Датчик теплового потока Советский патент 1987 года по МПК G01K17/08 

Изобретение относится к технике теплометрии и может быть использовано для измерения тепловых потоков при стационарных и нестационарных тепловых процессах.

Целью изобретения является повышение долговечности датчика и точности измерений в условиях химически агрессивной среды.

На чертеже схематично изображен предлагаемый датчик.

Датчик содержит теплоприемный элемент 1 с покрытием 2 и термобатареи 3, 4 и 5. Расстояние рано равным 1/4лх. Для этого случая первая термобатарея 3 содержит N 227 дифференциальных термопар, вторая термобатарея 4 - Nj 190, третья термобатарея 5 - N 59.

Проходящему через покрытие 2 нестационарному тепловому потоку при работе датчика соответствует нестационарное температурное поле тепло- приемного элемента 1. В каждый момент времени термобатареи ,3, 4 и 5 вырабатывают ЭДС, пропорциональные перепадам температуры по толщине термобатарей с коэффициентами пропорциональности, равными количествам дифференциальных термопар в каждой из термобатарей. При этом термобатарея 4 вырабатывает в общей цепи термобатарей ЭДС, противоположную по знаку ЭДС термобатарей 3 и 5. Суммарная ЭДС трех термобатарей 3, 4 и 5 в калодый момент времени пропорциональна тепловому потоку в ,этот же момент времени через отстоящую на расстоянии их от первой термобатареи 3 теплоприемную поверхность теплопроводящего защитного покрытия 2.

Первая термобатарея размещена в теплоприемном элементе датчика на некотором расстоянии от тепловосприни- мающей поверхности защитного покрытия, при этом ЭДС, вьфабатываемая датчиком, пропорциональна величине измеряемого нестационарного теплового потока, т.е. теплового потока через защитное покрытие. Этой свойство предлагаемого датчика обусловлено выбором количеств содержащихся в каждой термобатарее дифференциальных термопар. В то же время данное свойство обеспечивает возможность измерения нестационарного теплового потока от химически агрессивной среды, по

скольку спаи термопар первой термобатареи оказываются защищенными от этой среды слоем защитного материала. .Выбор числа дифференциальных термопар в термобатареях обоснован следующим. Согласно закону теплопроводности Фурье тепловой поток определяется по формуле:

эт(х,г)

ЭХ

q(x,t) -J

(1)

0

5

0

где

I - время; А - коэффициент теплопроводности материала теплоприемного элемента;

T(x,t) - температурное поле теплоприемного элемента; X - координата, отсчитываемая

от теплоприемной поверхности теплоприемного элемента. Из формулы (1) следует, что для нахождения теплового потока через теплоприемную поверхность необходимо определить частную производную температурного поля по координате х при X 0.

Представив эту производную в виде

(2)

ЗТ Г эх --о dE ЗЕ

выразим

(5х

х-о

через изменяющиеся во

времени значения Е. (i 1,2,...,m+1) ЭДС термопар, изменяющих температуры в плоскостях с координатами дх + (1-1)дх, где лх - толщина защитного теплопроводящего покрытия; Лх - толщина термобатарей.

40

1

m U X

(-1ГА.,

ЬЕ;,(3)

где

4Л

50

.U.E,..

EI-+I

- величина ЭДС, развиваемая каждой дифференциальной термопарой в i-й термобатарее.

Заменив в (4) отношение

&5. лх

рав.ным ему отношением двух целых чисел М и N, представим (3) в виде

с)х

1

miuxIN

1 -1

где N- определены соотношением из формулы изобретения.

Входящая в (5) сумма совпадает с суммарно ЭДС (t) цепи из m термобатарей, если термобатареи размещены и соединены так, как указано выше, и содержат количества термопар в соответствии с формулой изобретения. Поэтому в силу (1) (2) и (5) тепловой поток qCO,) через тепловую принимающую поверхность выражается формулой :

12901024

торых случаях вычислент ые при значения N. оказываются сравнительно небольшими, при которых нельзя обеспечить высокую чувствительность ; 5 датчика в силу малости суммарной ЭДС (-1) N;&E.,(5) датчика. Выбор 1 большим единицы позволяет 1-кратно увеличить количество дифференциальных термопар в каждой

10

fS

20

термобатарее и, следовательно, повысить суммарную ЭДС до требуемого уровня, при котором измерения суммарной ЭДС цепи термобатарей датчика вторичными приборами могут быть вы- полнегны с необходимой точностью.

Формула изобретения

Датчик теплового потока, содержащий тештоприемный элемент с размещенными в нем основной и корректирующими термобатареями, расположенньми следующими друг за другом слоями и соединенными последовательно, причем каждые две рядом расположенные термобатареи включены встречно,-о т л и - чающийся тем, что, с целью повьш1ения надежности и точности измерений в условиях химически агрессивной среды, на поверхность теплоприем- ного элемента нанесено теплопроводя- щее защитное покрытие, при этом количество дифференциальных термопар, содержащихся в каждой термобатарее, в зависимости от толщины покрытия определяется из соотношения

q(0,t) В Ct)

(6)

где

В em I л xIN

ТТГт

(7)

е

dE dT

- дифференциальная ТЭДС

используемых в термобатареях термопар.

Таким образом, суммарная ЭДС цепи размещенных в теплоприемном элементе датчика термобатарей пропорциональна величине проходящего через тепловос- принимающую поверхность измеряемого теплового потока. Коэффициент про- порциональности и может быть определен в результате градуировки датчика, например, в условиях измерения стационарного теплового потока или расчетным путем с применением форму- лы (7).

Требование представления величины лХр/й.х в форме отношения M/N двух целых чисел не ограничивает область . практического применения датчика, так как в реальных условиях величины Д.Х и ах могут быть измерены с конечной точностью. Получив по результатам измерений дх и &х с и значащими цифрами, требуемую форму представления их отношения находят умножением л,х и лх на 10 .

Введение произвольного целого числа I обусловлено тем,что в неко

ВНИИПИ Заказ 890/36 , Тираж 799

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

рав.,(5)

термобатарее и, следовательно, повысить суммарную ЭДС до требуемого уровня, при котором измерения суммарной ЭДС цепи термобатарей датчика вторичными приборами могут быть вы- полнегны с необходимой точностью.

Формула изобретения

Датчик теплового потока, содержащий тештоприемный элемент с размещенными в нем основной и корректирующими термобатареями, расположенньми следующими друг за другом слоями и соединенными последовательно, причем каждые две рядом расположенные термобатареи включены встречно,-о т л и - чающийся тем, что, с целью повьш1ения надежности и точности измерений в условиях химически агрессивной среды, на поверхность теплоприем- ного элемента нанесено теплопроводя- щее защитное покрытие, при этом количество дифференциальных термопар, содержащихся в каждой термобатарее, в зависимости от толщины покрытия определяется из соотношения

N-

m:

(Ь1)

( --Ч

0

где I

5

m k

3,

M, N

t -произвольное целое число; .

-номер батареи начиная с ближайшей к защитному покрытию ;

- количество термобатарей;

-целое число, изменяющееся от i до m;

целые числа, изменяющиеся от 1 до k; целые числа

из равенства

определяемые отношения M/N отношению толщины покрытия к толщине термобатареи.

Подписное

Изобретение относится к тепло- метрик и может быть использовано для измерения тепловых потоков при стационарных и нестационарных тепловых процессах. Цель изобретения г повышение долговечности датчика и точности измерений в условиях химически агрессивной среды. На поверхности теплоприемного элемента 1 нанесено теплопроводящее защитное покрытие 2, толщина которого определяет количество диф. термопар каждой из батарей 3-5. При наличии нестационарного теплового потока в каждый момент времени батареи вырабатывают ЭДС, пропорциональные перепадам температуры по их толщине с коэффициентами пропорциональности, равными количествам термопар каждой из батарей. ЭДС батареи 4 противоположна по знаку ЭДС батарей 3 и 5. Cy iмapнaя ЭДС цепи батарей 3-5 пропорциональна величине проходящего через тепловоспринимающую поверхность покрытия 2 измеряемого теплового потока. 1 ил. « S кэ