Датчик теплового потока

(19) 17 О 1)4 С и двтогбиом ск пло СР1984,пл о дл ац ов повыточого потока. 1 ил,ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ(54) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА(57) Изобретение относится кметрии и может быть использоизмерения тепловых потоков понарцых и нестацианарных теппроцессах. Цель изобретенияшение долговечности датчика ности измерений в условиях химическиагрессивной среды. На поверхноститеплоприемного элемента 1 нанесенотеплопроводящее защитное покрытие 2,толщина которого определяет количес.тво диф. термопар каждой из батарей3-5. При наличии нестационарного теплового потока в каждый момент временибатареи вырабатывают ЭДС, пропорциональные перепадам температуры по ихтолщине с коэффициентами пропорциональности, равными количествам термопар каждой из батарей, ЭДС батареи 4противоположна по знаку ЭДС батарей3 и 5, Суммарная ЭДС цепи батарей3-5 пропорциональна величине проходящего через тепловоспринимающую поверхность покрытия 2 измеряемого тепло(4)- "+ Е ьх ьЕ. = Е. - Е.55 1 + Г- величина ЭДС, развиваемая каждой дифференциальной термопарой в -й термобатарее. Изобретение относится к технике теплометрии и может быть использовано для измерения тепловых потоков при стационарных и нестационарных тепловых процессах.Целью изобретения является повышение долговечности датчика и точности измерений в условиях химически агрессивной среды.На чертеже схематично изображен предлагаемый датчик.Датчик содержит теплоприемный элемент 1 с покрытием 2 и термобатареи 3, 4 и 5. Расстояние ьх выбрано равным 1/4 ьх. Для этого случая первая термобатарея 3 содержит М1 227 дифференциальных термопар, вторая термобатарея 4 - М = 190, третья термобатарея 5 - М = 59.Проходящему через покрытие 2 не- стационарному тепловому потоку при работе датчика соответствует нестационарное температурное поле тепло- приемного элемента 1. В каждый момент времени термобатареи 3, 4 и 5 вырабатывают ЭДС, пропорциональные перепадам температуры по толщине термобатарей с коэффициентами пропорциональности, равными количествам дифференциальных термопар в каждой из термобатарей. При этом термобатарея 4 вырабатывает в общей цепи термобатарей ЭДС, противоположную по знаку ЭДС термобатарей 3 и 5Суммарная ЭДС трех термобатарей 3, 4 и 5 в каждый момент времени пропорциональна тепловому потоку в,этот же момент времени через отстоящую на расстоянии дх от первой термобаотареи 3 теплоприемную поверхность теплопроводящего защитного покрытия 2.Первая термобатарея размещена в теплоприемном элементе датчика на некотором расстоянии от тепловоспринимающей поверхности защитного покрытия, при этом ЭДС, вырабатываемая датчиком, пропорциональна величине измеряемого нестационарного теплового потока, т,е. теплового потока через защитное покрытие, Этой свойство предлагаемого датчика обусловлено выбором количеств содержащихся в каждой термобатарее дифференциальных термопар. В то же время данное свойство обеспечивает возможность измерения нестационарного теплового потока от химически агрессивной среды, поскольку спаи термопар первой термобатареи оказываются защищенными от этой среды слоем защитного материала..Выбор числа дифференциальных термопар в термобатареях обоснован следующим, Согласно закону теплопроводности Фурье тепловой поток определяется по формуле; 10 дТ(х,. )с 1(х,Г) = -Лах где 7 - время;- коэффициент теплопроводнос ти материала теплоприемногоэлемента;Т(х,1) - температурное поле теплоприемного элемента;х - координата, отсчитываемая 20 от теплоприемной поверхности теплоприемного элемента.Из формулы (1) следует, что длянахождения теплового потока черезтеплоприемную поверхность необходимоопределить частную производную температурного поля по координате х прих= 0,Представив эту производную в виде 30(2)ах к.о йЕ х х-о ЗЕвыразим -через изменяющиеся водх 1 х= овремени значения Е ( = 1,2в+1)1ЭДС термопар, изменяющих температурыв плоскостях с координатами хьх + (-1) лх, где ь х - толщиназащитного теплопроводящего покрытия;ьх - толщина термобатарей.- г (-1) А а Е (3)дЕ 1ахко т ьх .(6) с 1(0,7) = В С Сс ) где К к11=1 где 1ь. произвольное целое число;, номер батареи начиная с ближайшей к защитному покрытию;количество термобатарей; целое число, изменяющееся от д до ш;целые числа, изменяющиеся от 1 до 1 с;целые числа, определяемые из равенства отношения М/М отношению толщины покрытия к толщине термобатареи. 1, 1 М, Н ВНИИПИ Заказ 7890/36 , Тираж 799 Подписное Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Заменив в (4) отношение - равЬХдхным ему отношением двух целых чиселМ и И, представим (3) в виде ЗЕ 15дх к=о тп ьх 111. --1=1 где И определены соотношением из1формулы изобретения, 0Входящая в (5) сумма совпадает с суммарной ЭДС Ецепи из ш термобатарей, если термобатареи размещены и соединены так, как указано выше, и содержат количества термопар в соответствии с формулой изобретения. Поэтому в силу (1), (2) и (5) тепловой поток ц(0,) через тепловую принимающую поверхность выражается формулой: 20 ЙЕе = -- дифференциальная ТЭДСдТиспользуемых в термобатареях термопар.Таким образом, суммарная ЭДС цепиразмещенных в теплоприемном элементедатчика термобатарей пропорциональнавеличине проходящего через тепловоспринимающую поверхность измеряемоготеплового потока. Коэффициент пропорциональности й может быть определен в результате градуировки датчика, например, в условиях измерениястационарного теплового потока илирасчетным путем с применением формулы (7),Требование представления величиныдх,/дх в форме отношения М/И двухцелых чисел не ограничивает область,практического применения датчика, 45так как в реальных условиях величиныдх и дх могут быть измерены соконечной точностью. Получив по результатам измерений дх и дх с пзначащими цифрами, требуемую форму 50представления их отношения находятеумножением д х, и ьх на 10Введение произвольного целогочисла 1 обусловлено тем, что в некоторых случаях вычисленгче при 1= 1значения М. оказываются сравнительно небольшими, при которых нельзяобеспечить высокую чувствительностьдатчика в силу малости суммарной ЭДСдатчика. Выбор 1 большим единицы позволяет 1-кратно увеличить количестводифференциальных термопар в каждойтермобатарее и, следовательно, повысить суммарную ЭДС до требуемогоуровня, при котором измерения суммарной ЭДС цепи термобатарей датчикавторичными приборами могут быть выполнены с необходимой точностью. Формула изобретения Датчик теплового истока, содержащий теплоприемный элемент с размещенными в нем основной и корректирующими термобатареями, расположенными следующими друг за другом слоями и соединенными последовательно, причем каждые две рядом расположенные термобатареи включены встречно, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности и точности измерений в условиях химически агрессивной среды, на поверхность теплоприемного элемента нанесено теплопроводящее защитное покрытие, при этом количество дифференциальных термопар, содержащихся в каждой термобатарее, в зависимости от толщины покрытия определяется из соотношения