Датчик теплового потока Советский патент 1983 года по МПК G01J5/12 

М I I и I I I I i М I t-j

ел

N9

00 00 4 i10 Изобретение относится к термоэлектрическим датчикам теплового потока и может найти применение в качестве 4yjB ствйтелыюго эпеме гга в тепломерах, радиометрах, калориметрах н других ус-фойствах для замера тепловых нотоко Известны термоэлементы, в которых исптатьауется явление аиизотропии термо ЭДС в монокристаплак. Датчик теплового потока такого типа представляет собой вырезанную под углом к главной крисгалл графической оси монокристапла пластину. Прд цейсгвием пронизывагодег7о пластину теплового потока в ней возникают викре- вые термоэлектрические токи,обусливлива 1ощие,вслецствие анизотропии свойств и указанной ориентации монокристалла отно сительно направления теплового потока, Появление поперечной относителыю гра диёнта температуры в пластине термо-ЭД Величина этой термо- ЭДС пропорциональ на плотности теплового потока и может слуясить его мерой 1 CtaHaKo ограничеш1ый выбор полупроЬодн)жовых монокристаллов, обладающих высокой термоэлектрической добротностью в сочетании с сильно выравненной анизо1роп 1ей свойств, технологические трудности их механической обработки, Низкая термическая стойкость и жруикость ограничивают распространение в качестве датчиков теплового потока таких термоэлементов. Наиболее близким к изобретению явля ется датчик теплового потока, содержащий вспомогательную, стенку с искуствен ао-аншзотропной структурой, состоящую из чередующихся участков двух изотропных термоэлектрических материалов. Под действием пронизь Вающехх вспомогательную стенку теплового потока и датчика Вознш ают ва февые термоэлектрические токи.привопяшие вслепствие наклонного расположения слоев термоэпектрнческих материалов к появлению поперечной относигепьно направления теплового потока термо-ЭДС,как это имеет место в анизотропном монокристаллическом термоэлементе. Термо-ЭДС,генерируемая датчиком со вспомогательной стенкой,определяется градиентом температуры в стенке и не зависит от ее топшины.Благодаря этому датчик может быть выполнен малоннерционным поскольку его чувствитепьног ть к теплово му потоку не ограничена толщиной вспо- могательной стенки . Однако реализовать на практике такую конструкцию сложно вследствие техноло4гических трудностей получения вспомогательной стенки малой толщины из ориенТ1фованных под углом к подложке тонких слоев. Кроме того, такой датчик обладает недостаточной надежностью вследствие возможного нарушения контакт между слоями при высоких температурах. Цель изобретения - повышение надежности работы датчика теплового потока в области высоких температур. Указанная цепь достигается тем, что в датчике теплового потока, содержащем вспомогательную стенку с искуственноанизотропной структурой, состоящую из чередующихся участков двух изотропных аюрмоэлектрических материалов, вспомогательная стенка вьшолнена в двухсторонней зубчатой ленты из изотропного термоэлектрического материала, впадины между зубьями которой с обеих сторон Ъаполнены парным материалу ленты термоэлектрическим материалом, зубья ленты в разрезе - равнобедренные прямоугольнью треугольники с катетами, равными половине толщины вспомогательной стенки и ориентированными перпевдикулярно и параллельно горизонтальной оси ленты, причем зубья с противоположных сторон ленты повернуты на 180 относительно друг друга и смещеш 1 на nonriHHijy шага их чередования. На чертеже изображен датчш теплового потока. Устройство содержит искуственно-анизотрогшую стенку, состоящую из образующих термоэлектрическую пару изотропных материалов. Основу стенки составляет двухсторонняя зубчатая лента 1 из термоэлектрического материала, например, константана. Впадины 2 между зубьями ленты 3. заполнены с обеих сторон парным материалу ленты термоэлектрическим материалом, например серебром. При воздействии на датчик теплового потока 3 с выводов 4 снимается напряжение термо-ЭДС. IВыбранное геометрическое соотношение конструктивных параметров стенки датчика соответствует оптимальной по чувствительности конструкции для наиболее аспространенного случая, когда отноение чисел Лоренца используемых термоэлектрических материалов близко к едиице В более общем случае соотношение конструктивных параметров стенки датика следует выбирать таким образом. чтобы длина Kaj«rOB puBHoGeflpeifflbix гфямоугольных треугольников, образующих впадины зубчатой ленты, относилась к толщине зубчатой ленты как корень квадратный из отношения числа для термоэлектрического ма териала зубчатой ленты к числу Лфенца для термоэлектрического материала, заполняющего впадины зубчатой ленты. Датчик работает следующим образом. Пронизывающий вспомогательную стенку датчика тепловой поток вызывает в ней градиент те мпературыу под действием которого вследствие анизотропии свойств стенки в ней возникают вихревые термоэлектрические токи. Благодаря ассиметричному расположению зубьев в стенке вихревые токи приобретают наклонную ориентацию, что приводи к накоплению вдоль стенки поперечной относительно градиента температуры термо-ЭДС, служащей мерой контрол1фуемоготеплового потока. Механизм работы такого датчика подо бен термопреобраэованиюв батарее из бол шого числа последовательно соединенных дифференциальных термопар. Генерируемая вспомогательной стенкой термо-ЭДС также как и в анизотропной монокристаллической пластине, не зависит от толщины стенки, благодаря чему датчик может быть вьшолнен тонким и, следовательно, малоинерционным, при этом толщина стенки связана с размерами зубь ев ленты, высота которых должна состав лять половину толщины стенки, что соо-р ветсгвует оптимальным условиям термопреобразования в датчике. Изготовленный образец датчика теплов , потока представляет собой пластину разм ами 20 Ю 2 мм. Основу термочувтвительного элемента составляет зубча- .. ая лента из константана толщиной 2 мм реугольные зубья высотой I мм с обеих сторонленты смещены на 1 мм. Впади- . ны между зубьями заплеиопены серебром, осле чего обе плоскости вспомогатель- ной стенки спланированы. При плотности теплового потока 10-10 Вт/см чувствительность датчика составляет .см2/Вт. Благодаря тому, что чувствительным элементом датчика служит .искустве - . но-анизотропная вспомогательная стенка , генерируемый ею электрический сигнал не зависит от толщиньи Это позволяет без чувствительности вьшолнить датчик тонким, с малым термическим сопротивлением, что способствует повышению точности измерения и увеличивает быстродействие датчика. Расчетное значение постоянной времени датчика вз константана и серебра толщиной 1 мм составляет менее 0,О1 с. Технико-экономическая эффективносп технического рещения обеспечивается упрощением техники изготовления датч ка и повьпиением надежности его работы в области высоких температур. Возможность гфименения термостойких йвзотропных материалов в качестве компонент искуственно-анизотропной структуры значительно расш{фяет тепловой и температурный диапазон работы датчика. Так, для датчика с чувствительным элементом из константана и сребра верхний температурный предел достигает 8ОО К.

ДАТЧИК ПОТОКА, содержащий вспомогательную стенку с искуственно-анизотропной структурой, состоящую из чередующихся участков двух изотропных термоэлектрических материалов, отличающийся тем, что, с целью повьпдения надежностн его в работе в области высоких температур, его вспомогательная стенка выполнена в ввде двухсторонней зубчатой ленты из изотропного термоэлектрического материала, впадины между зубьями которой с обеих сторон заполнены парным материалу пенгы термоэлектрическим материалом, зубья ленты в разрезе - равнобедренные прямоугольные треугольники с катетами, равными половине толщины вспомогательной стенки и ориетчфованными перпендикулярно и параллельно горизонтальной оси ленты, причем зубья с противоположных сторон ленты повернуты на 180 от i носительно друг друга и смещены на (Л половину щага их чередования.