Датчик теплового потока

 

Оп ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскии

Социалистические

Республик (iii892239 (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву— (22)Заявлено 17,07.80 (21) 2945952/18-! 0 (51) М. Кл.

G 01 К 17/08 с присоединением заявки №

Государственный комитет

СССР (23) Приоритет

Опубликовано 23.12.81. Бюллетень № 47

Дата опубликования описания23.12.81. по делам изобретений и открытий (53) УДК 536.532 (088.8) Е.А.Максимов и М.В.Страдомский (72) Авторы изобретения

Институт технической теплофизики АН Украинской ССР (7!) Заявитель (54) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Изобретение относится к области теплофизических измерений.

Известен датчик теплового потока, представляющий собой базовую пластину, в которой на разной высоте просверлены два радиальных отверстия и в них установлены термопары, разность температур термопар пропорциональна проходящему через пластину тепловому потоку (1).

Однако в такой конструкции датчика невозможно точно определить глубину заделки головки термопары в пластину из-за конечного размера диаметра сверления под термопару, что вызывает погрешность в измерении нестационарного теплового потока. Кроме того, невозможно обеспечить надежный тепловой контакт головки термопары с ппастиной без существенного нарушения структуры пластины, что приводит к искажению температурного поля >i:tàñòèíû и к до1 полнительной погрешности в измере,нии теплового потока.

Известен одноэлементный датчик теплового потока, представляющий

5 собой базовую пластину с отверстием и приваренным к ней, например контактной сваркой, по кромке отверстия электродом, вывод второго электрода со второй стороны пластины может быть осуществлен так же, как и первого (2).

Однако для этого датчика характерна невозможность точного определения места расположения спая электрод . — пластина по глубине, так как при осуществлении контактной сварки по кромке отверстия контакт имеет неконтролируемую протяженность по глубине. При установке пластины на пробку, являющуюся вторым электродом, местом спая является вся зона приварки, температура в разных местах которой может быть различна, в

892239

l5

55 результате в измерение вносится неконтролируемая погрешность.

Известен также датчик теплового потока содержащий холодильник,, выполненный из материала с высокой

5 теплопроводностью, тепловоспринимающую пластину из материала с очень низким коэффициентом теплопроводности и расположенный между ними электроизоляционный слой. На противоположных гранях тепловоспринимающей пластины установлен ряд дифференциальных микротермопар (3).

Недостатками такого датчика являются непригодность его для измерения нестационарных тепловых потоков из-за большой инерционности тепловоспринимающего слоя, значительная погрешность в измерении локального стационарного теплового потока, который в действительности квазистационарный как во времени, так и в пространстве, и при .неоднородности его плотности по площади датчика из-за большого термического сопротивления тепловоспринимающего слоя измерений перепад температур на нем будет соответствовать некому фиктивному тепловому потоку, причем погрешность в из— мерении перепада температур увеличивается за счет перетока тепла по проводам 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 жаростойкости тепловоспринимающей пластины и для измерения больших тепловых потоков, например 10 -10 Вт/м из-за ограни5 Ь ченных возможностей водяного охлаждения. Кроме того, к недостаткам датчика относится сложность и громозд кость его конструкции из-за специального водяного охлаждения, наличие штуцеров, подводящих трубок, запорной арматуры и потребность в специальной обработке хладагента.

В известных датчиках чувствительным элементом является пластина, коэф фициент теплопроводности материала которой известен. При обеспечении одномерности температурного поля в серединной зоне пластины перепад температур на ней является величиной, пропорциональной плотности теплового потока через пластину.

Наиболее близкой к предлагаемой по 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, соединенный между собой металлической пленкой на тепловоспринимающей поверхности (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 повышение 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

or 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

B паре с первым электродом дифференциальную термопару со спаями в фиксированных точках на противоположных поверхностях термостабилизированного элемента, причем термоэлектрический коэффициент материала„из которого выполнены цилиндр, поверхностный слой и электроды, от— личен от термоэлектрического коэффициента материала термостабилизированного элемента., Геометрические размеры пластины . теплометрического элемента) характеризуются отношением — =1.10 1 где 0"- - толщина. пластины; 3 — диа%

%6

15 зо

5 8 метр пластины, который выбирается дз 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 обеспечивает 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 поBepxH0cTHbIM 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 колебания 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 30-35Х повысить точность измерения плотности тепловых потоков за счет использования в датчике термостабилизированного эле-. мента с температурным полем, близким к одномерному, которое формируется при отсутствии растечек тепла за счет изоляции боковой поверхности пластины и обеспечения равномерного стока тепла через ее внутреннюю поверхность в хорошо теплопроводящий цилиндр датчика. Причем спаи дифференциальной термопары на противоположных гранях термостабилизированного элемента обеспечивают четкую фиксацию места контакта при одновременном исключении влияния оттока тепла по электродам на результаты измерения. у Датчик теплового потока может быть использован как для научных исследований и испытаний натурных устройств различного назначения, так и для оперативного контроля тепловоТепловой 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 фикro состояния. деталей энергетических установок в процессе эксплуатации, 40 а также в качестве одного из элеменвновь создаваемых энергетических двигателей 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 шийся тем, что, с целью повышения точности и расшитов в системе автоматизации измерений при экспериментальных исследова4 ниях теплонапряженности деталей

15

Составитель Н.Горшкова

Редактор И.Николайчук Техред Л.Пекарь

Корректор Е.Рошко

Тираж 910

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 рения диапазона измерений стационарных 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 дополнительный электрод, размещенный аксиально в цилиндре, электрически"изолированный от него, контактирующий с термостабилизированным элементом и образующий в паре с первым электродом дифференпиальную термопару со спаями в фиксированных точках на противоположных поверхностях термостабилизированного элемента, причем термоэлектрический коэффициент материала, из которого..выполнены

892239 8 цилиндр, поверхностный слой и электроды, отличен от термоэлектрического коэффициента материала термостабилизированного элемента.

Источники инфбрмации, принятые во внимание при экспертизе

1. Черноголовов А.И. Приборы для измерения потоков тепла в высокотемпературных печах. — "Заводская лаборатория", 1949, 15, 2.

2. Геращенко О.А. Основы теплометрии. Киев, "Наукова думка", 1971, с. 192.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 705281, кл. G 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).