Датчик теплового потока

Оп ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскииСоциапистическимРеспублик 11892239 6 ) Дополнительное к авт. свид-в 2) Заявлено 17, 07,80 (21) 2945952/18- 0присоединением заявки Я32 а опубликования описания 23.12.8 Авторыбретения Е,А,Максимов и М.В.Страдомскии изики АН Украинской ССР(54) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА погрешности в потока.дноэлементный област зобретение относитс полнительной,нии тепловогИзвестентеплового пособой базову иэмер теплофизических измерении,Известен датчик теплового пото ка, представляющий собой базовую пластину, в которой на разной выс те просверлены два радиальных отверстия и в них установлены термо пары, разность температур термопа пропорциональна проходящему через пластину тепловому потоку 111,атчикющий редста о астину с отверстиаренным й сварк ем и при контактн к неи, напримей, по кромке овывод второготороны пластины ертия электродом рода со второй ле о может бы и первогОднак в такои кзможно точ нструкции да о определить вки термопаконечного ра Однако для этоерна невозможнос харак- опреспая электак каксварки к ик глубину заделки го ры в пластину иэ-з точно положени еления ме трод - пластина ппри осуществлении по кромке отверст етра свер вызывает мера диапару, чтизмеренипотока. ния под т глубине,онтактной грешность в ного теплового контакттяженнос нестациона т неконтролируемую прглубине. При устанопробку, являющуюсядом, местом спая явприварки, температурстах которой может оме того,ежный тепл о обестезры ить ке пластины на оловк м элек ермопарыного нар существенпластины,температу а ется вся в разных ь различ что приво а,го поля пластины до Гооударстееииыи комитет СССР по делам изобретений и открытийневозможно оной конта ппастиной ния структ ит к искаж осуществлен так же, каС 2 З.892239 10 15 20 25 30 35 40 45 результате в измерение вносится неконтролируемая погрешность.Известен также датчик тепловогопотока содержащий холодильниквыполненный из материала с высокой5теплопроводностью, тепловоспринимающую пластину из материала с оченьнизким коэффициентом теплопроводности и расположенный между нимиэлектроизоляционный слой. На противоположных гранях тепловоспринимающей пластины установлен ряд дифференциальных микротермопар 3 1.Недостатками такого датчика явля"ются непригодность его для измерения нестационарных тепловых потоковиз-за большой инерционности тепловоспринимающего слоя, значительнаяпогрешность в измерении локальногостационарного теплового потока, который в действительности квазистационарный как во времени, так и в пространстве, и при .неоднородности егоплотности по площади датчика из-забольшого термического сопротивлениятепловоспринимающего слоя измеренийперепад температур на нем будет соответствовать некому фиктивному тепловому потоку, причем погрешность в из -мерении перепада температур увеличивается за счет перетока тепла попроводам термопары от спая, расположенного на наружной поверхности пластины, к спаю на внутренней ее стороне, непригодность датчика для измерения в средах с повышенной температурой из-за низкой жаростойкоститепловоспринимающей пластины и дляизмерения больших тепловых потоков,например 10 -10 Вт/м из-за ограни 5 Ь 0.ченных возможностей водяного охлаждения, Кроме того, к недостаткамдатчика относится сложность и громоздкость его конструкции из-за специального водяного охлаждения, нали-.чие штуцеров, подводящих трубок, запорной арматуры и потребность в специальной обработке хладагента.В известных датчиках чувствительным элементом является пластина, коэффициент теплопроводности материалакоторой известен. При обеспеченииодномерности температурного поля всерединной зоне пластины перепад температур на ней является величиной,пропорциональной плотности теплового потока через пластину.Наиболее близкой к предлагаемойпо технической сущности и достигаемому результату является конструкция датчика, в которой использована модель полубесконечного пространства, при этом для измерения нестационарного теплового потока применена поверхностная термопара, представляющая собой цилиндр из одного термопарного материала, встроенный в него аксильно и изолированный по образующей электрод из другого термопарного материала, соединенныймежду собой металлической пленкой на тепловоспринимающей поверхности Г 4.К недостаткам этого датчика следует отнести невозможность измерения стационарных тепловых потоков а также погрешность, вызываемую неоднородностью температурного поля в деталях и их конечными размерами.Целью изобретения является павы" шение точности и расширение диапазона измерений стационарных и импульсных локальных тепловых потоков переменной во времени плотности при высоких температурах стенки.Укаэанная цель достигается тем, что в датчик теплового потока, содержащий поверхностную термопару, образованную цилиндром и размещенным в нем аксиально и изолированным от него электродом, соединенными между собой поверхностным слоем, введен термастабилизированный элемент, выполненный в виде металлической пластины с изолированной боковой поверхностью, размещенный между поверхностным слоем и цилиндрам, и дополнйтельный электрод, размещенный аксиально в цилиндре и электрически изолированный от него, контактирующий с термостабилизированным элементом и образующий в паре с первым электродом дифференциальную термопару со спаями в фиксированных точках на противоположных поверхностях термостабилизированного элемента, причем термоэлектрический коэффициент материалаиз которого выполнены цилиндр,поверхностный слой и электроды, отличен от термоэлектрического коэффициента материала термостабилизированного элемента.,Геометрические размеры пластины .теплометрического элемента) характеризуются отношением - =1 10 где а - толщина. пластины; д - диа3 6 и 5 8 метр пластины, который выбирается лз условий распределения локальных тепловых потоков по площади и обычно принимается в пределах 10 мм; Боковая поверхность пластины изолирована и через нее практически отсутствует теплообмен, что обеспечива" ет ее термостабилизацию и распределение температур в пластине, близкое к равномерному при измерении импульсных тепловых потоков. Электроды термопары пропущены по нормали через цилиндр, причем первый из них соединен с наружной поверхностью термостабилизированного элемента поверхностным слоем, дополнительный соединен с внутренней поверхностью пластины, образуя на ее гранях спай дифференциальной термопары, что исключает неопределенность в глубине заделки электродов и влияние на результаты измерений оттока тепла по электродам.На чертеже показана схема датчика теплового потока,Датчик теплового потока содержит цилиндр 1, выполненный из жаростойкого материала с хорошей теплопроводностью, например из чистого никеля, термостабилизированный элемент 2, выполненный, например, из константана и расположенный между поверхностным слоем и цилиндром, никелевый поверхностный слой 3, два никелевых электрода 4 и 5 в виде стержней электрическую изоляцию электродов 6.Датчик теплового потока работает следующим образом. 92239 Ь т,сированных точках обеспечивает высокую точность определения плотности теплового потока, пропорционального этой разности температур., В связи с тем, что амплитуда коле" бания температур на поверхности полубесконечного константанового стержня достаточно быстро затухает и уже при частоте колебания 50-60 Гц на глубине 1 мм составляет 1% от амплитуды колебания на глубине О,1 мм, то реали; зованный принцип полубесконечного тела в конструкции предлагаемого датчика обеспечивает надежное измерение не только стационарных, но и высокочастотных импульсных тепловых потоков, что позволяет на 30-357. повыситьточность измерения плотности тепловых потоков за счет использованияв датчике термостабилизированного эле-,мента с температурным полем, близким к одномерному, которое формируетсяпри отсутствии растечек тепла за счет изоляции боковой поверхности пластины и обеспечения равномерного стокатепла через ее внутреннюю поверхностьв хорошо теплопроводящий цилиндр датчика, Причем спаи дифференциальной термопары на противоположныхгранях термостабилизированного элемента обеспечивают четкую фиксацию места контакта при одновременномисключении влияния оттока тепла по электродам на результаты измерения. З Датчик теплового потока может быть использован как для научных исследований и испытаний натурных устройств различного назначения, так идля оперативного контроля теплово Тепловой поток, падающий на датчик за счет теплопроводности поверхностного слоя 3 и термостабилизированного элемента 2, поступает в металлический цилиндр 1, который обеспечивает сток тепла в датчике. При этом термическое сопротивление термостабилизированного элемента 2 вызывает разность температур на его гранях, которая пропорциональна плотности теплового потока, проходящего через термостабилизированный элемент 2 и измеряется дифференциальной термопарой, образованной электродом 4, термостабилизированным элементом 2 и электродом 5. Поскольку в термостабилизированном элементе 2 достигается с заданной погрешностью одномерность температурного поля, измерение температуры на его гранях в двух строго фик го состояния. деталей энергетических установок в процессе эксплуатации,40 а также в качестве одного из элеменвновь создаваемых энергетическихдвигателей и установок. Формула изобретения Датчик теплового потока, содержапдй поверхностную термопару, образованную цилиндром и размещенным в нем аксиально и изолированным от него электродом, соединенными между собой йоверхностным слоем, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и расшитов в системе автоматизации измерений при экспериментальных исследова" 4 ниях теплонапряженности деталей1 О 20 Составитель Н.ГоршковаРедактор И.Николайчук Техред Л.Пекарь Корректор Е.Рошко Тираж 910ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 Подписное Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4 рения диапазона измерений стационар-.ных и импульсных локальных тепловых потоков с переменной во времени плотностью при высоких температурах стенки, в него введен термостабилизированный элемент, выполненный в виде пластины с изолированной боковой поверхностью, размещенный между поверхностным слоем и цилиндром , и дополнительныйэлектрод, размещенный аксиально вцилиндре, электрически"изолированный от него, контактирующий с термостабилизированным элементом иобразующий в паре с первым электродом дифференпиальную термопару соспаями в фиксированных точках напротивоположных поверхностях термостабилизированного элемента, причем термоэлектрический коэффициентматериала, из которого, выполнены 892239 8цилиндр, поверхностный слой и электроды, отличен от термоэлектрического коэффициента материала термостабилизированного элемента. Источники инфбрмации,принятые во внимание при экспертизе1. Черноголовов А.И. Приборыдля измерения потоков тепла в высокотемпературных печах. - "Заводскаялаборатория", 1949, 15, 2.2, Геращенко О.А. Основы теплометрии. Киев, "Наукова думка", 1971,с. 192.3. Авторское свидетельство СССР9 705281, кл. 6 01 К 17/08, 1979.4. Овсянников М.К., Волонков В,А.Методика экспериментального и лучистого теплопотоков в стенки деталей ЦПГ. - "Энергомашиностроение",1973, 4, с. 38-40 (прототип),