КРЕПЕЖНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ПРИМЕНЕНИЕ ДАТЧИКА, ВСТРОЕННОГО В КРЕПЕЖНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, И СПОСОБ ДЕТЕКЦИИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ВНУТРИ МЕХАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2020 года по МПК G01K1/14 G01K7/02 G01K7/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится к крепежному элементу, к применению датчика, встроенного в крепежный элемент, и к способу детекции теплового потока внутри механических компонентов, имеющих крепежный элемент согласно изобретению.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно применение датчиков, встроенных в винты для контроля правильного затягивания и/или деформации самого винта; например, посредством ультразвуковых систем или тензодатчиков.

В случае установки винтов вблизи двигателей или областей, в которых имеется трение, вызванное относительным скольжением двух или более механических компонентов (например, в опорах для больших подшипников или больших ступиц/передаточных компонентов), известные винты выполнены без возможности оповещения о возможных повреждениях.

В связи с этим следует отметить, что внутри сплошных корпусов механических компонентов тепловой поток в основном передается посредством проводимости. Линии потока представляют собой траектории, по которым тепло передается посредством проводимости внутри твердого тела от самых горячих изотерм к самым холодным изотермам. Поскольку тепловой поток представляет собой вектор, имеющий направление и заданный диапазон, для обеспечения возможности измерения этого вектора необходимо следовать за линиями потока и определять значение разности температуры вдоль этих линий потока.

В частности, оценка теплового потока, протекающего через механический компонент, может быть получена путем измерения разности температуры, образующейся вдоль линии распространения теплового потока.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание крепежного элемента, содержащего чувствительный элемент, выполненный с возможностью определения теплового потока внутри механических компонентов посредством детекции разности температуры между двумя различными областями, причем чувствительный элемент, выполненный с возможностью детекции разности температуры крепежного элемента, расположен вблизи значительного теплового потока. Разность температуры, детектируемая таким образом, может сильно коррелировать с тепловым потоком.

Предпочтительно, для предотвращения поломок и/или происшествий на борту транспортных средств, таких как самолеты и автомобили, должны быть установлены системы мониторинга и/или контроля; указанные системы мониторинга и/или контроля должны быть выполнены с возможностью детекции возможных неисправностей в работе внутри или вблизи двигателей и механических компонентов. Однако в транспортных средствах такого типа, по причинам, связанным с весом и пространством, размещение специализированных систем мониторинга и/или контроля очень затруднительно как в случае необходимости проведения стендовых испытаний, так и в течение использования транспортного средства.

Задачей изобретения является создание крепежного элемента, который устраняет описанные выше недостатки и выполнен с возможностью мониторинга работы механических компонентов, установленных вблизи источника тепла, такого как, например, камера сгорания двигателя; наличия или циркуляций горячих текучих сред; трений, создаваемых кинематическими соединениями или тормозными компонентами.

Задачей изобретения является создание крепежного элемента, который является небольшим, не слишком тяжелым и может быть использован внутри обычных гнезд, уже имеющихся в упомянутых механических компонентах.

В приведенном ниже описании речь идет, без ограничения раскрытыми примерами, о крепежном элементе (таком как винт или шпилька), содержащем чувствительный элемент, и способе применения упомянутого крепежного элемента в механическом компоненте, через который проходит тепловой поток. Очевидно, что этот чувствительный элемент может быть встроен в крепежные элементы, отличающиеся от винтов или шпилек, такие как, например, стяжные шпильки или т.п.

Задачей изобретения является обеспечение возможности применения чувствительного элемента, встроенного в крепежный элемент, и способа детекции теплового потока внутри механических компонентов.

Согласно изобретению заявлен крепежный элемент, применение чувствительного элемента и способ согласно прилагаемой формуле изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение описано ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показан неограничивающий вариант его осуществления, при этом:

на фиг. 1 показан вид в частичном осевом разрезе крепежного элемента согласно изобретению;

на фиг. 2 показан покомпонентный вид детали крепежного элемента с фиг. 1;

на фиг. 3 и 4 показан вид сверху и, соответственно, вид снизу первого варианта датчика согласно изобретению;

на фиг. 5 показана электрическая схема варианта датчика с фиг. 3 и 4;

на фиг. 6-8 показаны виды сверху деталей второго варианта датчика согласно изобретению;

на фиг. 9 показан вид сбоку второго варианта датчика согласно изобретению;

на фиг. 10 показана электрическая схема второго варианта датчика согласно изобретению;

на фиг. 11 в продольном разрезе и с частями, удаленными для большей ясности, показан первый вариант чувствительного элемента согласно изобретению;

на фиг. 12, аналогичной фиг. 11, показан второй вариант чувствительного элемента согласно настоящему изобретению;

на фиг. 13 показан вид в частичном продольном разрезе первого варианта крепежного элемента согласно изобретению;

на фиг. 14 показан вид в частичном продольном разрезе второго варианта крепежного элемента согласно изобретению;

на фиг. 15 показан вид в частичном разрезе первого варианта крепежного элемента в рабочей конфигурации;

на фиг. 16 показан вид в аксонометрии третьего варианта чувствительного элемента согласно изобретению;

на фиг. 17 показан вид в аксонометрии четвертого варианта чувствительного элемента согласно изобретению.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 номером позиции 1 обозначен в целом крепежный элемент в виде винта 1, содержащего корпус 2, которым выполнен цилиндрический и имеет продольную ось L и головку 3. Согласно фиг. 1 винт 1 известным образом содержит буртик 4, встроенный в головку 3 и ограничивающий начало корпуса 2.

Предпочтительно винт 1 выполнен из материала, выбранного из группы материалов с высокой механической прочностью, которая включает в себя: титан; никель-хромовые сплавы, обычно известные как INCONEL®; нержавеющую сталь X1CrNiMoAlTi12-11-2, обычно известную как MLX17®; нержавеющую сталь X1NiCrMoAlTi12-10-2, обычно известную как MLX19®; дисперсионно твердеющую нержавеющую сталь в диапазоне, 13-8 или 15-5, или 17-4; сталь с соотношением компонентов Si, Cr 19,00-21,00, Ni 33,00- 37,00, Mo 9,00-11,00, Ti макс. 1,00, B 0,01, Fe макс. 1,00, Bal Co, обычно известную как MP35N®; сталь, содержащую никель и кобальт, обычно известную как MARAGING® и/или VASCOMAX®, например MARAGING300 или AERMET®100; сталь AISI4340 и AISI304.

Винт 1 имеет полость 5. Полость 5 соосна с осью L. Полость 5 проходит через головку 3. Полость 5 предназначена для облегчения винта 1, однако в то же время она не ослабляет его и не ухудшает существенным образом его механическую прочность. Полость 5 имеет поперечное сечение в форме круга.

Полость 5 обращена наружу винта 1 через отверстие 6 головки 3. Полость 5 имеет внутреннюю часть 7 и концевую часть 8, проходящую через головку 3 и расположенную между внутренней частью 7 и отверстием 6. Внутренняя часть 7 полости 5 имеет размеры, обеспечивающие возможность размещения внутри нее чувствительного элемента 9, как описано более подробно ниже. Внешняя часть 8 имеет размеры, обеспечивающие возможность размещения в ней соединителя 22 и/или электронного устройства 26, как описано более подробно ниже.

Дополнительно винт 1 имеет наружную резьбу f.

Предпочтительно концевая часть 8 полости 5 имеет диаметр, который больше диаметра внутренней части 7.

Винт 1 содержит чувствительный элемент 9, вставленный в полость 5. Чувствительный элемент 9 выполнен с возможностью детекции разности температуры между двумя областями А и В винта 1, как описано более подробно ниже. Согласно фиг. 1 области A и B расположены вдоль резьбы f, однако они также могут быть расположены иначе в зависимости от конкретных применений винта 1. Например, согласно непоказанному варианту осуществления область A может быть расположена вблизи резьбы f, тогда как область B может быть расположена вблизи головки 3.

В общем случае чувствительный элемент 9 содержит датчик S и средства, выполненные с возможностью обеспечения равномерности температуры каждой области A и B и соответствующих чувствительных областей датчика S.

На фиг. 2 Sb обозначает датчик S, содержащий подложку 14, выполненную из электроизоляционного материала, и две части 15, 16, каждая из которых выполнена из электропроводящего материала, но с различными термоэлектрическими коэффициентами.

Подложка 14 имеет форму тонкой пластины с продольной осью М, при этом она имеет две поверхности 10 и 11, параллельные друг другу. Подложка 14 расположена между частями 15 и 16. Например, подложка 14 выполнена известным образом из материала, выбранного из следующих материалов: смола FR-4, каптон, фторопласт (PTFE), полимид, оксид алюминия или керамика. Части 15 и 16 выполнены из материалов, подходящих для образования термоэлектрических пар; например, часть 15 выполнена из константана, а часть 16 выполнена из меди.

Каждая часть 15 и 16 нанесена на поверхность 10 и, соответственно, 11 подложки 14. Часть 15 содержит константановую дорожку Pcc (например, изготовленную с применением известной технологии печатных схем). Аналогично, часть 16 содержит две медные дорожки Pcr (например, изготовленные с применением известной технологии печатных схем).

Кроме того, подложка 14 имеет множество металлизированных сквозных отверстий 17, обычно известных как переходные соединения (например, изготовленные с применением известной технологии печатных схем). Отверстия 17 выполнены вблизи концов константановой дорожки Pcc. Каждый конец константановой дорожки Pcc соединен с соответствующей медной дорожкой Pcr через соответствующее металлизированное отверстие 17 так, чтобы образовать спаи 18 термопары. Спаи 18 термопары, расположенные в соответствии с областью A, обозначены как спаи 18a, тогда как спаи 18 термопары, выполненные в соответствии с областью B, обозначены как спаи 18b. Сборка, выполненная из спая 18а, константановой дорожки Pcc, медных дорожек Pcr и спая 18b, образует термопару 19.

Датчик Sb дополнительно содержит соединения 21 в части 16 медной стороны в виде контактных площадок, и соединитель 22 (показанный на фиг. 1), выполненный с возможностью соединения, известным образом, через провода 20 с блоком 23 управления. Соединения 21 выполнены на медной стороне датчика Sb так, чтобы избежать вставления дополнительных термопар (спаев медь-константан); другими словами, чтобы избежать нежелательных паразитных спаев.

Кроме того, чувствительный элемент 9 содержит две части 12а и 12с, выполненные из электропроводящего материала и находящиеся в тепловом контакте с датчиком Sb в соответствии со спаем 18а и, соответственно, 18b.

В случае, когда части 12а и 12с выполнены из электропроводящего материала, чувствительный элемент 9 дополнительно содержит пару электроизоляционных листов 13, каждый из которых нанесен на соответствующую поверхность 10 и 11 подложки 14. Электроизоляционные листы 13 расположены между датчиком Sb и частями 12a и 12c; альтернативно, электроизоляционные листы 13 могут быть заменены изоляционными покрытиями, нанесенными на датчик Sb в областях A и B или на поверхность частей 12a и 12c так, что электрическая цепь чувствительного элемента 9 будет изолирована от частей 12а и 12с.

Части 12а и 12с выполнены для обеспечения равномерности температуры спаев 18а и 18b и областей А и В винта 1.

Предпочтительно чувствительный элемент 9 содержит части 12b, которые выполнены из теплоизоляционного материала, например, из смолы, нанесены снаружи датчика Sb и выполнены с возможностью термической изоляции частей 12а и 12с друг от друга и/или центрирования самого датчика Sb внутри полости 5. Согласно фиг. 2 часть 12b, выполненная из теплоизоляционного материала, расположена в продольном направлении между двумя частями 12а и 12с, выполненными из теплопроводящего материала.

Согласно фиг. 1 чувствительный элемент 9 вставлен внутрь полости 5 и расположен соосно с осью L. Спай 18а и часть 12а расположены в области А винта 1 (вблизи нижней части 25 винта 1), тогда как спай 18b и часть 12c расположены в области B. Соединитель 22 расположен внутри концевой части 8 в головке 3. Внутренняя часть 7 и концевая часть 8 имеют такие размеры, что в них могут быть размещены чувствительный элемент 9 и соединитель 22.

На фиг. 3 и 4 S' обозначает частный вариант осуществления датчика S, содержащего, в дополнение к компонентам, описанным выше для датчика Sb и имеющим те же номера позиций, множество смежных константановых дорожек Pcc, при этом количество смежных константановых дорожек Pcc не является ограничивающим; в частности, часть 15, показанная на фиг. 3, содержит три константановые дорожки Pcc. Часть 15 дополнительно имеет теплопроводящую область Z1 и теплопроводящую область Z2, выполненные соответственно вблизи областей A и B.

Согласно фиг. 4 часть 16 содержит множество смежных медных дорожек Pcr, причем количество медных дорожек Pcr равно количеству константановых дорожек Pcc. Часть 16, показанная на фиг. 4, содержит три медные дорожки Pcr. Аналогично части 15, часть 16 дополнительно имеет теплопроводящую область Z3 и теплопроводящую область Z4, выполненные вблизи области A и, соответственно, B.

Области Z1, Z2, Z3 и Z4 опциональны и они выполнены для обеспечения как можно более равномерной температуры в соответствии с соответствующими областями A и B датчика S' так, чтобы улучшить теплообмен с областями A и B полости 5.

Сборка, выполненная из спая 18а, соответствующих константановых и медных дорожек Pcc и Pcr и соответствующего спая 18b, образует термопару 19. Согласно фиг. 3 и 4 датчик S' содержит три термопары 19, последовательно соединенные друг с другом для обеспечения более высокого сигнала. На фиг. 5 показана электрическая схема датчика S ', показанного на фиг. 3 и 4.

На фиг. 6-9 S'' обозначает дополнительный вариант осуществления датчика S, причем общие компоненты, описанные выше для датчиков Sb и S', имеют те же номера позиций. Датчик S'' является многослойным датчиком.

В частности, датчик S'' содержит две подложки 14a и 14b, выполненные из электроизоляционного материала, и часть 15, выполненную из электропроводящего материала и расположенную между подложками 14a и 14b. Предпочтительно часть 15 выполнена из константана.

Датчик S'' содержит две части 16а и 16b, выполненные из меди и нанесенные на подложку 14а и, соответственно, 14b. Часть 15 содержит, в целом, множество константановых дорожек Pcc, в частности пять. Согласно фиг. 6 и 8, часть 16а имеет три медные дорожки Pcr, тогда как часть 16b имеет две медные дорожки Pcr. Разделение медных дорожек Pcr между частями 16a и 16b обеспечивает максимально равномерное распределение тепла внутри датчика S''. Части 16а и 16b дополнительно имеют соединения 21а и, соответственно, 21b с внешними электрическими блоками. Датчик S'' имеет пять термопар.

Части 16а и 16b имеют площадки R; R1, R2, R3, R4, выполненные в области как области A (R1 и R3), так и области B (R2 и R4). Площадки R являются теплопроводящими и выполнены с возможностью улучшения термической однородности в соответствующих областях А и В. Площадки R соединены с соединениями 21b; в частности, площадки R1 и R2 соединены с R3 и R4 через переходные соединения 35, показанные на фиг. 9.

Дополнительно, часть 15 содержит резистор 24, расположенный вблизи области А и соединенный с соединениями 21b через переходные соединения 35. Опционально, на площадках могут быть установлены терморезисторы, например, резисторы на основе технологии поверхностного монтажа (SMT), чтобы увеличить тепловую мощность резистора 24.

Предпочтительно, в случае применения датчика S'' внутри чувствительного элемента 9, части 12а и 12с имеют удлинение, выполненное так, чтобы по меньшей мере частично покрывать площадки R; R1, R2, R3, R4 и резистор 24.

Опционально, можно деактивировать резистор 24 (например, посредством электрического разряда) и использовать один или более терморезисторов (например, резисторов SMT на основе технологии поверхностного монтажа) на одной или более выбранных площадках R в зависимости от типа применения винта 1. Аналогично или альтернативно можно использовать резистор, то есть нагревательный элемент, вблизи области B. Согласно непоказанному здесь варианту датчик S'' является многослойным датчиком и не имеет резистора 24.

На фиг. 10 показана электрическая схема датчика S'', показанного на фиг. 6 и 7.

Предпочтительно датчик S'' имеет резистор 24 и спаи 18 термопары в симметричном положении относительно толщины самого датчика S''; таким образом, расположение подложек 14a, 14b и части 15 позволяет создавать электрический сигнал Vab, доступный для соединений 21a и являющийся более равномерным по сравнению с сигналом однослойного датчика Sb, S', в котором резистор 24 и спаи 18 асимметричны относительно толщины самого датчика S''. Таким образом, предпочтительно электрический сигнал Vab многослойного датчика S'' (с резистором 24 или без него) не зависит от углового положения вокруг оси L и/или крепежного элемента 1.

Кроме того, наличие резистора 24 обеспечивает возможность дополнительных функций, как объяснено ниже.

Согласно непоказанному здесь варианту, чувствительный элемент 9 предварительно собран в корпусе цилиндрической формы, выполненном из смолы, в котором надлежащим образом размещены датчик S и средства для способствования теплообмену между крепежным элементом и самим датчиком S; или предварительно собранный корпус вставлен внутрь металлической трубки, выполненной с возможностью вставления внутрь полости 5.

Согласно непоказанному здесь варианту, крепежный элемент имеет внутреннюю полость, имеющую по меньшей мере частично прямоугольную форму, например, вблизи областей А и В. В этом случае предпочтительно, чтобы чувствительному элементу 9 не требовались части 12а и 12с, поскольку контакт со стенками крепежного элемента 1 или 101 обеспечивается соединением между формой крепежного элемента 1 или 101 и формой датчика S. Полость прямоугольной формы может быть получена из круглой полости, в которой расположены одна или более вставок.

Опционально датчик S непосредственно вставлен внутрь полости крепежного элемента и закреплен вблизи областей A и B, например, посредством смол. Другими словами, датчик S является чувствительным элементом.

Согласно непоказанному здесь варианту, крепежный элемент имеет полость, в которой размещен датчик S, сообщающийся с внешней стороной посредством электрических проводов. Другими словами, крепежный элемент содержит только датчик S и некоторые электрические провода, выступающие из крепежного элемента для соединения датчика S с блоком снаружи крепежного элемента. В этом случае полость может быть чрезвычайно малой, поскольку количество компонентов, которые должны быть размещены внутри крепежного элемента, сведено к минимуму.

Согласно непоказанному здесь варианту, чувствительный элемент 9 или датчик S содержит дополнительное средство (например, термометр сопротивления) для детекции абсолютной температуры T в заданной точке крепежного элемента 1, 101, 201.

На фиг. 11 и 12 показаны два варианта 9' и 9'' чувствительного элемента 9. Согласно фиг. 11 чувствительные элементы 9' и 9'' являются частями цилиндрических трубок, в которых размещены части металлических проводников, электрически изолированных друг от друга порошком из минеральных оксидов. Например, чувствительные элементы 9 'и 9'' изготовлены, начиная с проводов для термопар, с изоляцией минеральными оксидами, широко известными и доступными на рынке под названием AEROPAK®.

На фиг. 11 номером позиции 9' обозначен чувствительный элемент 9', содержащий наружный трубчатый корпус 50, имеющий продольную ось М и продольную внутреннюю полость 51. Чувствительный элемент 9' дополнительно содержит два проводника 52 и проводник 53, которые по меньшей мере частично вставлены в полость 51. Проводники 52 и 53 представляют собой провода, выполненные из электропроводящего материала. Каждый проводник 52 соединен с соответствующим концом проводника 53 так, чтобы образовать спаи 18а и, соответственно, 18b термопары, которые выполнены с возможностью размещения в соответствии с соответствующими областями А и В внутри крепежного элемента 1. Проводники 52 и 53 выполнены из разных материалов, в частности из материалов с различными термоэлектрическими свойствами. Например, проводник 52 выполнен из сплава Ni-Cr (обычно известного как Chromel®), тогда как проводник 53 выполнен из сплава Ni-Al, обычно известного как Alumel®.

Кроме того, чувствительный элемент 9' содержит материал 54, выполненный с возможностью заполнения полости 51 и электрической изоляции проводников 52 и 53 друг от друга. Например, материал 54 представляет собой минеральный оксид, такой как сплав MgO. Проводники 52, выступающие из трубчатого корпуса 50, соединены с соединителем (не показан) известным и непоказанным здесь способом. Концы трубчатого корпуса 50 уплотнены известным и непоказанным здесь способом.

Согласно непоказанному здесь варианту чувствительный элемент 9' содержит дополнительный проводник, причем проводники 52 и 53 соединены друг с другом только в соответствии со спаем 18а термопары. В этом случае проводники 52 и 53 соединены с внешним соединителем посредством соответствующих промежуточных проводников, выполненных, например, из меди. Предпочтительно проводники 52 и 53 соединены с промежуточными проводниками в соответствии с областью В так, чтобы образовать спай 18b термопары. В связи с этим следует отметить, что в соответствии с "законом промежуточных металлов" в спаях с промежуточными проводниками не генерируются эффекты паразитных напряжений, поскольку они выполнены очень близко друг к другу в соответствии с областью B, которая может считаться изотермической областью.

На фиг. 12 номером позиции 9'' обозначен чувствительный элемент 9'', аналогичный чувствительному элементу 9', таким образом, компоненты, общие с компонентами чувствительного элемента 9', имеют те же номера позиций. Чувствительный элемент 9'' имеет множество проводников 52 и множество проводников 53, последовательно соединенных друг с другом внутри корпуса 50 так, чтобы образовать множество спаев 18а и 18b термопар, которые выполнены с возможностью размещения в соответствии с областями А и В крепежного элемента 1. В частности, чувствительный элемент 9'', показанный на фиг. 12, содержит два спая 18а термопары и два спая 18b термопары.

Чувствительные элементы 9' и 9'', описанные выше, обладают тем преимуществом, что они имеют очень малые размеры (их диаметр может быть меньше одного миллиметра); таким образом, чувствительные элементы 9' и 9'' особенно подходят для использования внутри небольших крепежных элементов 1.

Чувствительные элементы 9' и 9'' обладают дополнительным преимуществом, состоящим в том, что они способны противостоять высоким температурам, например температурам выше 300 ° С.

Согласно непоказанному здесь варианту чувствительный элемент 9' или 9'' содержит один или более резисторов, каждый из которых расположен вблизи одного или более спаев 18а или 18b термопары.

На фиг. 16 номером позиции 9''' обозначен другой вариант осуществления чувствительного элемента. Чувствительный элемент 9''' похож на чувствительный элемент 9, и, таким образом, компоненты, общие с компонентами чувствительного элемента 9, имеют те же номера позиций. Чувствительный элемент 9''' содержит гибкую электроизоляционную подложку 14, а именно лист материала, который может быть без повреждения загнут на себя. Предпочтительно подложка 14 согнута так, чтобы образовать чувствительный цилиндр 60, который является полым внутри и может быть вставлен внутрь цилиндрической полости крепежного элемента 1. Таким образом, может быть получен прямой контакт с корпусом 2 крепежного элемента 1, что улучшает теплообмен. Спаи 18а и 18b термопары выполнены на подложке 14 так, чтобы быть расположенными в соответствии с областями А и В. Очевидно, подложки 14 могут содержать множество спаев 18а и 18b термопары для каждой области А и, соответственно, В.

Благодаря цилиндрической форме подложки 14 чувствительный элемент 9''' имеет большую поверхность, контактирующую с крепежным элементом 1, в частности в соответствии с областями А и В; таким образом, может быть обеспечено большее количество спаев 18а и 18b термопары в соответствии с областями А и, соответственно, В. Таким образом, предпочтительно, сигнал Vab дополнительно усиливается и, кроме того, существует более высокая термическая однородность, поскольку спаи 18a и 18b термопары равномерно распределены по периферии подложки 14 чувствительного элемента 9''' и, как следствие, подходят для детекции температуры по всей периферии крепежного элемента 1 в соответствии с областью А и, соответственно, В.

Подложка 14 может быть однослойной или многослойной. Например, подложка 14 может иметь многослойную структуру, подобную той, что показана на фиг. 3-10, а именно она может содержать множество подложек (14а и 14b на фиг. 6-10).

Предпочтительно подложка 14 может быть изготовлена с применением технологий гибких печатных схем или тонких пленок. Преимуществом применения технологии тонких пленок является получение изготовителем подложек 14, которые особенно устойчивы к высоким температурам.

Согласно примеру, показанному на фиг. 16, спаи 18а и 18b термопары представляют собой сквозные спаи, а именно они выполнены посредством переходных соединений, и подложка 14 также имеет дорожки Р (равномерно выполненные из константана или меди), обращенные наружу, а именно, при применении они расположены между подложкой 14 и крепежным элементом 1. Таким образом, в этом случае чувствительный цилиндр 60 предпочтительно закреплен внутри полости 5 крепежного элемента 1 посредством смолы или клея. Предпочтительно полость 5 покрыта слоем электроизоляционного материала (известного и непоказанного), выполненного с возможностью расположения, при применении, между крепежным элементом 1 и чувствительным элементом 9'''. Альтернативно, чувствительный элемент 60 покрыт снаружи электроизоляционным материалом (не показан).

На фиг. 17 номером позиции 9'''' обозначен вариант чувствительного элемента 9''', показанного на фиг. 16. На фиг. 17 элементы, общие с элементами чувствительных элементов 9 и 9''', имеют те же номера позиций.

Аналогично тому, что было описано выше для чувствительного элемента 9''', подложка 14 чувствительного элемента 9'''' также выполнена из гибкого материала.

Следует отметить, что все спаи 18а и 18b термопары примера, показанного на фиг. 17, выполнены на внутренней поверхности подложки 14, что означает, что спаи 18а и 18b термопары не изготовлены так, чтобы посредством переходных соединений быть сквозными спаями в подложке 14; напротив, они изготовлены путем простого перекрывания своими концами проводящих дорожек, выполненных из двух термоэлектрически различных материалов, которые расположены на одной поверхности подложки 14, посредством металлизации или с помощью технологии, известной из области печатных схем или из изготовления тонкопленочных устройств. В этом случае предпочтительно гибкая подложка 14 чувствительного элемента 9'''' действует как электроизоляционный материал с крепежным элементом 1.

Преимуществом является то, что в чувствительных элементах 9'' и 9''' распределение спаев 18а и 18b термопары по всей периферии областей А и В позволяет изготовителю получить суммарный сигнал, учитывающий всю возможную разность температуры в подобластях областей A и B, и, таким образом, своего рода усреднение температуры макрообластей A и B.

Согласно фиг. 16 и 17 чувствительный элемент 9''' или 9'''' дополнительно содержит изолирующий цилиндр 61, выполненный из электроизоляционного материала, который является механически упругим или расширяемым. Изолирующий цилиндр 61 вставлен внутрь чувствительного цилиндра 60 и выполнен для прижатия чувствительного цилиндра 60 к стенкам полости 5 крепежного элемента 1 так, чтобы избежать применения клея или смол для присоединения самого чувствительного элемента 9''' или 9'''', или так, чтобы обеспечить прижатие чувствительного элемента 9''' или 9'''' к крепежному элементу 1 во время этапа склеивания.

Предпочтительно изолирующий цилиндр 61 выполнен из материалов с низкой теплопроводностью, ниже 1 Вт/мК, чтобы не изменять температуру вблизи областей А и В и вблизи спаев 18а и 18b термопары.

Согласно непоказанным здесь вариантам чувствительные элементы 9''' и 9'''' не имеют изолирующего цилиндра 61, и соответствующие подложки 14 непосредственно закреплены посредством клея или смол в полостях 5 соответствующих крепежных элементов 1.

Согласно непоказанным здесь вариантам чувствительные элементы 9''' и 9'''', без изолирующего цилиндра, установлены вокруг соответствующих крепежных элементов, а именно они установлены снаружи соответствующих крепежных элементов и надлежащим образом изолированы, так что температуры снаружи крепежных элементов не влияют на детектируемые данные.

На фиг. 13 номером позиции 101 обозначен вариант винта 1. Винт 101 содержит чувствительный элемент 9, 9', 9'', 9''', 9'''', S (выбранный из описанных выше вариантов), вставленный в полость 5. Винт 101 содержит, в дополнение к компонентам, описанным для винта 1 и имеющим те же номера позиций на фиг. 13, и в качестве замены соединителя 22 электронное устройство 26, содержащее, в свою очередь, секцию 27 обработки сигналов, соединенную с чувствительным элементом 9, 9', 9", 9", 9"", S так, чтобы захватывать и повторно обрабатывать сигналы, детектированные чувствительным элементом 9, 9', 9'', 9''', 9'''', S, секцию 29 беспроводной связи, такую как модуль Bluetooth или модуль WiFi, для передачи сигналов в цифровом формате во внешний блок 30 управления, имеющий (известные) средства 31 беспроводной связи, секцию 33 батарейного источника питания и/или секцию 34 аккумулирования энергии, такую как, например, микрогенератор Пельтье.

Предпочтительно секция 33 батарейного источника питания и/или секция 34 аккумулирования энергии могут быть заменены или объединены с источником беспроводного питания. Например, согласно не показанному здесь варианту, крепежный элемент 1 может содержать индуктор (не показан), выполненный с возможностью, при применении, быть обращенным наружу; аналогично, измерительное устройство может содержать, в свою очередь, индуктор, выполненный с возможностью размещения вблизи, а именно на расстоянии нескольких миллиметров от головки крепежного элемента так, чтобы только в этот момент подавать питание к цепям на плате крепежного элемента 1 и, в то же время, обеспечивать обмен данными и, если это необходимо, также подзарядку возможной батареи или элемента аккумулирования электрической энергии.

Опционально электронное устройство 26 может содержать секцию 28 запоминающего устройства для хранения сигналов в цифровом формате и/или секцию 32 управления для управления возможными резисторами 24.

Электронное устройство 26 выполнено с возможностью захвата, хранения и передачи данных, захваченных чувствительным элементом 9, 9', 9'', 9''', 9'''', S, чтобы передавать указанные данные в блок 30 управления.

Согласно фиг. 13 электронное устройство 26 вставлено внутрь головки 3 в концевой части 8.

Согласно не показанному здесь варианту электронное устройство 26 по меньшей мере частично закреплено снаружи винта 1; например, микрогенератор Пельтье и/или средства беспроводной связи/источника питания и/или секция 34 аккумулирования энергии могут выступать наружу из винта 1.

На фиг. 14 номером позиции 201 обозначен вариант винта 1 в виде шпильки.

Шпилька 201 содержит корпус 202 с продольной осью L и имеет по существу цилиндрическую форму. Шпилька 201 имеет, известным образом, две резьбы f1 и f2, выполненные в соответствии с концами 203 и, соответственно, 204 корпуса 202.

Корпус 202 имеет продольную сквозную полость 205, имеющую цилиндрическую форму. Шпилька 201 содержит чувствительный элемент 9, 9', 9'', 9''', 9'''', S (выбранный из описанных выше вариантов), вставленный в полость 205. Согласно фиг. 14 полость 205 имеет концевую часть 208, имеющую большее поперечное сечение, позволяющее разместить в ней, например, электронное устройство 26 типа, описанного выше для винта 101. Предпочтительно кожух 208 выполнен в области шпильки 26, которая выполнена с возможностью выступать наружу из механического компонента и не может подвергаться напряжениям.

Согласно непоказанному здесь варианту чувствительный элемент 9, 9', 9'', 9''', 9'''', S установлен снаружи крепежного элемента и надлежащим образом изолирован, так что температуры снаружи крепежного элемента не влияют на детектируемые данные.

Согласно фиг. 15 крепежный элемент, в данном случае винт 101, может быть установлен в уже существующем гнезде 39 механического компонента 40 для соединения двух компонентов 41, 42, через которые проходит тепловой поток в направлении потока, указанном линией F теплового потока. При применении чувствительный элемент 9, 9', 9'', 9''', 9'''' S обеспечивает сигнал, пропорциональный разности температур Ta и Tb изотерм в соответствии с областями A и B крепежного элемента 1, 101, 201. Другими словами, согласно примеру, показанному на фиг. 15, разность температуры T, детектируемой спаями 18a и спаями 18b, зависит от теплового потока F внутри механического компонента в соответствии с винтом 101 между областями A и B.

В частности, сигнал Vab напряжения в микровольтах, выдаваемый чувствительным элементом 9, 9', 9'', 9''', 9'''', S, определяется уравнением:

Vab=n*(Sc1 - Sc2)*(Ta-Tb)

причем:

n - количество термопар 19;

Sc1 - коэффициент термоэдс проводника термопары, например, меди медной дорожки Pcr;

Sc1 - коэффициент термоэдс другого проводника термопары, например, константана константановой дорожки Pcc;

Ta - температура спаев 18a термопары в соответствии с областью A; и

Tb - температура спаев 18b термопары в соответствии с областью B.

В случае константана коэффициент термоэдс составляет приблизительно -35 [мВ/К], тогда как коэффициент термоэдс меди составляет приблизительно 6,5 [мВ/К]. Выбор константана и меди в качестве материалов, используемых для термопар 19, позволяет изготовителю получить сигнал Vab чувствительного элемента 9, 9', 9", 9"', 9"", S, имеющий более равномерную динамику в требуемом температурном диапазоне по сравнению с выбором других материалов.

Следует отметить, что на термопары 19 не требуется подавать питание (в отличие от применения термометров сопротивления) для передачи сигнала Vab, соответствующего разности температуры (Ta-Tb); таким образом, применение термопар 19 особенно предпочтительно, когда на чувствительный элемент 9, 9', 9'', 9''', 9'''', S подается питание от батареи или источников энергии с ограниченной емкостью (например, в случае аккумулирования энергии).

Детектированные сигналы Vab отправляются в блок 30 управления в беспроводном режиме посредством устройства 26; альтернативно, в случае применения системы, показанной на фиг. 1, сигналы отправляются посредством проводов 20 (например, в случае стендового испытания механического компонента). Блок 30, 23 управления обрабатывает сигналы Vab и испускает сигналы тревоги, например, в случае превышения пороговых значений.

Благодаря созданию сигнала, соответствующему разности температуры (Ta-Tb) внутри одиночного чувствительного элемента 9, 9', 9'', 9''', 9'''', S, производитель может чрезвычайно недорого, легко, просто, быстро, и при небольшом занимаемом пространстве получить результаты, относящиеся к работе механического компонента 40, на котором он установлен.

Фактически, наклон кривой, полученной с помощью детектированных сигналов Vab, указывает на быстроту, с которой изменяется заданная температура, и, как следствие, на возможное тепловое напряжение, которому подвергается механический компонент 40.

Кроме того, преимуществом является возможность определения правильного затягивания крепежного элемента 1, 101, 201 в случае применения датчика S, содержащего один или более нагревательных элементов (например, резистор 24 или один или более резисторов SMT, установленных на специальных площадках), которые активируются для нагрева одной из областей A или B. Таким образом, может быть получено изменение сигнала Vab (при тех же условиях окружающей среды) в зависимости от теплообмена (из-за различной диссипация тепла вследствие проводимости, вызванной изменением теплового сопротивления между крепежным элементом и механическим компонентом) между механическим компонентом 40 и крепежным элементом 1, 101, 201. Другими словами, при применении датчика типа S'' сигнал Vab может быть использован, когда резистор 24 активирован, для определения правильного затягивания (или его отсутствия) крепежного элемента 1, 101, 201 в механическом компоненте 40. Очевидно, что то же самое также может быть применено ко всем другим упомянутым выше и не показанным здесь решениям, которые включают в себя применение резисторов.

Кроме того, описанные выше датчики S, Sb, S' e S'' обладают следующими преимуществами: высокая повторяемость и стабильность во времени; низкое потребление энергии (для датчиков без нагревателей); хорошая линейность в диапазоне температур применения; и относительно низкие издержки.

Согласно непоказанному здесь варианту крепежный элемент содержит, вместо чувствительного элемента 9 или 9', пару детекторов абсолютной температуры, таких как, например, термометры сопротивления Pt100 или Pt1000 (обычно известные как резистивные датчики температуры (RTD)). Однако система такого типа включает в себя затраты на изготовление, превышающие затраты на изготовление чувствительного элемента 9, 9', 9'', 9''', 9'''', S, подобного описанному выше, при этом на термометр сопротивленияы необходимо подавать питание (увеличение потребления и затрат).

Согласно непоказанному здесь варианту чувствительный элемент 9, 9', 9'', 9''', 9'''', S содержит термометр сопротивления в качестве нагревательного элемента, в частности термометр сопротивления Pt100 или Pt1000. В связи с этим следует отметить, что термометр сопротивления Pt100 или Pt1000 представляет собой резистор, изменяющий свое резистивное значение на основе температуры и может также действовать как нагреватель, если на него должным образом подается питание, а именно с мощностью по меньшей мере 10 мВт, предпочтительно с мощностью в диапазоне от 50 мВт до 1 Вт. Таким образом, кроме того, что добавление термометра сопротивления, в частности термометра сопротивления Pt100 или Pt1000, позволяет измерять упомянутый выше температурный градиент, также оно позволяет измерить чувствительным элементом 9, 9', 9", 9"', 9"", S абсолютную температуру в областях A и B и детектировать отвинчивание. Можно использовать электронное управление, которое позволяет альтернативно использовать термометр сопротивления в качестве нагревателя или в качестве измерителя абсолютной температуры. Таким образом, если датчик S содержит термометр сопротивления, действующий в качестве нагревательного элемента, на термометр сопротивления может подаваться питание, чтобы обеспечить его работу в качестве нагревателя или в качестве датчика абсолютной температуры в области A или B.

Очевидно, что чувствительный элемент 9, 9', 9'', 9''', 9'''', S может быть установлен как внутри, так и снаружи крепежных элементов, отличных от винта 1, 101 и шпильки 201 (таких как стяжные шпильки или подобные элементы).

Применение крепежного элемента (например, винта 1, 101 или шпильки 201) позволяет расположить чувствительный элемент 9, 9', 9'', 9''', 9'''', S вблизи контролируемого механического компонента 40, например, двигателя/компонента автоматических машин/кинематических соединений, используя гнезда 39, которые обычно уже имеются в самих механических компонентах 40. Кроме того, крепежные элементы 1, 101, 201 согласно изобретению имеют стандартные размеры и могут заменить уже используемые сходные крепежные элементы. Таким образом, крепежный элемент 1, 101, 201 также может быть установлен внутрь уже имеющихся механических компонентов 40, минимизируя время установки и затраты, если он необходим для замены уже используемых крепежных элементов. Более того, учитывая чрезвычайно малые размеры чувствительного элемента 9, 9', 9'', 9''', 9'''', S, объем и вес крепежного элемента 1, 101, 201 могут быть уменьшены до минимума.

Крепежные элементы 1, 101, 201, выполненные из указанных выше материалов (титан; никель-хромовые сплавы, обычно известные как INCONEL®; нержавеющая сталь X1CrNiMoAlTi12-11-2, обычно известная как MLX17®; нержавеющая сталь X1NiCrMoAlTi12-10-2, обычно известная как MLX19®; дисперсионно твердеющая нержавеющая сталь в диапазоне 13-8 или 15-5, или 17-4; сталь с соотношением компонентов Si, Cr 19,00-21,00, Ni 33,00- 37,00, Mo 9,00-11,00, Ti макс. 1,00, B 0,01, Fe макс. 1,00, Bal Co, обычно известная как MP35N®; сталь, содержащая никель и кобальт, обычно известная как MARAGING® и/или VASCOMAX®, например MARAGING300 или AERMET®100; сталь AISI4340 и AISI304) обладают малым весом и, в то же время, высокой механической прочностью. Таким образом крепежные элементы 1, 101, 201, выполненные из одного из указанных выше материалов, могут быть использованы в механических компонентах, требующих уменьшения веса и/или размеров, обеспечивая в то же время высокую механическую прочность, что применяется в авиации или в спортивных/гоночных автомобилях.

Более того, применение указанных выше материалов позволяет изготовителю выполнить внутреннюю часть крепежных элементов 1, 101, 201 более легкой, чтобы обеспечить возможность установки чувствительного элемента 9, 9', 9", 9"', 9"", S и, в то же время, обеспечить механическую прочность крепежного элемента 1, 101, 201, несмотря на внутреннюю облегченную полость 5. Очевидно, что максимальные формы и размеры облегченной полости 5 устанавливаются в зависимости от расчетных данных, в частности от максимальной нагрузки и сопротивления напряжению, обеспечиваемого крепежным элементом 1, 101, 201.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для детекции потока тепла внутри механических компонентов, имеющих крепежный элемент. Заявлен крепежный элемент (1; 101; 201) и применение чувствительного элемента (9) для детекции теплового потока внутри механических компонентов. Причем крепежный элемент (1; 101; 201), такой как винт или шпилька, имеет корпус (2; 202) и чувствительный элемент (9), выполненный с возможностью детекции разности температуры между первой и второй областями (A, B) корпуса (2; 202) крепежного элемента (1; 101, 201) так, чтобы определить, в зависимости от указанной разности температуры, тепловой поток (F), текущий через крепежный элемент (1; 101; 201) и механический компонент (40), в котором он установлен. Технический результат – повышение точности и информативности получаемых данных. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Крепежный элемент (1; 101; 201), такой как винт или шпилька, содержащий корпус (2; 202) и чувствительный элемент (9; 9'; 9''; 9'''; 9''''; S), который выполнен с возможностью детекции разности температуры между первой и второй областями (A, B) указанного корпуса (2; 202).

2. Крепежный элемент (1; 101; 201) по п. 1, причем чувствительный элемент (9; 9'; 9''; 9'''; 9''''; S), в свою очередь, содержит первый и второй проводники (Pсc, Pсr; 52, 53), соединенные друг с другом в соответствии с первым и вторым спаями (18a, 18b) термопары, в соответствии с первой и, соответственно, второй областями (A, B) указанного корпуса (2; 202); причем первый и второй спаи (18а, 18b) термопары выполнены с возможностью детекции сигнала (Vab), соответствующего разности температуры между указанными первой и второй областями (A, B).

3. Крепежный элемент (1; 101; 201) по п. 2, причем сборка, выполненная из первого и второго проводников (Pcc, Pcr; 52, 53) и из первого и второго спаев (18a, 18b) термопары, представляет собой термопару (19), при этом чувствительный элемент (9; 9"; 9'''; 9''''; S; S'; S'') содержит множество термопар (19), последовательно соединенных друг с другом и выполненных с возможностью детекции разности температуры между первой и второй областями (А, В) указанного корпуса (2; 202).

4. Крепежный элемент (1; 101; 201) по п. 2 или 3, причем чувствительный элемент (9; 9'''; 9''''; S'; S'') содержит одну или более теплопроводящих областей (Z1; Z2; R; R1, R2, R3, R4), каждая из которых расположена вблизи соответствующей области (A; B).

5. Крепежный элемент (1; 101; 201) по любому из пп. 2-4, причем чувствительный элемент (9; 9''') содержит многослойный датчик (S'').

6. Крепежный элемент (1; 101; 201) по любому из пп. 1-5, содержащий резистор (24), расположенный вблизи одного или более спаев (18а, 18b) термопары.

7. Крепежный элемент (1; 101; 201) по п. 6, причем резистор представляет собой термометр сопротивления, в частности термометр сопротивления (Pt100 или Pt1000), выполненный с возможностью применения в качестве нагревателя и/или измерителя.

8. Крепежный элемент (1; 101; 201) по любому из пп. 1-3, причем чувствительный элемент (9'; 9'') содержит трубчатый корпус (50), имеющий внутреннюю полость (51), внутрь которой по меньшей мере частично вставлены указанные проводники (52, 53); чувствительный элемент (9'; 9'') содержит электроизоляционный материал (54), вставленный внутрь указанной полости и выполненный с возможностью электрической изоляции указанных проводников (52, 53) друг от друга.

9. Крепежный элемент (1; 101; 201) по любому из пп. 2-8, содержащий электронное устройство (26), которое, в свою очередь, содержит:

секцию (27) обработки сигналов, соединенную с указанным чувствительным элементом (9; 9'; 9"; 9"'; 9""; S) так, чтобы захватывать и повторно обрабатывать сигналы (Vab), детектированные указанным чувствительным элементом (9; 9'; 9"; 9"'; 9""; S); и

секцию (29) беспроводной связи для передачи сигналов (Vab) во внешний блок (30) управления, имеющий средства (31) беспроводной связи.

10. Крепежный элемент (1; 101; 201) по п. 9, причем электронное устройство (26) содержит одну или более из следующих секций на выбор: секцию (28) запоминающего устройства для хранения сигналов (Vab); секцию (32) управления для управления возможными резисторами (24); секцию (33) батарейного источника питания; и секцию (34) аккумулирования энергии, такую как, например, микрогенератор Пельтье.

11. Крепежный элемент (1; 101; 201) по любому из пп. 1-10, причем чувствительный элемент (9'''; 9'''') содержит подложку (14), выполненную из гибкого материала, при этом подложка согнута так, чтобы образовать чувствительный цилиндр (60), причем подложка (14) содержит один или более первых спаев (18а) термопары и один или более вторых спаев (18b) термопары.

12. Крепежный элемент (1; 101; 201) по любому из пп. 1-11, причем чувствительный элемент (9, 9', 9", 9"', 9"", S), выполненный с возможностью детекции разности температуры между первой и второй областями (A, B) корпуса (2; 202) крепежного элемента, нанесен снаружи указанного корпуса (2; 202).

13. Способ детекции теплового потока (F) внутри механического компонента (40) посредством крепежного элемента (1; 101, 201) по любому из пп. 1-9; причем способ содержит этапы:

- устанавливают указанный крепежный элемент (1; 101; 201) на механическом компоненте (40);

- детектируют сигналы, соответствующие разности температуры между первой и второй областями (A, B) корпуса (2; 202) крепежного элемента (1; 101; 201) во время работы механического компонента (40);

- передают указанные сигналы в блок (23; 30) управления; и

- обрабатывают указанные сигналы посредством блока (23; 30) управления.

14. Способ по п. 13, в котором каждый крепежный элемент (1; 101; 201) содержит чувствительный элемент (9; 9'; 9"; 9'"; 9""; S), содержащий, в свою очередь, по меньшей мере первый и второй проводники (Pcc, Pcr; 52, 53), соединенные друг с другом в соответствии с первым и вторым спаями (18а, 18b) термопары, в соответствии с первой и, соответственно, второй областями (A, B) корпуса (2; 202); причем сборка, выполненная из первого и второго проводников (Pcc, Pcr; 52, 53) и из первого и второго спаев (18a, 18b) термопары, представляет собой термопару (19), при этом каждый чувствительный элемент (9; 9'; 9"; 9'"; 9""; S) содержит одну термопару (19) или различные термопары (19), последовательно соединенные друг с другом; каждая термопара (19) выполнена с возможностью детекции разности температуры между первой и второй областями (А, В) указанного корпуса (2; 202); при этом в течение этапа детекции сигнал (Vab), детектируемый чувствительным элементом (9; 9'; 9"; 9"; 9""; S), определяется следующим уравнением:

Vab=n*(Sc1 - Sc2)*(Ta-Tb),

где:

n - количество термопар (19) чувствительного элемента (9; 9'; 9"; 9'"; 9""; S);

Sc1 - коэффициент термоэдс первого проводника (Pcr) термопары (19), например Sc1 - коэффициент термоэдс меди;

Sc2 - коэффициент термоэдс второго проводника (Pcc) термопары (19), например Sc2 - коэффициент термоэдс константана;

Ta - температура первого спая (18a) термопары в соответствии с первой областью (A); и

Tb - температура второго спая (18b) термопары в соответствии со второй областью (B).

15. Способ по п. 14, в котором чувствительный элемент (9; 9'''; 9''''; S'') содержит нагревательное средство (24), на которое подается электрическое питание и которое расположено в соответствии со спаем (18a, 18b) термопары, причем во время этапа детекции температура (Ta; Tb) соответствующего спая (18a; 18b) термопары по меньшей мере частично зависит от электрической мощности, подаваемой на указанное нагревательное средство (24).

16. Применение чувствительного элемента (9; 9'; 9"; 9"'; 9""; S) для детекции разности температуры между первой и второй областями (A, B) крепежного элемента (1; 101; 201).