Способ измерения теплового потока Советский патент 1984 года по МПК G01K17/08 

(Л

с:

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА, заключающийся в измерении .разности температур в тепловоспринимающем элементе плоского дат.чика,величина которой пропорциональна плoт- V Ности теплового потока, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения, датчик с тепловоспринимающим элементом в виде оптически неоднородной системы освещают параллельным пучком света, измеряют спектральное положение мaкcимy « светопропускания датчика, а разность температур в тепловоспринимающем элементе определяют по изменению интенсивности света, прошедшего через датчик.

а

ч i

Изобретение относится к теплометрии и может быть использовано для определения плотности тепловых потоков объектов различного назначения.

Известен способ измерения теплового потока, основанный на использовании энергии изменения агрегатного состояния вещества под воздействием измеряемого теплового потока tl J.

Однако такой способ в основном предназначен для измерения мощных тепловых потоков и не обеспечивает необходимой точности при измерении тепловых потоков низкой мощности, характерных, например, для области радиоэлектроники.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, основанный на использовании метода вспомогательной стенки, заключающийся в измерении разности температур в тепловоспринимающем элементе (вспомогательной стенке) плоского датчика, по величине которой определяют плотноса-ь теплового потока С23.

Недостатком известного способа является низкая точность измерения, что обусловлено значительной методической погрешностью, связанной с искажением условий теплообмена с окружающей средой при неконтролируемой утечке тепла по металлическим электродам дифференциальной термопары.

Цель изобретения - повышение точности из1и еренйя теплового потока.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения теплового потока, заключающемуся в измерении разности температур в тепловоспринимающем элементе плоско|го датчика, величина которой пропорциональна плотности теплового потока, датчик с тепловоспринимающим элементом в виде оптически неоднородной системы освещают параллельным пучком света, измеряют спектральное положение максимума светопропускания датчика, а разность температур в тепловоспринимающем элементе определяют по изменению интенсивности света, прошедшего через .

Предлагаемый способ основан на зависимости интенсивности светопропускания датчика, содержащего оптически неоднородную двухкомпонентную систему, от температурного градиента по его толщине.

Датчик, компоненты которого близ.ки по показателю прелодшения и отличаются его температурной, зависимостью и средней дисперсией, отличается спектральной избирательностью и является полосовым светофильтром, контур пропускания которого смещается по спектру в зависи мости от температуры.

У датчика, находящегося, в изотермичных условиях, для света -с длиной волны, для которой совпадают показатели преломления его компонентов, светопропускание равно 1. При прохождении теплового потока q сквозь датчик, установленный на поверхности объекта либо в газовой или жидкостной среде, возникает температурный градиент по толщине датчика в .соответствии с форму ° Л

Я--

где к теплопроводность датчика в

поперечном направлении. - Предполагается, что толщина датчика значительно меньше егодиаметра и температура по его толщине изменяется по линейному закону.

Температурный градиент искажает контур пропускания датчика. Светопропускание датчика при наличии температурного градиента по толщине падает в соответствии с ростом

и толщиной г датчика.

Поскольку у да гчика на основе оптически неоднородной системы полуширина полосы пропускания изменяется в зависимости от спектрального положения АО его максимума пропускания пропорциональна Д , то характер ослабления светопропускания с

ростом -jj- зависит также от Л и знчительно резче проявляется в короткволновой области спектра по сравнению с длинноволновой. Для датчика определенной толщины по измеренной величине изменения светопропускания

(где Jn , J - интенсивность свет

на ходе и выходе из датчика) и спектральному положению максимума прюпускания Лд определяют плотность q проходящего сквозь него теплового потока по известной его градуировочной характеристике, измеренной для ряда значений До в пределах видимой области спектра.

При выборе датчика необходимо предусмотреть,- чтобы его рабочий температурный диапазон, в пределах котопогр контур пропускания датчика смещается в видимой области спектра, охватывал поверхностную температуру исследуемого объекта. Целесообразно, чтобы поверхностная температура объекта была близка к верхней границе рабочего диапазона датчика. При измерении проходящего теплового потока в газовой либо жидкостной среде необходимо, чтобы нижняя граница рабочего диапазона датчика примерно совпадала ее температурой среды. Н фиг. 1 показана зависимость светопропускания -j для датчика, выполненного на осноае к{)емнийорга нического каучука марки СКТФ и оптического стекла марки ЛК7; на фиг. 2 - схема устройства, реализующего предлагаемый способ. График 1 соответствует Лд 470 график 2 Я 540 нм, график 3 (, 630 нм. Рабочий температурный диапазон AT те рмодатчиков на основе кремний органических каучуков и оптических стекол составляет в среднем 24к. Датчик обеспечивает приемлемую, точность измерения при условии, .что температурный перепад по толщи не его не превышает 0,8 4 Т, что по воляет производить измерения q в диапазоне 200 -7500 Вт/м. На датчик 1 (фиг. 2), установ.ленный на поверхности исследуемого объекта 2, направляют параллельный пучок света от монохроматора 3. На основании датчика имеется зеркальное покрытие, в результате чего; луч света проходит сквозь него дважды, отражаясь от зеркала. Световой поток, прошедший сквозь датчик, регистрируется фотоприемником 4, выходной сигнал которого измеряется фотоусилителем 5. .. Изменяя спектральный состав све та в луче монохроматора, определяют длину волны До- света, для котоfut.l рой светопропускание датчика максимально, что регистрируется по максимуму показаний фотоусилителя 5 (с учетом спектральной характеристики фотоприемника и эйергетического распределения светойрго потока от монохроматора}. Величииа выходного сигнала фотоприемника определяет интенсивность светового потока, прошедшего сквозь датчик. По известной интенсивности 7 светового потока монохроматора, направляемого на датчик, определяют его светопропускание дл излчеренПо соответствуюного значения А, щей градуировочной характеристике датчика f(q)/,1p const находят искомую плотность q теплового notojca. .......,. Связь вторичной апиараТуш (фотоприемника и осветителя) с датчиком осуществляется световым лучом что . практически исключает дополнительный теплоотвод по датчику и резко уменьшает методическую погрешность измерения. В результате точность метода определяется в основном погрешностью измерения интенсивности светового потока в видимой области спектра, которая не превышает 3%, что и обеспечивает высокую точность. Погрешность измерения плотности теплового потока с помощью предлагаемотхэ способа составляет в среднем 8%, что примерно в 2,5 раза то чнеё, чем в прототипе.