Датчик теплового потока Советский патент 1984 года по МПК G01K17/08 

Изобретение относится к тепловым измерениям и может найти применение в энергетике, металлургии, строител ной теплофизике, геофизике и в экспериментальных исследованиях теплообмена при изменении как стационарнь5Х, так и нестационарных тепловк-х потоков. Известны датчики теплового поток содержащие размещенную в теплоприем ном элементе термобатарею, образованную из дифференциальных термопар l . Однако эти датчики не обеспечива ют высокой точности измерений нестационарных тепловых потоков. Наиболее близким к 413обретению по технической сущности является датчик теплового потока, содержащий теплоприемный элемент с размешенным в нем основной и корректирующими термобатареями, расположенными след ющими один за другим слоями и соеди ненными последовательно 2 , Однако известный датчик не позво ляет измерять постоянную составляющую теплового потока. Кроме того, точность измерения переменной составляющей теплового потока также недостаточно высока. Целью изобретения является повышение точности измерения нестационарных тепловых потоков. Поставленная цель достигается те что .в датчике теплового потока, содержащем теплоприемный элемент с размещенными в нем основной и корректирующими термобатареями, рас положенными следующими один за другим слоями и соединенными последова .тельно, основная и корректирующие термобатареи выполнены одинаковой толщины, при этом каждые две рядом размещенные термобатареи включены встречно, а количество содержащихс в каждой термопаре дифференциальных термопар определяется по формуле N ifi 4iH);bc- i где - порядковый номертермобатар . начиная с основной; k - целая величина, меняющаяся от 1 до ш; m общее количество размещенны в теплоприемном элементе термобатарей. На фиг. 1 схематично изображен вариант предлагаемого датчика, использующий две корректирующей,термо батареи (т 3) ; на фиг. 2 - график зависимости ЭДС от времени основной термобатареи, первой корректирующие второй корректирующей, а также суммарных ЭДС от времени цепи из основ ной и первой корректирующей термоба тарей и 1епи из основной и двух кор)ректирующих термобатарей. Датчик содержит теплоприемный элемент 1, основную 2 и корректирующие 3 и 4 термобатареи, тепловоспринимающую поверхность 5. Рассмотрим работу варианта предлагаемого датчика, (Лиг. 1), когда измеряемый тепловой поток в нулевой момент времени 2 мгновенно изменяется от нуля до некоторого значения и в дальнейшем остается постоянным. В первые моменты теплового воздействия нагреваются только сваи основной термобатареи 2, примыкающие к тепловоспринимаюцей поверхности 5 теплоприемного элемента 1, и основная термобатарея 2 вырабатывает ЭДС (кривая 6, фиг. 2) , пропорциональную разности температуры тепловоспринимЕющей поверхности 5 теплоприемного элемента 1 и температуры на стыке основной .2 и первой 3 корректирующей термобатарей. Через некоторое время тепловое возмущение достигает примыкающих к основной термобатарее 2 спаев первой корректирующей батареи 3, которая начинает вырабатывать ЭДС (кривая 7, фиг.2) , противоположную по полярности к ЭДС основной термобатареи 2. При этом да.нндя ЭДС частично корректирует ЭДС (кривая 6, фиг. 2} основной термобатареи 2. Через некоторое время становится отличной от нуля ЭДС (кривая 8, фиг. 2) второй кор- ректирующей термобатареи 4, полярность которой совпадает с полярностью ЭДС основной, термобатареи 2 и противоположна полярности ЭДС первой корректирующей термобатареи 3. ЭДС второй корректирующей термобатареи 4 дополнительно корректирует суммарную ЭДС кривая 9, фиг. 2 основной 2 и первой 3 корректирующей термобатарей. Когда датчик выходит на стационарный режим, основная 2 и корректирующие 3 и 4 термобатареи вырабатывают неизменяющиеся во времени ЭДС, и суммарная ЭДС этих термобатарей, содержащих соответственно количество 11,7 и 2 дифференциальных термопар, становится равной ЭДС основной термобатареи 2, в которой использовалось бы 11-7+2 6 дифференциальных термопар. Таким образом, высокая степень пропорциональности суммарной ЭДС (кривая 10, фиг. 2) , вырабатываемой /датчиком, объясняется тем, что в начале действия теплового потока ЭДС основной термобатареи 2, которая в это время практически совпадает с суммарной ЭДС трех термобатарей, формируется большим числом дифференциальных термопар, чем это нужно для измерения стационарного теплового потока, а в дальпеншем по ме{зе приближеш-гя к стационарному режиму это превьипение последовательно компенсируется корректирующими термобатареями 3 и 4 ЭДС которых начинают вырабатываться с некоторым запаздыванием, вследствие их расположения на больших расстояН11ЯХ от тепловоспринимающей поверхности б теплоприеммого элемента 1.

Повьлиение точности измерения теплового потдка с помощью предлагаемого датчика по сравнению с известным обусловлено размещением термобатарей в теплоприемном элементе и их соединением в электрическую цепь в таком порядке и с таким количеством дифференциальных термопар в каждой из термобатарей, когда ЭДС вырабатываемая датчиком, т.е. цепью термобатарей, пропорциональна градиенту температурного поля на тепловоспринимающей поверхности теплоприемного элемента, определяемому по формуле численного дифференцирования функции, представляющей собой распределение температуры по толщине теплоприемного элемента, измеренное в конечном числе плоскостей, в которых располагаются спаи термопар. Требование пропорциональности ЭДС, вырабатываемой датчиком, гради енту температурного поля вытекает из закона теплопроводности Фурье atu.ti ( где t - время; - коэффициент теплопроводност материала, из которого выполнен теплоприемный элемент;t( ,)- температурное поле теплоприем ного элемента; X - координата, отсчитываемая от тепловоспринимающей поверхност теплоприемного элемента. Из формулы () следует, что для нахождения теплового потока q (t) необходимо знать производную температурного поля при X 0. Обозначим через Б ,Е2 ,...,Е значения ЭДС термопар, измеряющих температуры 11,Ц,...,( в плоскостях с координатами , 2-4Х ,...,гпдх соответственно, где ttX - расстояние между двумя соседними плоскостями. Тогда можно записат формулу численного дифференцирования

i Г h.

at

91 9J:

UE,- -т -0 laE Эх

9Е

UX

XrO

.,ч-,,.,,

где Е - значение ЭДС термопарн,измеряющей температуру t , Е E(

ти т + 1.. twHlm . Ь Е,.,t.,.40 Е,,

,- абсолютная погрешностт, нычисленряг ill

Змх оФормулу (. преобразуем к виду

.

31 ЗЕ (1) ....-. --Г U,,..,w Из формул (3) и (4) следует, что если -ю термобатарею составить из М дифференциальных термопар и если в общей электрической г.епи ее вкттчить встречно (-1)-(V и (i+1) -и термобатареями, то ЭДС электрической цепи, составленной из гч таких термобатарей, пропорциональна тепловому потокуQ(tl, причем степень пропорциональности тем вьпие, чем большее число термобатарей используется в конструкции датчика, так как с ростом m уменьшается погреиность вычисления производной -5 ( У- 0. При выполнении данного требования достигается максимальная точность измерения теплового потока. Так как точность формулы (2) численного дифференцирования повышается с увеличением числа плоскостей, в которых измеряется температура, т.е. числа измерений температуры по толщине теплоприемного элемента, с ростом количества корректирующих термобатарей происходит увеличение точности измерени51 теплового потока.

ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА, содержащий теплоприемный элемент с размещенными в нем основной и корректирующим термобатареями, расположенными следующими один за другим слоями и соединенными последовательно, отличающийся тем. что, с целью повышения точности измерений нестационарных тепловых потоков , основная и корректирующие термобатареи ямполнены одинаковой толщины, при этом каждые две рядом размещенные термобатареи включены встречно , а количество содержащихся в каждой термобатарее дифференциальных термопар определяется по формуле ffl Uiili u-oibu-v.k где i - порядковый номер термобатареи, начиная с основной; k - целая величина, меняющаяся от i до (Т1;и т - общее количество размещен(Л ных в теплоприемном элементе термобатарей. со 00 со ш4 4