Датчик теплового потока

(71) Институт технической теплофки АН УССР(56) Авторское свидетельство ССР 935718, кл. С 01 К 17/08, 198Заявка Франции В 2571493,С 01 К 17/08, 1986,А.Лукашевиов кл.теплозованавиаци эобретение касается измер и величин и может быть и поль т тике,ерения в эн отоовых Изоб я теп- енение тение касается измере ичин и может найти при ике, металлургии, ави ения тепловых, потоков ости в широком интер ловых вел в энерге для изме оль- але шои пло темпер Цел ние тоью изобретения является повьппе епловых пото- широком интер чности иэмеренилысой плотностемператур . коввалеН едставлен датчик теп ертеж отока,к содержит ового Датрехслойную теплоостоящую из крайлоев, выполненных проводящую стенк них 1 и среднего ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ков большой плотносги в широком интервале температур. Цель изобретенияповышение точности измерений, Датчиктеплового потока содержит вспомогательную стенку и резистивные элементы, расположенные на двух ее сторонах. Вспомогательная стенка выполнена трехслойной с возможностью продольного относительного смещения слоев,при этом крайние слои выполнены изматериала с положительным, а среднийс отрицательным коэффициентами линейного расширения, причем отношениесуммы толщин крайних слоев к толщинесреднего слоя обратно пропорционально отношению абсолютных величин коэффициентов теплового линейного расширения этих материалов, а реэистивныеэлементы выполнены из термонезависимого материала. 1 ил. соответственно иэ материалов с положий тельным (например, алюминий) и отрицательным (например, инвар) коэффициентами линейного расширения. Резистивные чувствительные элементы 3 (на чертеже виден только верхний чувствительный элемент) расположены на двух поверхностях вспомогательной стенкии,представляют собой равномерно распре деленные на них продольные и поперечные полосы, выполненные иэ тонкой пластины или фольги из термонезависимого материала, например константанаТолщины слоев теплопроводящей стенки выбирают из условия(здесь Т - изменение средней по толщине температуры стенки; Р - давление, одинаковое для всех ее поверхностей;О М - коэффициенты теплового линейного расширения крайних и среднего 15 слоев соответственно, которые для алю. миния и инвара практически постоянны в широком интервале температур, причем с имеет отрицательное значение).Тогда20 Ы, ЬТ 1, - ЬТ 1Ь 1ж --1 -- (2)Р е йР При выполнении условия (1) 2 Ь 1 = 25 = -Ь 1 или 21 + 1 = сопят.Последнее равенство для указанных материалов имеет место в широком интервале температур.Датчик теплового потока работает 30 следующим образом.При прохождении через стенку измеряемого теплового потока по ее толщине возникает градиент температуры, Слои 1 и 2 стенки претерпевают тепловое расширение (сжатие), пропорциональное их температурам и коэффициентам о 6. В термонезависимых резистивных элементах 3, механически жестко связанных с крайними слоями 1, проявля ется тензорезистивный эффект, т.е. электрическое сопротивление К резистивных элементов 3 изменяется пропорционально тепловому линейному расширению слоев 1:ЬК = 1 К Е, где 1 - чув 45 ствительность, Е = ЬЬ/Ь = с(, ЬТ - относительное линейное расширение крайних слоев, Для таких материалов, как константан, нихром 1 с = 10 и остается постоянным в широком интервале темпе 50 ратур. Кроме того, К этих материалов практически не зависит от температуры (материал термонезависимый), что исключает возникновение дополнительной погрешности измерений при изменении температуры среды, в которой находится датчик.Таким образом, разность электрических сопротивлений резистивных элементов, расположенных на крайних слоях стенки, прямо пропорциональна разности их температур, а следовательно, плотности проходящего через датчик теплового потока и зависит от него линейно в широком температурном интервале. При этом толщина стенки датчика, равная 21 +1 , не зависит от температуры среды, в которой он находится, и плотности проходящего через него теплового потока в широком интервале изменения этих величин,Для повышения чувствительности датчика крайние слои следует вьптолнять из материала с возможно большимтак как ЬК-= Ы, ЬТ.Измерение разности сопротивлений резистивных элементов производится, например, по разности падений напряжений на них при прохождении через них измерительного тока или включении резисторов в мостовую электрическую схему.В примере конкретного исполнения датчик теплового потока размером 30 х 30 мм содержит трехслойную вспомогательную стенку, крайние слои 1 которой выполнены из алюминиевой фольги ( оС = 22,8 10 град ) толщиной 0,04 мм, средний слой - из инвара Ре-И-Со (о = -0,3 10 град ) толщиной 3,05 мм, так что выполняется условие (1).Алюминиевая фольга оксидировалась. Затем методом электронно-вакуумного напыления на нее нанесен слой константана толщиной 0,001 мм заданной конфигурации. При этом ширина каждой полосы элементов 3 и промежутки между ними равны 0,3 и 0,2 мм соответственно. Общая длина каждого резистивного элемента равна 1800 мм, электрическое сопротивление К = 1,5 кОм.Апюминиевую фольгу с нанесенными на нее реэистивными элементами наклеивали на средний слой вспомогательной стенки с помощью клея на основе кремнийорганических каучуков марки ЛЭТСАР, способного сохранять эластичность (липкость) в интервале температур от -60 до 250 С.ОВ качестве варианта организации теплового контакта и механического соединения крайних и среднего слоев использованы их взаимная фиксация с помощью специального прижимного устройства, достаточно плотно сжимающего756положных сторонах, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повыше ния точности измерения тепловых потоков большой плотности в широком интервале температур, теплопроводящая стенка выполнена трехслойной с воэможностью продольного относительного смещения слоев, при этом крайние слои выполнены из материала с положительным, а средний - с отрицательным коэффициентами теплового линейного расши - рения, причем отношение суммы толщины крайних слоев к толщине среднего слоя обратно пропорционально отношению абсолютных величин коэффициентов теплового линейного расширения этих материалов, а датчики температур выполнены в виде тензорезистивных элементов из термонезависимого материала,15150 слои в нескольких точках по поверхности и по всему периметру и допускающего их относительное продольное смещение на 0,5 мм.Технология изготовления и сборки датчика теплового потока проста, обеспечивает воэможность повторяемости его характеристик и взаимозаменяемости элементов конструкции. 10Перечисленные преимущества датчика теплового потока позволяют рекомендовать его для широкого использования в народном хозяйстве. 15Формула изобретения Датчик теплового потока, содержащий теплопроводящую стенку и датчики температур, расположенные на противо Составитель С, Василевскиидактор А.Маковская Техред Л.Олийнык Корректор Н,Король Заказ 6269/4 ираж 5 Подписно тениям и при ГКНТ СССР ИИПИ Государственного комитета по изо 113035, Москва, Ж, Р