Датчик теплового потока

/12 ЕНИЯ . ЬСТВУ аею ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ОПИСАНИЕ К АВТОРСКОМУ С(71) Институт технической теплофизикиАН Украинской ССР(54)(57) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОЧОКАсодержащий вспомогательную стенку сискуственно-анизотропной структурой,состоящую из чередующихся участковдвух изотропных термоэлектрических м териалов о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности его в работе в области высоких температур, его вспомогательная стенка выполнена в виде двухсторонней зубчатой ленты из изотропного термоэлектрического материала, впадины между зубьями которой с обеих сторон заполнены парным материалу ленты термоэлектрическим материалом зубья ленты в разрезе - равнобедренные прямоугольные треугольники с катетами, равными половине толщины вспомогательной стенки и ориентированными перпендикулярно и параллельно горизонтальной оси ленты, причем зубья с противоположоных сторон ленты повернуты на 180 ов 1 носительно друг друга и смещены на Еполовину шага их чередования.10528 Выбранное геометрическое соотношениеконструктивных параметров стенки датчика соответствует оптимальной по чувствительности конструкции для наиболее распространенного случая, когда отношение чисел Лоренца используемых термоэлектрических материалов близко к единице, В более общем случае соотношение конструктивных параметров стенки датчика следует выбирать таким образом,Изобретение относится к термоэлектрическим датчикам теплового потока иможет найти применение в качестве чувствительного элемента в тепломерах,радиометрах, калориметрах и других 5устройствах для замера тепловьх потоков.Известны термоэлементы, в которыхиспользуется явление анизотропии термоЭЛС в монокристаллах. Датчик тепловогопотока такого типа представляет собой 10вырезанную под улом к главной кристаллографической оси монокристалла пластину.Под действием пронизыва 1 ошего пластинутеплового потока в ней возникают викревые термоэлектрические токи, обусловлива 5юшие,вследствие анизотропии свойств иуказанной ориентачии монокристалла относительно направления теплового потока,ЪПоявление поперечной относительно гра-,диента температуры в пластине термо-ЭДС.20еличина этой термо-ЗДС пропорциональна плотности теплового потока и можетслужить его мерой 1 1,Однако ограниченный выбор полупроводниковых монокристаллов, обладающих 25высокой термоэлектрической добротностью в сочетании с сильно Выраженнойанизотропией свойств, технологическиетрудности их механической обработки,низкая термическая стойкость и хрупкость ограничивают распространение вкачестве датчиков теплового потока таких термоэлементов.Наиболее близким к изобретению является датчик теплового потока, содержащий вспомогательную стенку с искуственно-анизотропной структурой) состоящуюнэ чередующихся участков двух иэотропных термоэлектрических материалов. Поддействием пронизывающего вспомогательну 1 о стенку теплового потока и датчикавозникают Вихревые термоэлектрическиетоки,приводящие вследствие наклонногорасположения слоев термоэлектрическихматериалов к появлению поперечной относительно направления теплового потокатермо-ЗДС,как это имеет место в анизотропном монокристаллическом термоэлементе. ТермоС,генерируемая датчикомсо вспомогательной стенкой, определяетсяградиентом температуры в стенке и не зависит от ее толщины.Благодаря этому датчик может быть выполнен малоинерпионным,поскольку его чувствительногть к тепловому потоку не ограничена толдиной вспомогательной стенки 23,Однако реализовать на практике такуюконструкцию сложно вследствие техноло 84 2гических трудностей получения вспомогательной стенки малой толщины из ориентированных под углом к подложке тонких слоев. Кроме того, такой датчик обладает недостаточной надежностью вследствие возможного нарушения контакта между слоями при высоких температурах.Цель изобретения - повышение надежности работы датчика теплового потока В области .высоких температур, "Укаэанная цель достигается тем, что в датчике теплового потока, содержащем вспомогательную стенку с искуственноанизотропной структурой, состоящую из чередующихся участков двух изотропных термоэлектрических материалов, Вспомогательная стенка Выполнена В Ви де двухсторонней зубчатой ленты из иэотропного термоэлектрического материала, впадины между зубьями которой с обеих сторон заполнены парным материалу ленты термоэлектрическим материалом, зубья ленты в разрезе - равнобедренные прямоугольные треугольники с катетами, равными половине толщины вспомогательной стенки и ориентированными перпендикулярно и параллельно горизонтальной оси ленты, причем зубья с противоположных сторон ленты повернуты на 180 о относительно друг друга и смещены на полгницу шага их чередования. На чертеже изображен датчик теплового потока.Устройство содержит искуственно - аниэотропную стенку, состоящую из образующих термоэлектрическую пару изотропных материалов. Основу стенки составляет двухсторонняя зубчатая лента 1 из термоэлектрического материала, например, константана. Впадины 2 между зубь- ями ленты 3. заполнены с обеих сторон парным материалу ленты термоэлектри ческим материалом, например серебром. При воздействии на датчик теплового потока 3 с выводов 4 снимается напряжение термо-ЗДС.и3 10528чтобы длина нагматов равнобедрс:нньхпрямоугольных треугольников, образующих впадины зубчатой ленты, относилась к толщине зубчатой ленты как корень квадратный из отношения числа 5Лоренца для термоэлектрического материала зубчатой ленты к числу Лоренца для термоэлектрического материала,заполняющего впадины зубчатой ленты.Датчик работает следующим образом оПронизывающий вспомогательнуюстенку датчика тепловой поток вызывает в ней градиент температурыподдействием которого вследствие анизотропии свойств стенки в ней возникают15вихревые термоэлектрические токи. Благодаря ассиметричному расположениюзубьев в стенке вихревые токи приобретают наклонную ориентацию, что приводитк накоплению вдоль стенки поперечнойотносительно градиента температурытермо-ЭДС, служащей мерой контролируемого теплового потока,Механизм работы такого датчика подо-д 5бен термопреобразованию о батарее из большого числа последовательно соединенныхдифференциальных термопар. Генерируемая вспомогательной стенкой термо-ЭДСтакже как и в анизотропной монокрнсталлической пластине, не зависит от толщины стенки, благодаря чему датчикможет быть выполнен тонким и, следовательнО, малоинерционным, при этомтолщина стенки связана с размерами зубь- Зев ленты, высота которых должна составлять половину толщины стенки, что соответствует оптимальным условиям термопреобразования в патчике.Изготовленный образец датчика теплового, потока представляет собой пластину разме 84 4рами 20 102 мм. Основу термочувствительного элемента составляет зубча-тая лента из константана толщиной 2 мм, Треугольные зубья высотой 1 мм с обеих сторон ленты смещены на 1 мм. Впадины между зубьями заплавлены серебром, после чего обе плоскости вспомогательной стенки спланированы. При плотности теплового потока 10 - 10Вт/см 2 чувствительность датчика составляет2 10 В см/Вт. Благодаря тому, что чувствительнымэлементом датчика служит;искуствеи- . но-анизотропная вспомогательная стенка генерируемый ею элекпоический сигнал не зависит от толщины. Это позволяет без потери чувствительности выполнить датчик тонким, с малым термическим сопротивлением, что способствует ловышению точности измерения и увеличивает быстродействие датчика. Расчетное значение постоянной времени датчика из константана и серебра толщиной 1 мм составляет менее 0,01 с. Технико-экономическая эффективносчь технического решения обеспечивается упрощением техники изготовления датчика и повышением надежности его работы в области высоких температур. Возможность применения термостойких иэотропных материалов в качестве компонент искуственно-анизотропной структуры значительно расширяет тепловой и температурный диапазон работы датчика. Так, для датчика с чувствительным элементом из константана и серебра верхний температурный .предел достигает 800 К.Составитель Г. ПлешковРедактор Н. Безродная Техред М,Н аць Корректор В. ярнякЗаказ 8846/36 Тираж 873 П одписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва Ж, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4