ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА Российский патент 2004 года по МПК G01K17/20 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для измерения зависимости градиента температур на поверхности от температуры поверхности.

Известна конструкция устройства [1], в котором измеряется тепловой поток, проходящий через металлическую пластину. В пластине делается кольцевая канавка, на стенках которой размещаются термопары на разных расстояниях от дна канавки. Таким образом, получают распределение температуры по толщине пластины, по которому затем рассчитывают тепловой поток. В данной конструкции величина теплового потока будет зависеть от теплопроводности материала пластины, так как тепловой поток распространяется по толщине пластины. Таким образом, не решается задача определения теплового потока на охлаждаемой поверхности датчика.

Наиболее близким по технической сущности, выбранным за прототип, является датчик теплового потока [2]. Его принципиальной особенностью является измерение разности температур не вдоль направления теплового потока, а перпендикулярно ему. Чувствительная часть датчика представляет собой тонкую никелевую пластину, заделанную на поверхности датчика, к центру которой приварен нихромовый провод, а к периферии - никелевый провод. Имеется также нихромовый провод, приваренный к нихромовому корпусу датчика. Под никелевой пластиной расположена цилиндрическая полость, которая препятствует теплоотдаче от тела датчика пластине. Таким образом, устройство регистрирует разность температур не вдоль, а перпендикулярно направлению теплового потока (т. е. между центром и периферией пластины). Устройство содержит термопару никель-нихром, измеряющую температуру в центре пластины, и дифференциальную термопару нихром-никель-нихром, измеряющую разность температур между центром и периферией пластины. Эти термопары не являются стандартными, следовательно, необходима предварительная тарировка каждого датчика. Точность показаний дифференциальной термопары невелика, так как измеряемая величина, т. е. разность температур между центром и периферией пластины, в некоторых случаях не превышает нескольких градусов. К тому же один из спаев этой термопары представляет собой кольцевой сварной шов между никелевой пластиной и нихромовым корпусом датчика. Процессы кипения, протекающие на поверхности датчика при охлаждении его в жидких средах, весьма сложны, и в некоторые моменты времени охлаждения температура в пределах кольцевого шва будет различной. Тогда нельзя с уверенностью сказать, какую разность температур будет регистрировать дифференциальная термопара.

Вышеуказанные аналоги и прототип не решают задачи определения локального теплового потока на поверхности охлаждаемого тела.

В предлагаемом изобретении реализуется тот же принцип измерения разности температур, что и в прототипе. Изобретение расширяет возможности датчика с поверхностным растечением тепла и решает проблему увеличения точности определения теплового потока на поверхности, а также повышения информативности в получении картины процессов, происходящих на поверхности при охлаждении в жидких средах.

Устройство для измерения зависимости градиента температур на поверхности от температуры поверхности состоит из нихромового корпуса, в верхней части которого заделана никелевая пластина. Под никелевой пластиной расположена цилиндрическая полость, которая препятствует теплоотдаче от тела датчика пластине. Задача увеличения точности измерения разности температур решается подбором глубины полости из условия, что на показания устройства не оказывает влияние тепло, подводимое к пластине через провода термопар. Это условие достигается при отношении диаметра полости к диаметру пластины 0,9:1 и глубины полости к толщине пластины 20:1. Задача повышения информативности решается тем, что к никелевой пластине привариваются три стандартные термопары хромель-алюмель: одна в центре, а две на периферии пластины симметрично относительно центра. За счет этого можно измерять локальный тепловой поток на поверхности датчика.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:
Фиг.1 - конструкция датчика теплового потока.

Фиг.2 - конструкция зонда с вмонтированным датчиком.

Фиг.3 - принципиальная схема измерения.

Фиг. 4 - зависимость коэффициента теплоотдачи на поверхности от температуры поверхности.

Устройство для измерения зависимости градиента температур на поверхности от температуры поверхности состоит из нихромового корпуса 1, никелевой пластины 2, заделанной в верхней части корпуса и зашлифованной заподлицо с поверхностью, трех термопар хромель-алюмель 3 в металлических чехлах, приваренных соответственно к центру и периферии пластины.

На фиг.2 представлена конструкция зонда с вмонтированным устройством для измерения зависимости градиента температур на поверхности от температуры поверхности. В корпусе 4 зонда, изготовленного из нержавеющей стали, установлено разработанное устройство 5 таким образом, чтобы точки приварки термопар располагались по образующей (как на фиг.2) или по направляющей цилиндрической поверхности корпуса 4 зонда. Подводящие провода проложены внутри корпуса зонда и приваренной к нему нержавеющей трубки 6.

Принципиальная схема измерения приведена на фиг.3. Термопары 7 датчика 8 подсоединены к устройству сопряжения 9, которое подключено к компьютеру 10. Для обработки экспериментальных данных разработана программа 11.

Устройство работает следующим образом. Зонд с вмонтированным датчиком теплового потока нагревают в печи, а затем помещают в охлаждающую среду. Сигнал с термопар устройства поступает в компьютер через устройство сопряжения, представляющее собой аналого-цифровой усилитель-преобразователь сигналов термопары с индивидуальной гальванической развязкой каждого канала. Обработку экспериментальных данных проводят с помощью специально разработанной программы. Температурный градиент на поверхности пластины находят как разность показаний центральной и периферийной термопар.

Предложенная конструкция была опробована для оценки охлаждающей способности воды. В качестве характеристики охлаждающей способности была использована зависимость коэффициента теплоотдачи на поверхности от температуры поверхности. При этом измеряемую величину температурного градиента с помощью разработанной математической модели пересчитывали в величину коэффициента теплоотдачи. При проведении экспериментов зонд с вмонтированным устройством нагревали до температуры 850^oС в печи, после чего опускали в закалочную ванну, а измеряемые сигналы регистрировали с помощью компьютера. Зависимости коэффициента теплоотдачи на поверхности от температуры поверхности показаны на фиг.4. Эксперименты проводили на датчиках с расположением термопар по направляющей (горизонтально в рабочем положении зонда) или по образующей (вертикально в рабочем положении зонда) цилиндрической поверхности зонда. При вертикальном расположении термопар зависимость коэффициента теплоотдачи (сплошная линия на фиг.4) имеет сложный вид, особенно в интервале температур 100. . . 300^oС, соответствующем стадии пузырькового кипения воды. В этой области коэффициент теплоотдачи неоднократно резко изменяется, что характерно для описанных в литературе волновых процессов, происходящих на поверхности при охлаждении в жидких средах. При горизонтальном расположении термопар такого изменения коэффициента теплоотдачи не обнаружено (пунктирная линия на фиг. 4). Из этого следует, что фронт распространения волновых процессов по охлаждаемой поверхности находится в горизонтальной плоскости. Таким образом, разработанное устройство обладает высокой чувствительностью и информативностью и может применяться для изучения сложных процессов, происходящих на поверхности при охлаждении в жидких средах.

Источники информации
1. Патент США 5314247, кл. G 01 K 17/00, опубл. 1994.

2. Патент РФ 2008635, кл. G 01 K 17/20, опубл. 1994.

Изобретение может быть использовано в теплотехнике и для определения охлаждающей способности различных сред в машиностроении. Датчик состоит из втулки, прикрепленной к ней никелевой пластины и трех стандартных термопар хромель-алюмель, которые приварены к пластине. Одна термопара расположена в центре, а две другие - на периферии пластины симметрично относительно центра. Под никелевой пластиной расположена цилиндрическая полость с отношением диаметра полости к диаметру пластины 0,9:1 и глубины полости к толщине пластины 20:1. Технический результат: повышение точности измерений и надежности работы при определении охлаждающей способности закалочных сред. 4 ил.

Датчик теплового потока, состоящий из втулки с тремя продольными отверстиями для вывода термопар никелевой пластины, размещенной в торцевой части втулки заподлицо с ее поверхностью, и приваренных к пластине в центре и на периферии термопар, отличающийся тем, что к никелевой пластине приварены три стандартные термопары хромель-алюмель, одна в центре, а две на периферии пластины симметрично относительно центра, а под никелевой пластиной расположена цилиндрическая полость с отношением диаметра полости к диаметру пластины 0,9:1 и глубины полости к толщине пластины 20:1.