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

Изобретение относится к средствам теплофизических измерений и может быть использовано для калибровки датчиков теплового потока (далее - 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. Единственный метод крепления - это приклейка 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 датчиков теплового потока, 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 датчиков теплового потока по схеме Гордона 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», опубл. 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. Основным недостатком большинства известных способов калибровки датчиков теплового потока является низкая производительность проведения калибровки из-за того, что характеристики эталонного и исследуемого датчиков снимаются последовательно. В условиях массового производства это ограничивает производительность изготовления датчиков теплового потока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является техническое решение по патенту РФ №2795250 «Способ калибровки датчиков теплового потока», МПК G01K 19/00, G01K 17/00, опубл. 02.05.2023. Способ включает 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 предлагаемого изобретения является упрощение и удешевление способа калибровки ДТП в условиях массового производства датчиков теплового потока.

Для достижения этой цели предложен способ градуировки датчиков теплового потока, содержащий генерирование теплового потока в заданном диапазоне, регистрацию выходного сигнала исследуемого и эталонного датчиков теплового потока и приведение в соответствие сигнала исследуемого датчика теплового потока и измеренной плотности теплового потока, отличающийся тем, что исследуемые и эталонные датчики теплового потока монтируют группами на платформе, тепловой поток в требуемом диапазоне получают применением инфракрасного нагревателя, снабженного отражателем на основе линейных галогенных ламп, причем лампы расположены в два ряда таким образом, что лампы одного ряда по отношению к лампам второго ряда образуют угол в 90°, а тепловое воздействие на датчики теплового потока производят для всех групп датчиков теплового потока, монтированных на платформе, в которых находится минимум один эталонный датчик теплового потока, в одной плоскости с которым смонтированы несколько исследуемых датчиков теплового потока, при этом синхронно с тепловым воздействием регистрируют показания эталонных и исследуемых датчиков теплового потока, а калибровочную характеристику для каждого исследуемого датчика теплового потока оформляют по эталонному датчику теплового потока, который находится на минимальном расстоянии от исследуемого датчика теплового потока. Напряжение питания галогенных ламп, соединенных треугольником или по схеме звезда, выбирают однофазным или трехфазным. Платформа, на которую монтируются группы датчиков теплового потока, выполнена с возможностью ее охлаждения жидкостью или газом.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации.

На чертеже представлен вариант осуществления предлагаемого изобретения, где тепловой поток формируется плоским инфракрасным нагревателем на основе линейных галогенных ламп 4, расположенных в два ряда таким образом, чтобы между лампами первого и второго рядов образовался угол 90°. Лампы 4 через электрические шины 6 подключаются к источнику питания. Таким образом, задается необходимая плотность теплового потока. При этом исследуемые 1 и эталонные 2 датчики теплового потока монтируются группами в платформе (сборке) 3. Для увеличения максимальной плотности теплового потока инфракрасный нагреватель снабжен отражателем 5. Платформа 3, галогенные лампы 4 и отражатель 5 монтируются в опорном каркасе 7.

Внедрение предлагаемого изобретения позволяет провести калибровку датчиков теплового потока при меньших временных и финансовых затратах по сравнению с известными способами.

Изобретение относится к средствам теплофизических измерений и может быть использовано для калибровки датчиков теплового потока (далее - ДТП) при наземных испытаниях в установках радиационного нагрева. Предложен способ градуировки датчиков теплового потока, содержащий генерирование теплового потока в заданном диапазоне, формирование теплового потока, регистрацию выходного сигнала исследуемого и эталонного датчиков и приведение в соответствие сигнала исследуемого датчика и измеренной плотности теплового потока, где тепловой поток в требуемом диапазоне получают применением инфракрасного нагревателя, снабженного отражателем на основе линейных галогенных ламп. Лампы расположены в два ряда таким образом, что лампы одного ряда по отношению к лампам второго ряда образуют угол в 90°, а тепловое воздействие на датчики теплового потока производится для всех групп, в которых находится минимум один эталонный датчик теплового потока, в одной плоскости с которым смонтированы несколько исследуемых датчиков теплового потока. При этом синхронно с тепловым воздействием регистрируются показания эталонных и исследуемых датчиков, а калибровочная характеристика для каждого исследуемого датчика оформляется по эталонному датчику, который находится на минимальном расстоянии. Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение способа калибровки ДТП в условиях массового производства датчиков теплового потока. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ градуировки датчиков теплового потока, содержащий генерирование теплового потока в заданном диапазоне, регистрацию выходного сигнала исследуемого и эталонного датчиков теплового потока и приведение в соответствие сигнала исследуемого датчика теплового потока и измеренной плотности теплового потока, отличающийся тем, что исследуемые и эталонные датчики теплового потока монтируют группами на платформе, тепловой поток в требуемом диапазоне получают применением инфракрасного нагревателя, снабженного отражателем на основе линейных галогенных ламп, причем лампы расположены в два ряда таким образом, что лампы одного ряда по отношению к лампам второго ряда образуют угол в 90°, а тепловое воздействие на датчики теплового потока производят для всех групп датчиков теплового потока, монтированных на платформе, в которых находится минимум один эталонный датчик теплового потока, в одной плоскости с которым смонтированы несколько исследуемых датчиков теплового потока, при этом синхронно с тепловым воздействием регистрируют показания эталонных и исследуемых датчиков теплового потока, а калибровочную характеристику для каждого исследуемого датчика теплового потока оформляют по эталонному датчику теплового потока, который находится на минимальном расстоянии от исследуемого датчика теплового потока.

2. Способ градуировки датчиков теплового потока по п.1, отличающийся тем, что напряжение питания галогенных ламп, соединенных треугольником или по схеме звезда, выбирают однофазным или трехфазным.

3. Способ градуировки датчиков теплового потока по п.1, отличающийся тем, что платформа, на которую монтируются группы датчиков теплового потока, выполнена с возможностью ее охлаждения жидкостью или газом.