Датчик теплового потока Советский патент 1989 года по МПК G01K17/08 

Изобретение касается измерения тепловых величин и может найти применение в энергетике, металлургии, авиации для измерения тепловых лотоков большой плотности в широком интервале температур.

Целью изобретения является повьш1е- ние точности измерения тепловых потоков большой плотности в широком интервале температур.

На чертеже представлен датчик теплового потока.

Датчик содержит трехслойную тепло- проводящую стенку, состоящую из крайних 1 и среднего 2 слоев, вьшолненных

соответственно из материалов с положительным (например, алюминий) и отрицательным (например, инвар) коэффициентами линейного расширения. Резистивные чувствительные элементы 3 (на чертеже виден только верхний чувствительный элемент) расположены на двух поверхностях вспомогательной стенки и представляют собой равномерно распре деленные на них продольные и поперечные полосы, выполненные из тонкой I пластины или фольги из термонезависимого материала, например константана. ) Толщины слоев теплопроводящей стенки выбирают из условия .

сл

ел

о

сл

1, 1,

21,/1, (vL /Ы,,(1)

- толщина крайних слоев.

Ln - толщина среднего слоя, ot, Al,.t T P/l,, oia MI T-P/I,;,

(здесь Т - изменение средней по толщине температуры стенки; Р - давление, одинаковое для всех ее поверхностей , d,,6in коэффициенты теплового линейного расширения крайних и среднего слоев соответственно, которые для алюминия и инвара практически постоянны в широком интервале температур, причем ei имеет отрицательное значение) . Тогда

20

ы,, р

&1,

.-6i &T l z -р

При выполнении условия (1) 2М

или 21, + 1 const.

-а,

Последнее равенство для указанных материалов имеет место в широком интервале температур

Датчик теплового потока работает следующим образом

При прохождении через стенку измеряемого теплового потока по ее толщине возникает градиент температуры. Слои 1 и 2 стенки претерпевают тепловое расширение (сжатие), пропорциональное их температурам и коэффициентам oi. В термонезависимых резистивных элементах 3, механически жестко связанных с крайними слоями 1, проявля- ется тензорезистивный эффект, т,е„ электрическое сопротивление R резистивных элементов 3 изменяется пропорционально тепловому линейному расширению слоев 1:UR kR-E, где k - чув- ствительность; iL/L oi,-uT - относительное линейное расширение крайних слоев. Дан таких материалов, как константан, нихром k 10 и остается постоянным в широком интервале температур. Кроме того, R этих материалов практически не зависит от температуры (материал термонезависимый), что исключает возникновение дополнительной погрешности измерений при изменении температуры среды, в которой находится датчик.

Таким образом, разность электрических сопротивлений резистивных элемпн

10

,

20

25

35

ЗО

40д50

55

тон, расположенных на крайних слоях стенки, прямо пропорциональна разности их температур, а следовательно, плотности проходящего через датчик теплового потока и зависит от него линейно в широком температурном интервале. При этом толщина стенки датчика, равная , не зависит от температуры среды, в которой он находится, и плотности проходящего через него теплового потока в широком интервале изменения этих величин.

Дпя повьш1ения чувствительности датчика крайние слои следует выполнять из материала с возможно большим ci , так как AR o, iT.

Измерение разности сопротивлений резистивных элементов производится, например, по разности падений напря- же1шй на них при прохождении через них измерительного тока или включении резисторов в мостовую электрическую схему.

В примере конкретного исполнения датчик теплового потока размером 30x30 мм содержит трехслойную вспомогательную стенку, крайние слои 1 которой вьтолнены из алюминиевой фольги ( оС 22,810 ) толщиной 0,04 мм, средний слой - из инвара Fe-Ni-Co (oL -0,3-10 -град ) толщиной 3,05 мм, так что выполняется условие (1)о

Алюминиевая фольга оксидировалась. Затем методом электронно-вакуумного напыления на нее нанесен слой кон- стантана толщиной 0,001 мм заданной конфигурации. При этом ширина каждой полосы элементов 3 и промежутки между ними равны 0,3 и 0,2 мм соответственно. Общая длина каждого резистив- ного элемента равна 1800 мм, электри ческое сопротивление R 1,5 кОм„

Алюминиевую фольгу с нанесенными на нее резистивньми элементами наклеивали на средний слой вспомогательной стенки с помощью клея на основе крем- нийорганических каучуков марки ЛЭТСАР, способного сохранять эластичность (липкость) в интервале температур от -60 до

В качестве варианта организации теплового контакта и механического соединения крайних и среднего слоев использованы их взаимная фиксация с помощью специального прижимного устройства, достаточно плотно сжимающего

151

слои в нескольких точках по поверхнос ти и по всему периметру и допускающего их относительное продольное смещение на 0,5 мм.

Технология изготовления и сборки датчика теплового потока проста, обес печивает возможность повторяемости его характеристик и взаимозаменяемости элементов конструкции.

Перечисленные преимущества датчика теплового потока позволяют рекомендовать его для широкого использования в народном хозяйстве.

Формула изобретения

Датчик теплового потока, содержащий теплопроводящую стенку и датчики температур, расположенные на противо5075

- положных сторонах, отличающийся тем, что, с целью повьппе- кия точности измерения тепловых потоков большой плотности в широком интервале температур, теплопроводящая стенка выполнена трехслойной с возможностью продольного относительного смещения слоев, при этом крайние слои

10 выполнены из материала с положительным, а средний - с отрицательным коэффициентами теплового линейного расширения, причем отношение суммы толщины крайних слоев к толщине среднего слоя

обратно пропорционально отношению абсолютных величин коэффициентов теплового линейного расширения этих материалов, а датчики температур выполнены в виде тензорезистивных элементов

из термонезависимого материала

Изобретение касается измерения тепловых величин и может быть использовано в энергетике, металлургии, авиации для измерения тепловых потоков большой плотности в широком интервале температур. Цель изобретения - повышение точности измерений. Датчик теплового потока содержит вспомогательную стенку и резистивные элементы, расположенные на двух ее сторонах. Вспомогательная стенка выполнена трехслойной с возможностью продольного относительного смещения слоев, при этом крайние слои выполнены из материала с положительным, а средний - с отрицательным коэффициентом линейного расширения, причем отношение суммы толщин крайних слоев к толщине среднего слоя обратно пропорционально отношению абсолютных величин коэффициентов теплового линейного расширения этих материалов, а резистивные элементы выполнены из термонезависимого материала. 1 ил.

f/

Составитель С.Василевский Редактор А.Маковская Техред Л.Олийнык Корректор Н.Король

Заказ 6269/42

Тираж 573

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное