Датчик теплового потока

(50 0 01 К 17/08 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ / "К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ/ Л, В (-1м= 7- 6-) :, -)1 к(56) 1. Гераценко О.А.Основы теплометрии. Киев, "Наукова думка", 1971, с.87-88.2. Авторское свидетельство СССР Р 502242, кл. 0 01 К 17/08, 1974.(54)(57),ПАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА,.содержащий теплоприемный элемент сразмещенными в нем основной и корректирующим термобатареями, расположенными следуюцими один за другимслоями и соединенными последовательно, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности измерений нестационарных тепловых пото"ков, основная и корректирующие термобатареи выполнены одинаковой толщины, при этом каждые две рядом размещенные термобатареи включены встречно, а количество содержащихся вкаждой термобатарее дифференциальных термопар определяется по Формуле где 1 - порядковый номер термобатареи, начиная с основной;целая величина, меняющаясяот 1 доя;Рв - общее количество размещенных в теплоприемном элементетермобатарей.Изобретение относится к тепловымизмерениям и может найти применениев энергетике, металлургии, строительной теплофизике, геофизике и в экспериментальных исследованиях теплообмена при изменении как стационарных, так и нестационарных тепловыхпотоков.Известны датчики теплового потокасодержащие размещенную в теплоприемном элементе термобатарею, образованную из дифференциальных термопар 1 .Однако эти датчики не обеспечивают высокой точности измерений нестационарных тепловых потоков. 15Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности являетсядатчик теплового потока, содержащийтеплоприемный элемент с размещеннымив нем основной и корректирующимитермобатареями, расположенными следующими один за другим слоями и соединенными последовательно 2 .Однако известнь;й датчик не позволяет измерять постоянную составляющую теплового потока. Кроме того,точность измерения .переменной составляющей теплового потока такженедостаточно высока,Целью изобретения является повншение точности измерения нестацио- З 0нарных тепловых потоков.1Поставленная цель достигается темчто в датчике теплового потока,содержащем теплоприемный элементс размещенными в нем основной и 35корректирующими термобатареями, расположенными следующими один за другим слоями и соединенными последовательно, основная и корректирующиетермобатареи выполнены одинаковой 40толщины, при этом каждые две рядомразмещенные термобатареи включенывстречно, а количество содержащихсяв каждой термопаре дифференциальныхтермопар определяется по формуле 45ви Щ 1-11й--Ц ., -М. где 1 - порядковый номер термобатареиначиная с основной;целая величина, меняющаясяот 1 дою;п 1 - общее количество размещенныхв теплоприемном элементе 55термобатарей.На фиг. 1 схематично изображен вариант предлагаемого датчика, использующий две корректирующей,термобатареи (в=3); на фиг. 2 - график 60 зависимости ЭДС от времени основной термобатареи, первой корректирующие второйкорректирующей, а также суммарных ЭДС от времени цепи нз основной и первой корректирующей термоба 65 тарей и цепи из основной и двух корректирующих термобатарей,Датчик содержит теплоприемный элемент 1, основную 2 и корректирующие 3 и 4 термобатареи, тепловоспринимающую поверхность 5.Рассмотрим работу варианта предлагаемого датчика, (фиг. 1), когда измеряемый тепловой поток в нулевой момент времени д мгновенно изменяется от нуля до некоторого значения и в дальнейшем остается постоянным.В первые моменты теплового воздействия нагреваются только сваи основной термобатареи 2, примыкающие к тепловоспринимающей поверхности 5 теплоприемного элемента 1, и основная термобатарея 2 вырабатывает ЭДС кривая б, фиг. 2) , пропорциональную разности температуры тепловоспринимающей поверхности 5 теплоприемного элемента 1 и температуры на стыке основной .2 и первой 3 корректирующей термобатарей, Через некоторое время тепловое возмущение достигает примыкающих к основной термобатарее 2 спаев первой корректирующей батареи 3, которая начинает вырабатывать ЭДС кривая 7, фиг.2)противоположную по полярности к ЭДС основной термобатареи 2. При этом данная ЭДС частично корректирует ЭДС (кривая б, фиг. 2) основной термобатареи 2. Через некоторое время становится отличной от нуля ЭДС кривая 8, фиг. 2) второй корректирующей термобатареи 4, полярность которой совпадает с полярностью ЭДС основной термобатареи 2 ипротивоположна полярности ЭДС первойкорректирующей термобатареи 3. ЭДС второй корректирующей термобатареи 4 дополнительно корректирует суммарную ЭДС кривая 9, фиг. 2 основной 2 и первой 3 корректирующей термобатарей.Когда датчик выходит на стационарный режим, основная 2 и корректирующие 3 и 4 термобатареи вырабатывают неизменяющиеся во времени ЭДС и суммарная ЭДС этих термобатарей, содержащих соответственно количество 11,7 и 2 дифференциальных термопар, становится равной ЭДС основной термобатареи 2, в которой использовалось бы 11-7+2=6 дифференциальныхтермопар. Таким обра.зом, высокаястепень пропорциональности суммарнойЭДС (кривая 10, фиг. 2 ) , вырабатываемой датчиком, объясняется тем, что в начале действия теплового потока ЭДС основной термобатареи 2, которая в это время практически совпадает с суммарной ЭДС трех термобатарей, формируется большим числом дифференциальных термопар, чем это нужно для измерения стационарного теплового потока, а в даль11 ЕИ 1 ГЕГЛ ПО МЕРЕ ПрИОЛИжЕНИя К С 1 а 1 Ионарному режиму это превы 111 ение последовательно компенсируется корректирук 1 щими термобатареями 3 и 4 ЭДС которых начинают вырабатываться с некоторым запаздыванием, вследствие их расположения на больших расстояниях от тепловоспринимающей поверхности б теплоприемного элемента 1.Повышение точности измерениятеплового потока с помощью предлага емого датчика по сравнению с известным обусловлено размещением термо- батареЯ в теплоприемном элементе и их соединением в электрическую цепь в таком порядке и с таким. коли чеством дифференциальных термопар в каждой из термобатарей, когда ЭДС вырабатываемая датчиком, т.е. цепью термобатарей, пропорциональна градиенту температурного поля на тепло- воспринимающей поверхности тепло- приемного элемента, определяемому по формуле численного дифференцирования функции, представляющей собой распределение температуры по толщине теплоприемного элемента, измеренное в конечном числе плоскостей, в которых располагаются спаи термопар. Требование пропорциональности ЭДС, вырабатываемой датчиком, градиенту температурного поля вытекаетиз закона теплопроводности ФурьеЯХДР=- а1,1) 35где ь времяЭ - коэффициент теплопроводностиматериала, из которого выполнен теплоприемный эле-мент; 40 1(х,)- температурное поле теплоприемного элемента;Х - координата, отсчитываемая оттепловоспринимающей поверхноститеплоприемного элемента. 45Из формулы (1) следует, что для нахождения теплового потока Г(Ъ) необходимо знать производную температурного поля при Х =О.Обозначим через Г 1,Г ЕГО 1 значения ЭДС термопар, измеряющих температуры 1, 11 в плоскостях с координатами Х =О,ЬХ 2 ьх щ лх соответственно, где Х - расстояние между двумя соседними плоскостями. Тогда можно записать 55 формулу численного дифференцированияИз формул (3) и 1,41 следует, что если-ю термобатарек составить из ГГ,дифференциальных термопар и если в общей электрической 1;епи ее включить встречно (1-1) -1 Г и +1) -й термобатареями, то ЭДС электрической цепи, составленной из Гч таких термо. батарей, пропорциональна тепловому потоку 1,), причем степень пропорциональности тем вьпГГе, чем большее число термобатарей используется в конструкции датчика, так как с ростом т уменьшается погреГГность вычисления производнойх, =О. При выполнении данного требования достигается максимальная точность измерения теплового потока. Так как точность формулы (2) численного дифференцирования повышается с увеличением числа плоскостей, в которых измеряется температура, т.е. числа измерений температуры по толщине теплоприемного элемента, с ростом количества корректирующих термобата рей происходит увеличение точности измерения теплового потока.1093914 акаэ 3413/33 Тираж ВНИИПИ Государственно по делам иэобретен 113035, Москва, Ж23 Подго комитета СССРВ и открцтиЯРаушская наб., д.4/5 писно П фПатент",. Ужгород, ул, Проектн лиа Составитель Р.АндриановРедактор О.Черниченко Техред М.Тепер Корректор А.ферф