Датчик теплового потока

 

ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА, содержащий теплоприемный элемент с размещенными в нем основной и корректирующим термобатареями, расположенными следующими один за другим слоями и соединенными последовательно , отличающийся тем. что, с целью повышения точности измерений нестационарных тепловых потоков , основная и корректирующие термобатареи ямполнены одинаковой толщины , при этом каждые две рядом размещенные термобатареи включены встречно , а количество содержащихся в каждой термобатарее дифференциальных термопар определяется по формуле ffl Uiili u-oibu-v.k где i - порядковый номер термобатареи , начиная с основной; k - целая величина, меняющаяся от i до (Т1;и т - общее количество размещен (Л ных в теплоприемном элементе термобатарей. со 00 со ш4 4

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„Я0„„14 А (50 G 01 К 17/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ / "

К ABTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ :: /

m! m (k 1))

N = 7.

«6-)! ы (k- )1 (21) 3440778/18-10 (22) 20.05.82 (46) 23.05.84. Рюл. Р 19 (72) Ю.A.Ïøåíè÷íîâ (71) Красноярский политехнический институт (53) 536.532(088 ° 8) (56) 1. Геращенко О.A.oñíoâû теплометрии. Киев, "Наукова думка", 1971, с.87-88.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 502242, кл. G 01 K 17/08, 1974. (54) (57),ПАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА, содержаний теплоприемный элемент с размещенными в нем основной и корректирующим термобатареями, расположенными следующими один за другим слоями и соединенными последовательно, отличающийся 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 в каждой термобатарее дифференциальных термопар определяется по формуле где i — порядковый номер термобатареи, начиная с основной; целая величина, меняющаяся от i mom; С а — общее количество размещенных в теплоприемном элементе термобатарей.

1пч . l91 4

Изобретение относится к тепловым измерениям и может найти применение в энергетике, металлургии, строитель ной теплофизике, геофизике и в экспериментальных исследованиях теплообмена при изменении как стационарных, так и нестационарных тепловых потоков.

Известны датчики теплового потока содержащие размещенную в теплоприемном элементе термобатарею, образо- 10 ванную из дифференциальных термопар (1) .

Однако эти датчики не обеспечивают высокой точности измерений нестационарных тепловых потоков. 5

Наиболее близким к 4 эобретению по технической сущности является датчик теплового потока, содержащий теплоприемный элемент с размещенными в нем основной и корректирующими термобатареями, расположенными следу. ющими один за другим слоями и соединенными последовательно t2j .

Однако известнь;й датчик не позволяет измерять постоянную составляющую теплового потока. Кроме того, точность измерения -переменной составляющей теплового потока также недостаточно высока.

Целью изобретения является повншение точности измерения нестационарных тепловых потоков.

Поставленная цель достигается тем что в датчике теплового потока, содержащем теплоприемный элемент с размещенными в нем основной и 35 корректирующими термобатареями, расположенными следующими один за другим слоями и соединенными последовательно, основная и корректирующие термобатареи выполнены одинаковой 4р толщины, при этом каждые две рядом размещенные термобатареи включены встречно, а количество содержащихся в каждой термопаре дифференциальных термопар определяется по формуле 45 где i — порядковый номер термобатареи50 начиная с основной;

V целая в ел ичи н а, ме н яющая ся! от дот;

rrl — общее количество размещенных в теплоприемном элементе термобатарей.

На фиг. 1 схематично изображен вариант предлагаемого датчика, использующий две корректирующей,термобатареи (я=3); на фиг. 2 — график 60 зависимости ЭДС от времени основной термобатареи, первой .корректирующие второй корректирующей, а также суммарных ЭДС от времени цепи из основной и первой корректирующей термоба. 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 ь 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 6, 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 6, 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 и противоположна полярности ЭДС первой корректирующей 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 дифференциальных термопар. Таким обра.зом, высокая степень пропорциональности суммарной

ЭДС (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«1 <ч)1

11 е й1<

Повышение точности измерения теплового потока с помощью предлагаемого датчика по сравнению с известным обусловлено размещением термобатареЯ в теплоприемном элементе и их соединением в электрическую цепь в таком порядке и с таким. коли- 15 чеством дифференциальных термопар в каждой из термобатарей, когда ЭДС< вырабатываемая датчиком, т.е. цепью термобатарей, пропорциональна градиенту температурного поля на тепловоспринимающей поверхности теплоприемного элемента, определяемому по формуле численного дифференц<ирования 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 вытекает из закона теплопроводности Фурье (1) 35 где — время; h — коэффициент теплопроводности материала, из которого выполнен теплоприемный элемент; 40

1(х, )- температурное поле теплоприемного элемента;

Х вЂ” координата, отсчитываемая от тепловоспринимающей поверхности теплоприемного элемента. 45

Из формулы (1) следует, что для нахождения теплового потока <)(Ъ) необходимо знать производнук температурного поля при К =О.

Обозначим через Г <,Fg,...,Е,« значения ЭДС термопар, измеряющих температуры t,„, t,...,t < в плоскостях с координ-тами X =0 ьх

2 ьх,...,«<лх соответственно, где хх — расстояние между двумя соседними плоскостями. Тогда можно записать формулу численного дифференцирования ах„-о ж „, Я„, - "

«««х "Е<

i — — +...+(-1) где F, — значение ЭД<" термопар1,измеряющей температуру t

= Е(Ч <<<<< YYl t < (<<<< 1) Ю n< «

E,,tÄ +«) Е< абсолютная погрев<ность вычислен< я

8t М!

Т ГЕ) <х 17() и 11Е К«<

Х „ )„11Х«<.;=, I ьЕ, = Е„,„- E< ! где

«1I m (Х..<)1 («- ) 1<: () - )! k

Из формул (3) и (4) следует, что если < -ю термобатарек< составить из

Й,дифференциальных термопар и если в общей электрической 1;епи ее включить встречно (<-1) -1. и (<+1) -й термобатареями, то ЭДС электрической цепи, составленной из Й таких термобатарей, пропорциональна тепловому потоку<1, ), причем степень пропорциональности тем вьпае, чем большее число термобатарей используется в конструкции датчика, так как с ростом <т< уменьшается погре<<носTb вычисления производной ® х. =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

Фиа2

Составитель Р. Андрианов

Редактор 0«Черниченко Техред М.Тепер Корректор А«ференц

Закаэ 3413/33 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытиЯ

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

« «%

Филиал ЛПП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4