Датчик теплового потока

О Л ИСАИ " Е Н ЗОБРЕ 1 Е К ИЯ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик и 875222 К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(51)М, Кл. Гооудзрстмниый комитет СССР по делам изобретений и открытий(53) УДК 536.629. .7 (088.8) Дата опубликования описания 23.10,81(7) Заявитель Институт технической тсплофизики АН Украинской ССР(54) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА процесса и используется в качестве инднка.тора.Известен датчик для измерения локальныхтепловых потоков, основанный на использовании термоэлектрического эффекта и содержа.ший дифференциальные термоэлементы с промежуточными термоэлектродами, образуюши.ми вспомогательную стенку и сосшшеннымипоследовательно, причем тсрмоэлсктрод каж.лого предыдущего тсрмо племена служит осцованисм для последующего 12,Этот датчик имеет низкую чувствительность,что делает его непригодным для измерениятепловых потоков малой и средней интенсивности, вырабатываемый им сигнал пропорци.опален среднеинтегральной по толщине датчи.ка плотности теплового потока, проходящегочерез него. Изобретение относится к области теплометрий и может, быть использовано для измерения тепловых потоков при стационарных и неста.ционарных теплообменных процессах.Известно устройство для измерения нестационарных тепловых потоков, содержащее две термоэлектрические батареи одинаковой чувствительности, включенныс навстречу друг другу по электрическому сигналу. В усло виях стационарного тсплообмсна суммарный электричсскик сигнал, вырабатьиисмый уст.1 о ройством, равен нулю.В условиях нсстацио.нарного теплообмена плотности теплового пото. ка, прошедшего через тспловоспринимающую и теплоотдающую поверхности устройства, бу.дуг отличаться между собой, так как часть тепла затрачивается на изменение его тепло содержания. Суммарный сигнал, вырабатывае.мый термоэлектрическими батареями, будет отличен от нуля,а знак и числовое значенйе20 сигнала соотвстствуюг направлению и величи.не изменения потока во времени, 1.Это устройство позволяет получать инфор.мацию только о наличии нестационарности Кроме того, характерна и низкая точность при измерении нестационарных тепловых пото. ков, так как в условиях нестационарного тсплообмсна плотности теплового потока, проходягцего через тепловоспрнннмающую и тепло5222 87 10 15 20 30 35 40 50 55 0(тэ(т тпзтут цовсрхтнсти датчика, цс ранцы меж.ду счц.Наиболее близким по технической сущностии постигаемому результату к изобретснию является высокочувствительный батарейный термо.электрический датчик теплового потока, содср.жзший батарею дифференциальных термоэлектрических элементов, выполненную из термо.эл ктротшой проволоки в виде плоской спирали, составленной из чсрсдуютцихся между собойцолувцгков, покрытых цзрцым тсрмоэлсктрод.цым мзтсризлом и цспокрытых, у которойместа переходов от .,спокрытого участка к покрытому рзсположсцы в параллельных плос.костях, рзшксццых ца толщину тсрмобзтзрси,подключсццун к регистрирующему ттрбор 31.Этот датчик теплового потока имеет высокую чувствительность, что позволяет испольэовать его длл измерений тепловых потоков це только высокой, но и малой ицтецсив.ности, Вырабатываемый таким многоспайнымдатчиком сигнал пропорционален средцеицтегрзльной по толщине датчика плотности теплового потока, а постоянная времени в зависимости от толщины датчика, его теплофизичсских характеристик и формпараметра составляет 1 - ЗО с, но в отдельных случаях можст достигать,120 с, что приводит к значи.тельной длительности измерения. стационарныхтепловых потоков и возникновению динамической погрешности при измерении нестационарцых тепловых потоков.Цель изобрстсция - увеличение быстродействия и повьццецие точности измерений,Поставленная цель достигается тем, что визмерительную цепь датчика теплового потокапоследовательно цо электрическому сигналу симеюцтейся тсрмобатарсей включена корректирующая, у которой все лолувитки термоэлект.родной провпоки прерывистого покрыты парным тсрмоэлскгродцым материалом, причем,расстояния для каждого полувятка междуплоскостями, в которых расположены местапереходов от непокрытого учзстка к покрыто.му, выбраны равными, одинаковы, д рдсстоя.ция мстэту плоскостями, в которых расположены "горячие спзи" чередующихся по, лувитков корректируюшсй термообработки итолщина термобатарси т связана соотношением,На фиг. 1 изображена схема датчика теплового потока, содержащего основную и коррек. тирующую термобатареи; на фиг, 2 - схемы покрытия парным термоэлектродным материалом полувитков термоэлектродцой проволоки основной (ст ) и коррсктирутощсй термобатареи (б, 8, .); нд фиг. Э - .изменение , сигналов осцвной термобатзреи и датчика теплового потока в здяисимэсти т =О (крите. рцй 1 урт с) цри сктчкооГ 1 тт:этом изменении теплового потока: на фиг, 4 - измсцсцис сигцдлд коррсктирутоцтей термобатареи в зави.с;ьтости от Р,э, расстояния между местамипереходов от ттспокрт.ттого участка к покрыто.му и количества витков термоэлсктроднойттроволоки при скачкообразном изменении теп.лового потока. Датчик теплового потока (Фнг. 1) содсржит пвс тсрмоэлсктричсские батареи, основ.ную 1 и корректирующую 2, которые вклю. чсцы последовательно по электрическому. сигнзлу в измсритсльнуэо цепь с вторигным ре. гистрируюшим прибором 3,Основная термоэлектрическая батарея (фиг.Ф) выполнена в виде плоскон спирали, составлен. ной из чередующихся между собой полувит. ков 4, покрытых парным тсрмоэлсктродным материалом, и 5, непокрытых, у которой места переходов от непокрытого участка к покрытому расположены в параллельных плоскостях 1 и 1, разнесенных на толщину тср.мобатдрси И .25 Коррсктирутошая термоэлектрическая батарея (фиг. 2 э, в Ъ) имеет такую же толщи.ну И, что и основная, но у цсс каждый дполувиток покрыт парным термоэлектродным материалов. Однако покрытие выполнено прерывистым, расстояние между плоскостями1 и 11, 111 и 1 Ч, в которых расположены мес.та переходов от непокрытого участка к по.крытому, выбрано равным, Расстояние 0 меж. ду плоскостями 1 и 111, в которых расцоло. жены"горячие спаи", образованные местами переходов от непокрытого, участка к покрытому, больше нуля и меньше толщины термо. батареи , В частном случае (фиг, 2 Ь иъ) . плоскости 11 и 111 могут совпадать, но при этом должно соблюдаться условие Ос Ь (1 э Таким образом, каждый виток термоэлскт.родной проволоки образует своеобразную па. ру включенных встречно по электрическому сигналу дифференциальных тсрмоэлемсцтов, вырабатывающих ТЭДС только при прохождении черсз датчик изменяющегося во врсмени теплового потока, или в .случае, когда плот. ность теплового потока, прошедшего через тепловоспринимающую поверхность. отличается от тлотцости теплового потока, .трошедтцего через теплоотдаюшую поверхность. При про. хождении через корректирующую тсрмобатарсю стационарного теттэтовог 9 ттотока суммарный сигнал, вырабатываемый вселтт се тсрмоэлементами, равен нулю.Датчик может быпть исцоль:эолзц для изме. рсция как в случае стационарного, тдк и в случде цсстациоцдрцото тсцлооблтсца, 11 ри и, мерснии устацовцншсгося в тртстрттсгве и875222 30 35 40 45 50 то же при установившемся значенииО3теплового потокаГО 31На фнг, 3 приведены динамические харак. тсзцстики ос 11 овцой тсрмобатареи (кривая 1).й 1 я п 11 В 1 ь 1 п 1 еция дитчиР,й теплового пОтО. ка из зпсрцочпчсского звена с постояннои времени Го в бсэццерциоццое, путем включения в измерительную цепь корректирующего з 11 еца, необходимо, чтобы сигнал, вырабатываемой этим звеном был пропорционален (1 - ) (кривая 1 на фиг. 4). Сигнал, вырабатываемый описанной корректирующейГотсрмобатарссй, начиная с некоторого зцачеция о, удов 11 с 1 вор 11 ст этому условгно.11 ри ус 1 П 1 впп, что тогп 1 гиц 1 тсрмо 6;п,1 рси эцдчспцс формпа 1 х 1 мст 1 х 1, м есриалтсрмо. э 11 сктродцой проволоки и покрытия, тсцлофи. зическис характеристики и число витков тер. моэлсктродцой проволоки одинаково для корректирующей и основной термобатарей, ТЭДС корректирующей термобатареи можно расчитывать по формуле, полученной с помощью равенства (2) и. (3) где Я - ТЭДС корректирующей термобата.Креи при любом значении;Оо - то же, основной термобатареи приустановившемся значении тепловогопотока (РОЪХ );. Хи Х 3 - расстояния от тепловоспринимающейповерхности к плоскостям, в котоЭ Ирых расположены горячие спаиполувитков корректирующей тер.мобатареи (отнесенные к ее толщине 11);Хи Х 4 - расстояния от тепловоспринимаю.щей поверхности к плоскостям, вкоторых расположены "холодныеснап" полувитков (отнесенные ктоцп 1 ине И )Следует заметить, чтоХ 1+се Х+с 1Хп= "-Х+дХ - =Х 3 де( ,1Х 4-Х: - = 8ЬТ 1Исходя иэ этого, уравнение (5) можетбыть преобразовано к видуЕ., А Х.Х,+ДХ-("1) -- 51 тР 11 - 310/Ап(1- Р ВО П:1,14 1(ь 2 х Б 1 п,ип ехР (-/ го) П55где А - расстояние между плоскостями, вкоторых расположены места перехода от непокрытого участка к по. 8крытому длякаждого полувитка (отнесенное к толщине тсрмобатареи);В - расстояние между плоскостями, вкоторь 1 х расположены "горячие спаи" чередующихся полувитков,Из анализа уравнения (6) следует, что корректирующая термобатарея генерирует сиг. нал только в том случае, если для каждого полувитка расстояние а между плоскостя. ми, в которых расположены места перехода от непокрытого участка к покрытому, и расстояние Ь между плоскостями, в которых расположены "горячие спаи" термобатареи,.отличны от нуля, т.е,О )О и Ь 011 а фцг, 4 приведены крипыс иэмсцсция вс 1111 пц 118 Х/8 О и зависимости от Го ДпЯ коррсктирунццсй тсрмобатарси при условии б = Ь: 0,5 И (кривая 2),ст= Ь = 0,33 М (кривая 3). При этом числе витков термо. электродной проволоки у основной и корректирующей термобатареи одинаково. Из анали. за полученных решений следует, что для улуч. щения коррекции сигнала основной термобата. рси необходимо, чтобы число витков и коррсктиру 1 ощсй тсрмобатарси бьело больше числа витков в основной. Отцошсццс числа вит. ков в корректирующей тсрмобатарси ПК к числу витков в основной - по определяют по формуле На фиг. 4 приведены кривые изменения величины Оц /Оо в зависимости от о длякорректиру 1 ощих термобатарсй с О= Ь: 0,5 ет при п 1/ио 2,2 (кривая 4), и сф се Ь= Ь . -0,33 при пх/пр 4,0 (кривая 5), которые на. . глядно показывают, что с некоторого значения Рп сигнал корректирующей термобатареипрактически полностью компенсирует "недобор" сигнала основной термобатаоеи.На фиг; 3 приведены динамические харак. теристики предлагаемого устройства для дат.чиков с корректирующими термобатареями с(э= 12= 0,5 1 т ипи/по 2,2 (кРиваЯ 2) и с а= Ь = 0,33 И и п 4,0 (кривая 3), ко. торые показывают, что с введением в иэмсри. тельную цепь корректирующей тсрмобатарси динамические характеристики устройства улуч. шаются.Кроме аналитических исследований возмож. ностей улучшения динамичсских характерис. тик датчика теплового потока бьшц проведс. ны испытания опытных образцов,датчика.С этой целью были изготовлены опыгцыс образцы с б: Ь= 0,5%1, исць 1 тацис которых показало, что время достижении 0.98 ЕО у датчика теплового потока с коррскецрукцией термобатарсей сцизипос 1 бонсс 1 чсм и 1,з рдэ875222по сравнению с основной тсрмобатаресй это.го жс устройства, что позволит умсньцнтьдинамическую погрешность измерений в неста.ционарлых условиях теплообмена, и следова.тельно, повысить точность получаемой инфор 4мании.Кроме того, датчик позволяет сократитьпродолжитсльноть измерений стационарныхтепловых потоков в 5-10 раз по сравнениюс базовым.1 ОФормула изобретенияДатчик теплового потока, содержащий батарсю дифференциальных термоэлектрическихэлементов, выполненную из термоэлектроднойпроволоки в виде плоской спирали, составлен.ной из чередующихся между собой полувит.ков, покрытых парным термоэлектроднымматериалом и непокрытых, у которой местапереходов отнепокрытого участка к покры.тому расположены в параллельных плоскостях,. разнесенных на толщину термобатареи, под-ключенную к регистрирующему прибору, о т 10лича ющнйся тем.что,сцельюувеличения быстродействия и повышения точности измерений, в измерительную цепь даг 1 и.ка теплового потока, последовательно по элект.ричсскому сигналу с имеющейся термобатареей включена корректирующая, у которой всеполувитки тсрмоэлектродной проволоки прерывисто покрыты термоэлсктрчв 1 ым материалом,причем расстояния для кажного полувнткамежду плоскостямн, в которых расположеныместа переходов от непокрытого участка к по.крытому, выбраны равными, а расстояние Ьмежду плоскостями, в которых расположены"горячие спаи" чередующихся полувнтков кор.ректирующсй тсрмобатарси, и толщина термобатареи, Ф 1 связана соотнон 1 ением О( с ФЪИсточники инфорюлии,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР К 4 502242,кл, 6 01 К 17/08, 1974.2, Авторское свидетельство СССР И 4 159048,кл. 6 О К 17/08, 1962.3, Геращенко О. А. Основы теплометрии.Киев., "Наукова Думка,1971, е.90 - 103,(прототип).875222 Гм е,075 ОЖ 021 075 ига Составитель Н,. ГоршковаТехред Л.Савка Ко рректор У, Пономаренк Редактор В, Еремее Тираж 910зрствениого кзобретений иЖ-З 5, Рауигск ВПИИПИ Го по делам 35, Москва,Филиал 1 П 11 "Пагент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 Заказ 9321/66с Подписномитета СССРткрытийя наб., д. 4/5