СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ КОНСТРУКЦИИ РЕЗИСТИВНЫМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВА Российский патент 2013 года по МПК G01K7/16 

Изобретения относятся к технике измерения температуры, в частности резистивными чувствительными элементами, и предназначены, например, для использования в теплопрочностных испытаниях авиационно-космических конструкций при определении их поверхностных температурных полей.

Современный летательный аппарат имеет весьма сложную конструкцию, которая при минимальном весе должна обладать необходимой прочностью. Приходится проводить специфические экспериментальные исследования в широком диапазоне воздействий (сил и температур) [Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. М., «Машиностроение», 1974]. Воспроизведение полетных температурных режимов крупных натурных конструкций в лабораторных условиях при создании новых современных объектов авиакосмической техники является чрезвычайно важной и сложной научно-технической задачей. Для целей измерения температур широко используют поверхностные датчики температуры с резисторными чувствительными элементами, например, проволочными или пленочными термометрами сопротивления из платины, меди и никеля [Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. М., «Машиностроение», 1974, §6.2. Измерение температуры].

Широко известно использование для измерения температуры поверхностей различных геометрических форм конструкций поверхностных термопреобразователей сопротивления с плоской формой чувствительного элемента, представляющей собой намотку из платины, покрытую винифлексовым лаком, установленную в непосредственной близости от дна защитной гильзы [Приборы для измерения температуры контактным способом. Под общ. ред. Р.В.Бычковского. - Львов, «Вища школа», 1978, §1.4. Поверхностные термопреобразователи сопротивления], а также термометры сопротивления с защитной арматурой, кабельными выводами и специальными штуцерами [Термопары и термометры сопротивления. Сводный каталог. М., Отделение НТИ по приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, 1965], что характеризует следующие широко известные объекты, аналогичные защищаемым.

Широко известен способ измерения температуры поверхности конструкции, при котором измеряют сопротивление чувствительного элемента и в соответствии с его температурной характеристикой по результату измерения вычисляют значение температуры, причем датчик температуры с чувствительным элементом специальным образом крепят на поверхности исследуемой конструкции.

Широко известно устройство для измерения температуры поверхности конструкции, содержащее измеритель сопротивления, к которому подключен чувствительный элемент, а датчик температуры с чувствительным элементом с помощью специальных металлических приспособлений и зажимов через арматуру, штуцер М27×2 или накидную гайку M14×1 корпуса датчика установлен на поверхности исследуемой конструкции.

Широко известен способ изготовления устройства для измерения температуры поверхности конструкции, при котором чувствительный элемент располагают внутри защитной гильзы корпуса датчика температуры на ее дне, изготавливают специальные металлические кронштейны, крепят их на исследуемой конструкции, устанавливают на них датчик температуры, чувствительный элемент подключают к измерителю сопротивления.

Недостатками этих объектов являются существенные трудности, а в ряде случаев невозможности использования таких датчиков температуры (термометров сопротивлений) для исследования поверхностных температурных полей объектов (образцов материалов) с малыми площадями, а также при большом (несколько сотен) количестве точек измерения температуры при испытаниях крупных современных натурных авиационно-космических конструкций из-за больших габаритов датчиков, сложностей их крепления и значительного искажения поля температур исследуемой испытываемой конструкции своим на нее влиянием.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту и взятыми в качестве прототипов являются объекты, информация о которых представлена в специализированной книге: Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. М., «Машиностроение», 1974, §6.2. Измерение температуры, стр.223. Здесь в разделе «Терморезисторы» на страницах 239-241 подробно изложены принципы и особенности использования при теплопрочностных испытаниях авиационных конструкций плоских приклеиваемых терморезисторов, что характеризует следующие объекты, близкие защищаемым.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому способу измерения температуры поверхности конструкции резисторным чувствительным элементом является способ, при котором измеряют сопротивление чувствительного элемента, наклеенного на поверхность конструкции, и по результату измерения вычисляют значение температуры в соответствии с заранее известной (его или его партии) температурной характеристикой.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству для измерения температуры поверхности конструкции резисторным чувствительным элементом является устройство, содержащее в качестве измерителя сопротивления соответствующее измерительное оборудование, к которому подключен чувствительный элемент, наклеенный на поверхность конструкции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому способу изготовления устройства для измерения температуры поверхности конструкции резисторным чувствительным элементом является способ, при котором чувствительный элемент наклеивают на поверхность исследуемой конструкции и подключают его к измерителю сопротивления.

Недостатками являются: существенное изменение сопротивления чувствительного элемента из-за известного тензо-эффекта при неизбежном температурном деформировании (изменении линейных размеров) участка поверхности наклейки конструкции и используемого клея в процессе температурных испытаний конструкций, что усугубляется при приложении к конструкции еще и силовых нагрузок, дополнительно ее деформирующих; строго говоря, температурная характеристика чувствительного элемента изменяется в результате процесса наклейки; невозможность повторного использования чувствительного элемента из-за неизбежного его повреждения (даже разрушения) при отделении чувствительного элемента от поверхности испытанной конструкции, вызывающего недопустимые искажения его температурной характеристики вследствие механических и других воздействий в процессе отделения.

Задачей и техническим результатом настоящих изобретений является повышение точности измерения температуры поверхности конструкции за счет уменьшения влияния тензо-эффекта на результаты измерений температуры поверхности, а также возможности многократного использования чувствительного элемента при однократной его предварительной калибровке.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в способе измерения температуры поверхности конструкции резистивным чувствительным элементом измеряют сопротивление чувствительного элемента и в соответствии с его температурной характеристикой по результату измерения вычисляют значение температуры, а чувствительный элемент располагают на поверхности конструкции свободно (не приклеивая) внутри окна жестко укрепленной на поверхности конструкции электроизоляционной прокладки, прижимают и теплоизолируют его прижимной теплоизоляционной накладкой.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в устройстве для измерения температуры поверхности конструкции резистивным чувствительным элементом, содержащем измеритель сопротивления, к которому подключен чувствительный элемент, введены электроизоляционная прокладка с окном и прижимная теплоизоляционная накладка, электроизоляционная прокладка жестко укреплена на поверхности конструкции, чувствительный элемент размещен свободно (не приклеенным) внутри окна электроизоляционной прокладки и накрыт с внешней стороны прижимной теплоизоляционной накладкой.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в способе изготовления устройства для измерения температуры поверхности конструкции резистивным чувствительным элементом, при котором чувствительный элемент подключают к измерителю сопротивления, изготавливают тонкую электроизоляционную прокладку с внутренним окном по размерам чувствительного элемента и с двумя электрическими клеммами-контактами, материал для которой используют преимущественно медно-фольгированные стеклотекстолит или гетинакс с двумя химически протравленными площадками в качестве контактов, электроизоляционную прокладку приклеивают на поверхность конструкции, чувствительный элемент располагают свободно внутри окна электроизоляционной прокладки, оба вывода чувствительного элемента припаивают соответственно к двум контактам электроизоляционной прокладки, к которым в свою очередь для подключения измерителя сопротивления припаивают соответственно два соединительных провода, изготавливают прижимную теплоизоляционную накладку в соответствии с габаритными размерами электроизоляционной прокладки из упругого теплоизоляционного материала, преимущественно с ворсистой поверхностью, чувствительный элемент накрывают прижимной теплоизоляционной накладкой, которую прикрепляют, например, соответствующей прозрачной липкой лентой.

Фигура 1 иллюстрирует устройство для измерения температуры поверхности конструкции резистивным чувствительным элементом. Фигура 2 поясняет способ изготовления устройства. В таблице представлены характеристики теплопроводности некоторых основных теплоизоляционных материалов [ 1) Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М. - Л., Государственное энергетическое издательство, 1959. 2) Строительные нормы и правила СНиП 11-3-79. Строительная теплотехника / Минстрой России. - М.: ГП ЦПП, 1995].

На фигурах 1 и 2 показаны: участок 1 исследуемой конструкции, резисторный чувствительный элемент 2, защитная электроизоляционная прокладка 3, прижимная теплоизоляционная накладка 4.

Заявляемые технические решения работают следующим образом.

Способ измерения температуры поверхности конструкции 1 резистивным чувствительным элементом 2 основан на следующих главных особенностях. Чувствительный элемент 2 располагают на поверхности конструкции 1 свободно (не приклеивая), в результате чего деформация поверхности испытуемой конструкции 1 не передается материалу чувствительного элемента 2 и не вызывает дополнительного паразитного изменения его сопротивления, которое поэтому зависит только от температуры. Чувствительный элемент 2 прижимают к поверхности конструкции 1, чем осуществляется необходимый тепловой контакт чувствительного элемента 2 и поверхности конструкции 1, и теплоизолируют его с внешней (наружной поверхности) стороны, что обеспечивает независимость его температуры от температуры окружающей среды. Измеряют сопротивление чувствительного элемента 2 и вычисляют значение температуры по результату измерения обычным образом в соответствии с его температурной характеристикой.

Устройство для осуществления способа измерения имеет специальную жестко укрепленную на поверхности конструкции 1 электроизоляционную прокладку 3, внутри окна которой размещен свободно чувствительный элемент 2, что позволяет защитить его от внешних механических воздействий с торцов, от возможных перемещений по поверхности конструкции 1 и от электрического замыкания его выводов на металлический материал конструкции 1. Специальная прижимная теплоизоляционная накладка 4, которой накрыт с внешней стороны чувствительный элемент 2, обеспечивает для него необходимый прижим и тепловую изоляцию от окружающей среды. Для возможности получения результатов измерений чувствительный элемент 2 подключен к соответствующему измерителю сопротивления как обычно.

В процессе способа изготовления устройства изготавливают тонкую электроизоляционную прокладку 3 с внутренним окном по размерам чувствительного элемента 2 и с двумя электрическими клеммами-контактами, материал для которой используют преимущественно медно-фольгированные стеклотекстолит или гетинакс с двумя химически протравленными площадками в качестве контактов, и приклеивают ее на поверхность конструкции 1 в месте измерения температуры, а чувствительный элемент 2 располагают свободно внутри окна электроизоляционной прокладки 3 и оба его вывода припаивают сверху соответственно к ее контактам, чем обеспечивают необходимое пространственное размещение чувствительного элемента 2 на испытуемой конструкции 1. К контактам прокладки 3 припаивают два соединительных провода для последующего подключения их ко входным клеммам соответствующего измерителя сопротивления. Изготавливают прижимную теплоизоляционную накладку 4 в соответствии с габаритными размерами электроизоляционной прокладки 3 из упругого теплоизоляционного материала, преимущественно с ворсистой поверхностью, и накрывают ею чувствительный элемент 2, чем обеспечивается для него необходимые прижим и теплоизоляция от окружающей среды. Накладку 4 прикрепляют к конструкции 1 с некоторым натягом, например, с помощью соответствующей прозрачной липкой ленты. Соединительные провода обычным образом подключают к измерителю сопротивления. Изготовленное таким способом устройство готово к работе.

В результате использования изобретений повышается точность измерения температуры конкретного места поверхности конструкции за счет уменьшения влияния на результаты измерений тензо-эффекта и температуры окружающей среды, а также обеспечивается возможность многократного использования конкретного чувствительного элемента (при однократной его предварительной калибровке), поскольку простой операцией пайки свободно допускается изъятие чувствительного элемента после использования в испытаниях из состава одного устройства и установка его в другое устройство без каких-либо на него воздействий (механических или химических), и, следовательно, без необходимости дополнительной повторной его калибровки. Кроме того, в силу небольших габаритов чувствительных элементов и отсутствия громоздких приспособлений для их крепежа на конструкции использование изобретений позволяет значительно уменьшить площадь конструкции, загороженную этим крепежом, а следовательно, уменьшить искажения требуемого теплового воздействия на конструкцию внешнего испытательного теплового потока.

Тепловое воздействие на испытываемую конструкцию может быть:

- положительным или отрицательным (в результате нагревания или охлаждения) и может меняться от минимальной температуры исследуемого диапазона к максимальной и наоборот;

- непрерывным или ступенчатым, с определенной временной выдержкой на каждой ступени температуры диапазона, в соответствии с особенностями программы испытаний конструкций;

- внутренним или внешним, например лучистый нагрев радиационными инфракрасными установками.

В отношении теплообмена чувствительного элемента и конструкции:

- Форма чувствительных элементов (проволочные и фольговые), как правило, плоская, что предопределяет хороший возможный тепловой контакт с исследуемой конструкцией при их использовании.

- Чувствительный элемент должен быть механически прижат к поверхности конструкции для лучшего теплового контакта.

- Место поверхности расположения чувствительного элемента следует зачистить (шлифовать) для улучшения теплового контакта.

- Рекомендуется при установке на конструкцию чувствительного элемента нанести под него соответствующую смазку для надежного устранения влияния тензо-эффекта.

- Для улучшения поверхностного радиационного (излучательного) теплообмена можно соответствующим образом обработать участок контакта чувствительного элемента с поверхностью конструкции, используя, например, известные методы поверхностных покрытий.

В отношении электроизоляционных прокладок:

- Выводы чувствительного элемента, как правило, не имеют электрической изоляции и при его установке могут быть закорочены на металлическую поверхность конструкции, для чего и необходима их электроизоляция.

- Прокладки должны быть жестко укреплены на поверхности конструкции в месте их установки для исключения возможности их перемещения во время испытаний, например простым приклеиванием соответствующим температуре использования клеем.

- Толщина прокладки должна быть небольшой (в соответствии с толщиной чувствительного элемента).

- Выводы чувствительного элемента могут быть приклеены к прокладке, однако в местах прохождения выводов следует иметь специальные электрические монтажные контакты, выполненные, например как печатные платы с медными контактными площадками, для припайки тонких гибких выводов чувствительных элементов и припайки соответствующих соединительных проводов, идущих к измерителю.

- Крепление выводов чувствительных элементов к прокладкам можно осуществлять до размещения их на конструкции, что позволяет проводить этот монтаж и формировать соответствующие кабели для последующего соединения с измерителем сразу для многих чувствительных элементов одновременно независимо от наличия испытательной конструкции в данное (конкретное) время, чем существенно повышается производительность и надежность выполнения всего цикла подготовки испытаний.

- Прокладку следует выполнять в виде рамки с окном по размеру расположения чувствительного элемента, что позволяет обеспечить дополнительную продольную механическую защиту чувствительного элемента от внешних воздействий при установке на конструкции и в процессе испытаний, а также за счет участков рамки по периметру чувствительного элемента значительно блокировать паразитный теплообмен с окружающей средой.

- Размеры прокладки должны быть небольшими, чтобы не искажать внешнее тепловое воздействие на конструкцию загораживанием теплового потока.

- Окно прокладки имеет замкнутую прямоугольную форму (по форме чувствительного элемента), но для уменьшения затрат на изготовление прокладки в ряде случаев можно изготовить ее в виде открытой прямоугольной формы (с отсутствием одной стороны прямоугольника окна).

В отношении прижимных теплоизоляционных накладок:

- Накладки изготавливаются из упругого для эффективного прижатия чувствительного элемента и достаточно теплоизоляционного материала (например полимерного: поролон, поропласт полиуретановый эластичный и др.) для блокирования паразитного теплообмена с окружающей средой (см. таблицу).

- С одной стороны сила прижима накладкой чувствительного элемента должна быть достаточной, чтобы обеспечить надежный механический контакт плоскостей чувствительного элемента и конструкции, с другой стороны сила прижима должна допускать взаимное относительное перемещение плоскостей чувствительных элементов и конструкции при температурных линейных изменениях их размеров в процессе испытаний для подавления влияния тензо-эффекта на чувствительные элементы.

- Материал накладки должен быть достаточно жестким, чтобы позволить надежно прижать чувствительный элемент к плоскости конструкции, и достаточно мягким, чтобы огибать при прижатии выступы под накладкой, образующиеся при размещении в районах чувствительных элементов их выводами и соответствующими электроизоляционными прокладками.

- Конструкция накладки может быть составной из нескольких материалов: жесткий материал для внешней поверхности и мягкий - для прижимной.

- Накладку удобней выполнять прямоугольной формы по внешним габаритам электроизоляционной прокладки, что создает с одной стороны достаточную теплоизоляцию за счет некоторого дополнительного перекрытия плоскости чувствительного элемента, с другой стороны упрощает (облегчает) фиксацию положения накладки при размещении ее на плоскости и дальнейшей эксплуатации.

- Для прижимной поверхности накладки следует использовать материал с ворсистой поверхностью (например, фетр, замша), что значительно уменьшает влияние тензо-эффекта на чувствительные элементы при взаимном изменении размеров накладки и чувствительных элементов за счет того, что ворс, направленный перпендикулярно плоскости чувствительных элементов, практически не сопротивляется при малых его наклонах в результате малых относительных перемещениях плоскостей прижима.

- Установка накладки может быть осуществлена простым наложением ее на чувствительный элемент и прокладку с внешней стороны и соответствующей фиксацией известными средствами (например, специальной липкой лентой, выдерживающей температуру испытаний, предпочтительно прозрачной для уменьшения искажения внешнего теплового поля воздействия на конструкцию).

Таблица МАТЕРИАЛ Теплопроводность, Вт/м·°С Бумага 0,103 Резина мягкая 0,095÷0,120 Пенопласт 0,041÷0,052 Замша 0,040 Сукно 0,039 Шерстяная ткань 0,039 Пенополистирол 0,038÷0,050 Войлок шерстяной 0,034 Шелк 0,032÷0,043 Пробка 0,031÷0,040 Вата х/б 0,031 Пенополиуретан 0,029÷0,041

Возможна автоматизация процессов регистрации результатов измерения температур резистивными чувствительными элементами во множестве точек конструкции при использовании соответствующих измерительных систем.

По данному предложению на предприятии выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования по созданию конкретных устройств и отработки методик, которые подтверждают реализуемость рассматриваемых технических решений и заявленного технического эффекта. В результате испытаний опытных образцов погрешность измерения температурных полей конструкции уменьшена в 3÷4 раза.

Реализация предложения при тепло-прочностных испытаниях конструкций в авиакосмических отраслях науки и техники позволит значительно повысить точность выполнения программ испытаний и их результатов, а следовательно, надежность рекомендаций, выдаваемых промышленности, по совершенствованию испытуемых конструкций летательных аппаратов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в тепло-прочностных испытаниях авиационно-космических конструкций при определении их поверхностных температурных полей. Согласно заявленному способу для измерения температуры поверхности конструкции чувствительный элемент располагают внутри окна жестко укрепленной на поверхности конструкции электроизоляционной прокладки и теплоизолируют его прижимной теплоизоляционной накладкой. Измеряют сопротивление чувствительного элемента и вычисляют искомое значение температуры. Указанный способ реализуется устройством, в котором чувствительный элемент, подключённый к измерителю сопротивления, размещен свободно внутри окна прокладки и накрыт с внешней стороны прижимной теплоизоляционной накладкой. Ещё одним объектом изобретения является способ изготовления данного устройства, включающий в качестве основных подэтапов изготовление электроизоляционной прокладки и теплоизоляционной накладки, с последующей сборкой датчика. Технический результат: повышение точности измерения температуры поверхности конструкций. 3 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ измерения температуры поверхности конструкции резисторным чувствительным элементом, при котором измеряют сопротивление чувствительного элемента и в соответствии с его температурной характеристикой по результату измерения вычисляют значение температуры, отличающийся тем, что чувствительный элемент располагают на поверхности конструкции свободно внутри окна электроизоляционной прокладки, жестко укрепленной на поверхности конструкции, прижимают и теплоизолируют чувствительный элемент прижимной теплоизоляционной накладкой.

2. Устройство для измерения температуры поверхности конструкции резисторным чувствительным элементом, содержащее измеритель сопротивления, к которому подключен чувствительный элемент, отличающееся тем, что в него введены электроизоляционная прокладка с окном и прижимная теплоизоляционная накладка, электроизоляционная прокладка жестко укреплена на поверхности конструкции, чувствительный элемент размещен свободно внутри окна электроизоляционной прокладки и накрыт с внешней стороны прижимной теплоизоляционной накладкой.

3. Способ изготовления устройства для измерения температуры поверхности конструкции резисторным чувствительным элементом, при котором чувствительный элемент подключают к измерителю сопротивления, отличающийся тем, что изготавливают тонкую электроизоляционную прокладку с внутренним окном по размерам чувствительного элемента и с двумя электрическими клеммами-контактами, материал для которой используют преимущественно медно-фольгированные стеклотекстолит или гетинакс с двумя химически протравленными площадками в качестве контактов, электроизоляционную прокладку приклеивают на поверхность конструкции, чувствительный элемент располагают свободно внутри окна электроизоляционной прокладки, оба вывода чувствительного элемента припаивают соответственно к двум контактам электроизоляционной прокладки, к которым в свою очередь для подключения измерителя сопротивления припаивают соответственно два соединительных провода, изготавливают прижимную теплоизоляционную накладку в соответствии с габаритными размерами электроизоляционной прокладки из упругого теплоизоляционного материала, преимущественно с ворсистой поверхностью, чувствительный элемент накрывают прижимной теплоизоляционной накладкой, которую прикрепляют, например, с помощью соответствующей прозрачной липкой ленты.