Устройство для определения вектора теплового потока в массиве дисперсного материала

 

Сущность изобретения: устройство содержит три датчика теплового потока, вставленных в плоские квадратные рамки, образующие трехгранный каркас в виде пирамиды , в которой вместо боковых ребер имеются зазоры шириной S. выбираемые в пределах 5-50 мм, а также трубчатую штангу , соединенную нижним концом с вершиной каркаса. Рамки каркаса имеют по одному выступу длиной S в вершине каркаса для крепления к нижнему концу штанги и по два выступа в основании каркаса J21 длиной у 2 S для крепления рамок друг к другу. Батареи дифференциальных термоэлементов размещены в датчиках симметрично относительно продольной оси. рамок, токосъемные провода датчиков соединены по схеме звезда и выведены через штангу к измерительному прибору. Датчики могут быть прикреплены к рамкам с помощью попарно перекрещенных упругих нитей. 1 з,п. ф4лы. 3 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э G 01 К 17/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4884295/10 (22) 21.11.90 (46) 23.10.92. Бюл. М 39 (71) Киевский технологический институт пищевой промышленности (72) В,П. Агафонов, В,Н. Пахомов, B,Ã. Федоров, P.M. Бпясан, А.Г, Коротченко, З,С.

Салихов, Л,С. Чугунов, Н.В. Михайлов и Р.M.

Минигулов (56) 1. Авторское свидетельство СССР

М 218493, кл. 6 01 К 17/08, 1966.

2. Авторское свидетельство СССР

N 964485, кл. G 01 К 17/08, 1980, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ВЕКТОРА ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В МАССИВЕ ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА (57) Сущность изобретения: устройство содержит три датчика теплового потока, вставленных в плоские квадратные рамки, образующие трехгранный каркас в виде пиИзобретение относится к тепловым измерениям, в частности к измерениям величины и направления теплового потока в массивах дисперсных материалов, Известно устройство для определения величины и направления теплового потока, содержащее подложку и многоспайную дифференциальную термопару, при этом подложка выполнена в виде поворачиваемого вокруг оси цилиндра, с одной стороны которого по образующей размещены горячие, а с другой — холодные спаи термопары.

Недостатки устройства состоят в том, что оно не позволяет определить вектор теплового потока в пространстве. а позволяет определить только его проекци о на плоскость перпендикулярную оси цилиндра-датчика, а

Ы2, 1770784 А1 рамиды, в которой вместо боковых ребер имеются зазоры шириной S, выбираемые в пределах 5 — 50 мм, а также трубчатую штангу, соединенную нижним концом с вершиной каркаса. Рамки каркаса имеют по одному выступу длиной S в вершине каркаса для крепления к нижнему концу штанги и по два выСтупа в основании каркаса 2 длиной $ — Я для крепления рамок друг к

12 другу. Батареи дифференциальных термоэлементов размещены в датчиках симметрично относительно продольной оси, рамок, токосъемные провода датчиков соединены по схеме звезда и выведены через штангу к измерительному прибору. Датчики могут быть прикреплены к рамкам с помощью попарно перекрещенных упругих нитей. 1 з,п. ф4лы, 3 ил. так же в том, что для проведения измерений необходимо вращать датчик вокруг его оси, что, во-первых, трудно осуществить в массиве дисперсного материала, и во-вторых, приводит к нарушению контакта материала с датчиком, а значит. и к снижению точности измерений.

Наиболее близким к изобретению является устройство для определения направления теплового потока, выполненное в виде разъемного куба, каждая грань которого представляет собой плоский датчик теплового потока, а датчики, образующие противоположные грани включены дифференциально и имеют общий средний вывод. Зто устройство позволяет определять величину и направление вектора тепло1770784 ские свойства,что также приводит к искажению величины и направления теплового потока, пронизывающего устройство, Термоэлементы датчиков, составляющих устройство, соединены в термобатарею последовательно и при этом места спаев каждого термоэлемента смещены друг относительно друга не только по толщине, но и по длине и ширине датчика. В случае, когда плоскость датчика в массиве совпадает с изотермической поверхностью, имеет место только перепад температур по тол щине датчика Лт и термобатарея вырабатывает соответствующую ему рабочую термоЭДС. В случае же, когда плоскость датчика не совпадает с иэотермической поверхностью, а для датчиков рассматриваемого устройства это бывает практически всегда, имеет место перепад температур по толщине датчика Atx, а также по длине Л х и ширине Лty датчика. Термобатарея при этом вырабатывает одновременно рабочую термоЭДС, соответствующую Лtz и паразитную термоЭДС засчет Л tx и Aty, которая снижает точность результатов.

Рассматриваемое устройство не имеет точной фиксации в пространстве и поэтому подвижки в массиве могут изменить его положение и ориентацию граней, что приведет к ошибке результатов. К тому же при подвижках массива с неравномерной дисперсностью из-за переменных нагрузок на жестко скрепленные датчики возможно повреждение устройства, отрыв или раскалывание датчиков, что снижает эксплуатационную надежность устройства.

Цель изобретения — повышение точности определения вектора теплового потока за счет отказа от замкнутой шестигранной оболочки и применения разомкнутой трех20

ЗО

50 вого потока в пространстве, однако имеет низкую точность. Устройство выполнено в форме куба/-замкнутой оболочки и его полость необходимо предварительно заполнять материалом исследуемого массива, но так как в массиве влажность и плотность материала распределены обычно неравномерно, теплофизические свойства материала в устройстве и в окружрющем массиве могут отличаться и в этом случае возникнет искажение температурного поля в области устройства, что приведет к снижению точности, Из-за того, что материал, заполняющий разъемный куб устройства, подвержен усадке, происходит отрыв его от верхней грани- 15 датчика и резкое искажение теплового потока через него, В щелях кубической ячейки нарушается структура дисперсного материала и изменяются его теплофизичегранной, имеющей щели вместо боковых ребер и предотвращение при этом нарушений структуры массива устройством и контактов материала с датчиками. за счет компенсации паразитных термоЭДС, возникающих при работе датчиков в неодномерном температурном поле путем симметричного размещения термобатареи датчика, за счет точкой фиксации устройства на штанге, а также в повышении эксплуатационной надежности устройства за счет упругого крепления датчиков к рамкам каркаса.

Согласно изобретению устройство содержит три датчика теплового потока, вставленные в плоские квадратнные рамки, составляющие трехгранный каркас в виде пирамиды, в котором вместо боковых ребер имеются щели шириной S, выбираемой в пределах 5...50 мм, а также трубчатую штангу, соединенную нижним концом с вершиной каркаса; рамки каркаса выполнены симметричными относительно продольной диаметральной оси и имеют по одному верхнему выступу длиной S для крепления к нижнему концу штанги и по два боковых выступа, являющихся продолжением нижv2 них сторон рамок длиной — — S для креп2 ления рамок друг к другу, батареи термоэлементов размещены в датчиках симметрично относительно оси, совпадающей с продольной осью рамок, токосьемные провода датчиков включены на "звезду" и выведены через штангу к регистрирующему прибору. Согласно и, 2 изобретения датчики прикреплены к рамкам с помощью попарно перекрещенных упругих нитей. Положительный эффект повышения точности определения вектора теплового потока достигается за счет следующих признаков— наличие в устройстве только трех датчиков, не создающих замкнутого объема и снижающих, по сравнению с прототипом, искажение исследуемого массива; наличие трехгранного в виде пирамиды каркаса, в котором вместо боковых ребер имеются щели, образуемые за счет наличия у рамок верхнего и боковых выступов для крепления их между собой и со штангой обеспечивает жесткость устройства, а значит. и точность определения составляющих вектора теплового потока, а также обеспечивает отсутствие в каркасе глухих углов искажающих структуру материала, Размер просвета (ширины) щели каркаса $ и соответствующие ему размеры выступов рамок выбраны из следующих условий. Дисперсный материал приобретает свойства натуральной неискаженной засыпки только в слоях, толщиной более 7 зерен. Заявляемое уст1770784

10

30 л 1Р+ г

tg (q х)ех ройство предназначено, в первую очередь, для массивов песка, стройматериалов, грунта, зерен и подобных им, размеры зерен которых лежат в пределах 0,7...7 мм, s связи с чем просвет между рамками каркаса следует выбирать в 7...10 раэ больше размера зерен материала исследуемого массива, но не более, чтобы не отдалять датчики друг от друга и не нарушать локальности измерений. Диапазон возможных размеров просвета при этом составляет примерно 5...50 мм. Наличие штанги у устройства позволяет четко фиксировать его положение в пространстве, а при вертикальном положении штанги датчики будут располагаться под одинаковым (примерно 144,5О) углом к вертикали, что обеспечивает одинаковое прилегание материала массива к датчикам.

Симметричное относительно оси датчика размещение в нем термоэлементов обеспечивает взаимную внутри батареи компенсацию паразитн ых термоЭДС.

Положительный эффект повышения эксплуатационной надежности достигается за счет крепления датчиков к рамкам с помощью попарно перекрещенных упругих нитей, На фиг. 1 изображен общий вид устройства; на фиг. 2 — вид сверху и разрез отдельной рамки с датчиком теплового потока устройства по и. 1; на фиг. 3 — вид сверху и размер отдельной рамки с датчиком теплового потока устройства по и. 2, Выноска от фиг. 2 показывает увеличенный отрезок термоэлектрической спирали-батареи термоэлементо в.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) состоит из трех взаимно перпендикулярных плоских датчиков теплового потока 1, вставленных в рамки 2, соединенные между собой боковыми 3 и верхним 4 выступами и составляющих каркас устройства, прикрепленный своей вершиной к нижнему концу вертикальной трубчатой штанги 5, которая служит для фиксации устройства в пространстве и для вывода токосъемных проводов 6 от датчиков 1 к регистрирующему прибору 7. В устройстве по и. 1, рамка с датчиком которого показана отдельно на фиг, 2, датчик 1 вставлен в пазы 8 рамки 2 жестко, например, заформован эпоксидным компаундом, а В устройстве по и. 2, рамка с датчиком которого показана на фиг, 3, датчик 1 укреплен в рамке 2 на попарно перекрещенных упругих нитях 9. На видах сверху обоих вариантов датчиков 1 показано симметричное размещение батареи термоэлементов 10, а на разрезах условно изображена спираль термоэлементов 11.

На выноске фиг. 2 показан отрезок объемной термоэлектрической спирали 11 из константовой проволоки с гальванически меднеными полувитками, у которой каждый целый виток-термоэлемент представляет собой медьконстантоновую дифференциальную термопару, один спай которой А расположен на верхней поверхности датчика, а последующий Б — на нижней, в результате чего термоэлемент вырабатывает термоЗДС, соответствующую перепаду температур на стенке датчика Лт .

Последовательное включение большого (500...6000) количества термоэлементов обеспечивает соответствующее умножение термоЗДС датчика. На выноске видно, что точки А и В смещены друг относительно друга не только по высоте, что требуется для измерения h,tz, но и по длине и по ширине, из-за чего вырабатываются паразитные термоЗДС, соответствующие At> иЛ t„. При симметричном размещении спирали tO в толще датчика, как это показано на фиг. 2 и фиг. 3, паразитные термоЭДС взаимно компенсируются.

Определение вектора теплового потока производится следующим образом. Устройство помещают s массив исследуемого дисперсного материала, например вводят в скважину в грунте и засыпают вынутым из нее грунтом или вдавливают в слой зерна.

Определяют положение штанги 5 в пространстве, если она отклоняется от вертикали и по меткам на штанге определяют положение осей х, у, z, перпендикулярных соответственно маркированным датчикам

1. Затем измеряют с помощью регистрирующего прибора 7 потенциометра или цифpoBoI милливольтметра термоЭДС датчиков 1 ех, еу. е с учетом знака — положительная термоЗДС соответствует, например, тепловому потоку входящему в устройство, а отрицательная выходящему из него. Величину вектора теплового потока определяют по формуле где q — скалярная величина вектора плотности теплового потока в точке размещения устройства;

k — рабочий коэффициент датчика.

Направление вектора теплового потока определяется по углам между вектором и осью х и между проекцией вектора на плоскость

yoz и осью z

1770784

Я (y z) =—

e„

Фо Рмула изо

1. Уст ой

Ретения

Знак термоЭ "С роиство для опре ел квадран

Д позволяет оп делени вектор пределить ка в массиве дис р л, с д ржащсе Р закреплен ерейти к системе коо ле 5 и ярно друг другу ква а енной на вер ординат, постротеплового потока б р и горизонталь кас ата ея учитывая глы ьной ченных ц ал ьных терм оэлементов у ы между осями х х через токось подклюакже yron меж и устройства, а т х,у, изме ит р тельному прибо съемные и о р вода к ае случае отклонени вертикалью в жду с я тем, что, с целью и ору, о т л и ч а ющееПре ла о ертикали. д гаемое уст ой ени ве ру чатая штанга ени ведена т точности, ления векто рую выведены токо га, через коора теплового пот енны чено для локал тока предназнае по схеме зве вода. соеи льного конт ол датчиков т езда, а каж ы направлению теплового, р я по величине 15 ратной

ЕПЛОВОГО ПОТ зических и процессов в ,потока тепло о и- соба ока снабж

ых материал сивах ве р зованием кэ к пами, сое и каса в ви е д ненными

Р Р нии положения, при on- штанг, закреплен о и ,в мерзлого г д 4 грунта под осн вазова ных сооруж ений, в том ч

Ованиями раз 2 ранями, обого потока, льникОВ, и на в лен- тов кото иальных те м торых размещен рмоэлеменопределения терь от теплот я кооп и расс, а также ми; сительн для заз о продольно ены симмет ич и оси а р чно отнооры шириной S, р мок, имеются

ыделений от само окальных при зто . составляющей оразогрева зерна 25 еи 5 — 50 мм, о сравнению на в то упов рамок у ве ш техническими реш с известн ми каркаса равн е шины роиство имее ешениями и ет высок ю т редлагаемое усна, а вега ус- 2. У н, основании — S.

2 стройство по п. 1

2 и зготовлении и обс у ь, просто в, что. с целью повы и., 0 т л и ч а ющееи о служивании. 30 а овышения надеж еплового потока нотока закреплены В а гих. попарно перекрещен1770784

Составитель В.Ргафонов

Техред М,Моргентал Корректор H.Påâñêàÿ

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3734 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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