втулки больше теплопроводности теплоприемника на два порядка, а их толщина выбрана из соотношения
/ R = 0,023-0,04 = 0,023 - 0,04,
где - толщина втулки и пластины;
R - радиус диска.

Изобретение касается тепловых измерений и может быть использовано при исследовании стационарных и нестационарных тепловых процессов в различных областях народного хозяйства.
Целью изобретения является повышение точности измерений за счет учета двумерности температурного поля в теплоприемнике.
На фиг. 1 и 2 показаны соответственно конструкция датчика теплового потока и графический пример измерения температуры, восстановления нестационарного теплового потока и коэффициента теплоотдачи.
Датчик теплового потока состоит из теплоприемника 1, выполненного в виде диска из материала с известными теплофизическими характеристиками и малой теплопроводности. Сверху, снизу, а также с боковой поверхности установлены тепловыравнивающие элементы - пластины 2 и втулка 3. Пластины и втулка выполнены из материала, теплопроводность которого на два порядка превышает теплопроводность теплоприемника. Они не касаются между собой. На оси теплоприемника по толщине установлены термопары 4.
Установка на всей поверхности теплоприемника тепловыравнивающих элементов данной относительной толщины при данном отношении теплопроводностей ( /R = 0,023-0,04; ₁/ ₂ > 100, где - толщина втулки и пластины; R - радиус теплоприемника; ₁ - теплопроводность втулки и пластины; ₂- теплопроводность теплоприемника), и отсутствие между ними контакта обеспечивает на каждой из поверхностей постоянные по координате тепловые потоки, т. е. выполнение граничных условий
= 0, (1)
q(l, r, ) = q_l; q(o, , r) = q_o; q(x, R, ) = q_R.
t_{x, R} = t_R; t_x1,0 = t_x; t_l,o = t_l; t_x2,0 = t_x2;
t_{x, r} = t_{(x, r,} ), t_0,o = t_o), где q_l, q_o, q_R - тепловые потоки на поверхностях;
t_o, t_x1, t_x2, t_l, t_R - температуры в теплоприемнике в точках 0, Х₁, Х₂, l, R (см. фиг. 1).
Для определения температуры лицевой поверхности и тепловых потоков на лицевой ql, обратной qo и боковой поверхностях qk решается система интегральных уравнений типа свертки. При этом окончательные уравнения для определения искомых величин имеют следующий вид:
(t_l - t_o) * M = [(t_x2 - t_o) * B₁ -
-(t_x1 - t_o) * B₂] ; (2)
q_l R₁ = [(t_l - t_o) * R_l - (t_x1 - t_o) * R₂] , (3) где М = 1* ( _{1l -} - _{1l -} - _1l -(x₂-x₁);
В₁ = 1* (1 - _{l -} - );
В₂ = 1* (1 - _{1l -} - ) ;
R_l = ( ₂₀ - ) ; R₁= ( ₂₀ - _2l) ;
х, а - тепло- и температуропроводность теплоприемника;
* - символ свертки;
t_l - восстанавливаемая температура на лицевой поверхности датчика теплового потока;
_{1x 1l - x} - распределение температуры в пластине при граничных условиях I рода;
_{2x 2l - x} - распределение температуры на пластине при граничных условиях II рода.
Тепловой поток q_l^q с учетом коррекции на поверхностную теплоемкость теплоприемника на лицевой поверхности определяется из соотношения
q_l^q = q_l + c t_l¹ (4) где с, - теплоемкость и плотность тепловыравнивающих элементов;
t_l¹ - производная времени от температуры тепловыравнивающих элементов;
q_l - восстанавливаемый поток на лицевой поверхности.
Определение теплового потока и коэффициента теплоотдачи с помощью датчика осуществляется следующим образом. Датчик устанавливается на объект. Искомый поток q_l^q поступает со стороны лицевой поверхности (возможно различное направление воздействия теплового потока). В пластинах 2 происходит выравнивание потока. С помощью термопар 4 осуществляется измерение температуры в теплоприемнике 1 (см. кривые 5, 6 и 7 на фиг. 2). Используя данные измерений температуры в качестве начальных и решая приведенные выше уравнения, определяют температуру и тепловой поток на приемной поверхности датчика. При известной температуре окружающей среды определяется и коэффициент теплоотдачи. На фиг. 2 (кривые 8, 9 и 19) представлены значения температуры поверхности, теплового потока и коэффициента теплоотдачи. Датчик теплового потока, изготовленный из полиметилметакрилата диаметром 60 мм и толщиной 10 мм с тепловыравнивающими элементами 2 и 3 из меди М 1 толщиной 1 мм, был использован при тепловых испытаниях в климатическом диапазоне температур от минус 40^оС до плюс 40^оС. В качестве температурных датчиков использовались хромель-копелевые термопары с диаметром электродов 0,2 мм. Эксперимент обсчитывался на машине ЭВМ СМ-4. Реально зафиксированные в опытах тепловые потоки достигали 2 10³ Вт/м², а коэффициенты теплоотдачи составляли 5-420 Вт/м² К. В опытах при температуре до 1000^оС с помощью датчика, изготовленного из шамота, были зафиксированы потоки до 20 10³ Вт/м² с коэффициентом теплоотдачи до 200 Вт/м²К. Результаты определения тепловых потоков и теплоотдачи в пределах 5-7% согласуются с результатами определения этих величин с помощью классических методов калориметрирования термически "тонкого" тела.
Конструкция предлагаемого датчика теплового потока за счет выравнивания тепловых потоков по рабочим поверхностям, использования интегральных уравнений типа свертки позволяет определять тепловые потоки с учетом двумерности температурного поля в теплоприемнике и обеспечивает точность их не менее 5-7% .
(56) Авторское свидетельство СССР N 935718, кл. G 01 K 17/08, 1982.
Сигнальный листок: Теплометрическая аппаратура АН УССР. Институт технической теплофизики; Киевский технологический институт пищевой промышленности. Реклама, 1985.
Изобретение касается тепловых измерений и позволяет повысить точность измерений за счет учета двумерности температурного поля в теплоприемнике. Датчик теплового потока содержит теплоприемник в виде диска из низкотеплопроводного материала. Сверху, снизу, а также с боковой поверхности диска размещены соответственно тепловыравнивающие пластины и втулка толщиной выбранной из соотношения d/R=0,023-0,04, где R - радиус теплоприемника, изготовленные из материала, теплопроводность которого на два порядка выше, чем у теплоприемника. По толщине теплоприемника вдоль оси последовательно установлены три термочувствительных элемента. Температура приемной поверхности и искомый тепловой поток определяются путем измерения температуры в теплоприемнике с последующим решением обратной задачи теплопроводности с помощью интегральных уравнений типа свертки. 2 ил.