Способ калибровки датчиков теплового потока Российский патент 2025 года по МПК G01K19/00 G01K17/00 

Изобретение относится к средствам теплофизических измерений и может быть использовано для калибровки датчиков теплового потока (ДТП) при наземных испытаниях в установках радиационного нагрева.

Измерения температуры поверхности и теплового потока играют очень важную роль при проведении наземных теплопрочностных испытаний обтекателей гиперзвуковых ракет.

В настоящее время задание тепловых режимов при испытаниях керамических обтекателей гиперзвуковых ракет проводится по температуре наружной поверхности керамической оболочки. Это наиболее простой из известных способов управления нагревом, однако для его реализации применяется контактный метод измерения температуры. Применение такого метода при радиационном нагреве керамических обтекателей ограничивается способом крепления термопар, то есть приклеванием электродов термопар к исследуемой поверхности высокотемпературными клеями. По этой причине погрешность задания тепловых режимов от изделия к изделию при больших темпах нагрева может достигать до 30% и более. Для того, чтобы снизить эту погрешность требуется оценить величину плотности теплового потока на всей траектории полета, синхронно с измерением температуры. Измерение плотности теплового потока на всей траектории полета проводят охлаждаемыми датчиками теплового потока, в основном это ДТП по схеме Гордона. При производстве и эксплуатации этих датчиков требуется проведение их градуировки (калибровки).

В технике известны средства и способы градуировки ДТП, например технические решения по авторским свидетельствам СССР: №1075091, №1024752, №1500870. В этих способах для градуировки пропускают электрический ток через чувствительный элемент датчика с измерением электрической мощности и оценивают скорость прогрева датчика. Применение этих способов целесообразно для градуировки пластинчатых датчиков теплового потока, а для градуировки охлаждаемых датчиков теплового потока по схеме Гордона их технически невозможно использовать.

Известны также устройства градуировки датчиков теплового потока по патентам Российской Федерации: №2452927, №2408854. При всех их достоинствах эти устройства не могут быть применены для градуировки охлаждаемых ДТП по схеме Гордона по следующей причине: из-за конструктивных особенностей. Эти устройства адаптированы под конкретные конструкции ДТП, поэтому их сложно применить для градуировки типовых конструкций.

Представляет интерес для градуировки датчиков теплового потока методика авторов С.М. Осадчий, Б.Г. Потапов «Государственный эталон единицы плотности радиационного теплового потока в диапазоне от 5 до 2500 кВт/м²», опубликованной в «Альманахе современной метрологии», № 12 за 2017 г. В статье описана градуировка эталонного ДТП с помощью радиометра-калориметра, где в зону лучей теплового потока на выходе световода последовательно устанавливаются радиометр-калориметр и калибруемый ДТП. Напряжение сигнала датчика ставится в соответствие измеренной плотности теплового потока. Эта схема может быть использована и для ДТП по схеме Гордона, однако, как заявляют авторы, существенной проблемой для разработки такой схемы является создание источника мощного теплового потока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является техническое решение по патенту РФ №2795250 «Способ калибровки датчика теплового потока», включающий генерирование излучателями лучистого теплового потока, формирование теплового потока на входе световода наложением n-го количества параллельных пучков излучения от n-го количества излучателей, установленных на сферическом сегменте по нормали к его поверхности. Ось симметрии световода совпадает с осью симметрии сферического сегмента, а центр окружности входа световода совпадает с центром сферы сегмента, причём световод выполнен в виде оболочки усечённого конуса с зеркальным внутренним покрытием.

Основные недостатки предложенного прототипа:

- сложность источника излучения;

- низкая производительность калибровки из-за последовательного подключения эталонного и исследуемого датчика теплового потока.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является упрощение способа калибровки ДТП за счет применения солнечной энергии.

Для достижения этой цели предложен способ калибровки датчика теплового потока, включающий генерирование концентратором теплового потока, формирование теплового потока на входе полой ловушки, установку исследуемого датчика теплового потока на выходе полой ловушки, регистрацию выходного сигнала исследуемого датчика и приведение в соответствие сигнала исследуемого датчика теплового потока и эталонной плотности теплового потока, причем тепловой поток генерируют концентрацией солнечного излучения на вход полой ловушки типа тел вращения, ось симметрии которой совпадает с осью вращения концентратора солнечного излучения, причем внутренняя стенка ловушки выполнена зеркальной, а на выходе ловушки монтируется устройство для помещения исследуемого датчика теплового потока, а на наружной поверхности ловушки монтируется кольцо с датчиками солнечного излучения таким образом, чтобы их входы находились в одной плоскости, перпендикулярной оси симметрии ловушки, при этом по измеренным показаниям датчиков солнечного излучения определяют плотность теплового потока на выходе. В качестве концентратора солнечного излучения можно использовать вогнутое зеркало или длиннофокусные линзы Френеля.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примером его реализации.

На чертеже представлен вариант осуществления предполагаемого изобретения, где тепловой поток формируется концентратором солнечного излучения 1, в фокусе, которого смонтирована коническая ловушка 4 с помощью ребер 2 и держателя 3. Выход ловушки 4 выполнен так, чтобы можно было смонтировать исследуемый или эталонный датчики теплового потока, а для контроля плотности солнечного излучения в плоскости, проходящей через сечение выхода ловушки 4 смонтировано кольцо 5 на котором установлены n датчиков теплового потока 6 для регистрации плотности солнечного излучения. Выход ловушки 4 обозначен цифрой 7, а солнечное излучение цифрой 8.

Предлагаемый способ реализовывается следующим образом.

Солнечное излучение 8 концентрируется концентратором 1 (вогнутое зеркало или длиннофокусные линзы Френеля) и ловушкой 4, на выходе 7, на которой монтируется исследуемый или эталонный датчик теплового потока. Требуемая плотность теплового потока достигается конструкцией концентратора 1 и диапазоном измерения исследуемого датчика теплового потока. Плотность теплового потока на выходе ловушки солнечного излучения можно рассчитать по формуле:

где - показания датчиков солнечного излучения; - количество датчиков солнечного излучения; - коэффициент полезного действия использования солнечной энергии; - радиус концентратора солнечной энергии; - радиус выхода ловушки, где монтируется исследуемый датчик.

Коэффициент полезного действия (КПД) использования солнечной энергии определяется экспериментально, применяя датчик теплового потока с известными параметрами. Так как КПД, в основном, зависит от конструкции и оптических свойств концентратора 1, то его можно считать постоянным во всем диапазоне измерения. В этом случае градировочную характеристику можно получить по уровню солнечного излучения. Для того, чтобы повысить точность измерения солнечного излучения 8 применяются несколько датчиков 6, расположенных в одной плоскости. Далее, по среднему значению солнечного излучения определяется плотность теплового потока на выходе ловушки 4.

Предлагаемое техническое решение упрощает процесс градуировки датчиков теплового потока с диапазоном измерения плотности теплового потока до 5МВт. Для этого потребуется концентратор 1 с радиусом не более 0,5м при

Таким образом, применение предполагаемого изобретения позволяет провести калибровку датчиков теплового потока при меньших трудозатратах по сравнению с известными способами.

Изобретение относится к средствам теплофизических измерений и может быть использовано для калибровки датчиков теплового потока (ДТП) при наземных испытаниях в установках радиационного нагрева. Предложен способ калибровки датчика теплового потока, включающий генерирование концентратором теплового потока, формирование теплового потока на входе полой ловушки, установку исследуемого датчика теплового потока на выходе полой ловушки, регистрацию выходного сигнала исследуемого датчика и приведение в соответствие сигнала исследуемого датчика теплового потока и эталонной плотности теплового потока. Причем тепловой поток генерируют концентрацией солнечного излучения на вход полой ловушки типа тел вращения. На выходе ловушки монтируется устройство для помещения исследуемого датчика теплового потока, а на наружной поверхности ловушки монтируется кольцо с датчиками солнечного излучения. По измеренным показаниям датчиков солнечного излучения определяют плотность теплового потока на выходе ловушки солнечного излучения, соответствующую эталонной плотности теплового потока. По найденным значениям плотности теплового потока на выходе ловушки солнечного излучения строят калибровочную кривую исследуемого датчика теплового потока и калибруют исследуемый датчик теплового потока. Технический результат - упрощение процедуры калибровки датчиков теплового потока по сравнению с известными способами. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ калибровки датчика теплового потока, включающий генерирование концентратором теплового потока, формирование теплового потока на входе полой ловушки, установку исследуемого датчика теплового потока на выходе полой ловушки, регистрацию выходного сигнала исследуемого датчика и приведение в соответствие сигнала исследуемого датчика теплового потока и эталонной плотности теплового потока, причем тепловой поток генерируют концентрацией солнечного излучения на вход полой ловушки типа тел вращения, ось симметрии которой совпадает с осью вращения концентратора солнечного излучения, причем внутренняя стенка ловушки выполнена зеркальной, а на выходе ловушки монтируется устройство для помещения исследуемого датчика теплового потока, а на наружной поверхности ловушки монтируется кольцо с датчиками солнечного излучения таким образом, чтобы их входы находились в одной плоскости, перпендикулярной оси симметрии ловушки, при этом по измеренным показаниям датчиков солнечного излучения определяют плотность теплового потока на выходе ловушки солнечного излучения, соответствующую эталонной плотности теплового потока, по формуле:

где q_i - показания датчиков солнечного излучения; n - количество датчиков солнечного излучения; - коэффициент полезного действия использования солнечной энергии, определенный экспериментально по показаниям эталонного датчика теплового потока; R_k - радиус концентратора солнечной энергии; R_d - радиус выхода ловушки, где монтируется исследуемый датчик, по найденным значениям плотности теплового потока на выходе ловушки солнечного излучения строят калибровочную кривую исследуемого датчика теплового потока и калибруют исследуемый датчик теплового потока.

2. Способ калибровки датчиков теплового потока по п.1, отличающийся тем, что в качестве концентратора солнечного излучения можно использовать вогнутое зеркало или длиннофокусные линзы Френеля.