Датчик теплового потока Советский патент 1992 года по МПК G01K17/08 

сл

с

Использование: измерение стационарных и импульсных локальных силовых потоков, Сущность изобретения: на торце цилидрического теплоотвода закреплен блок из низкотеплопроводного металла с двумя термопарами, термоэлектроды которых размещены во взаимно перпендикулярных плоскостях под углом к оси блока. Рабочий спай первой термопары образован в зоне контакта ее термоэлектродов с теп- ловоспринимающим элементом в виде слоя материала, нанесенного на поверхность блока. Рабочий спай второй термопары образован в зоне контакта ее термоэлектродов, выведенных через теплоотвод, с поверхностью сопряжения торца последнего с блоком. Рабочие спаи термопар размещены соосно. 4 ил.

Изобретение относится к теплофизиче- ским измерениям, а именно к устройствам измерения стационарных и импульсных тепловых потоков.

Известно устройство для измерения теплового потока 1, содержащее тепло- метрический блок, две рабочие поверхности которого поддерживаются при температурах, разность которых является функцией теплового потока. Каждая из поверхностей снабжена двумя электрическими резисторами, сопротивления которых изменяются в зависимости от температуры. Четыре резистора соединены в мостовую схему, разбаланс которой пропорционален тепловому потоку.

Недостатком этого устройства является большая его инерционность, возникающая вследствие введения электрической изоляции терморезисторов, размещенных на поверхностях теплометрического блока. При

измерении импульсных локальных тепловых потоков не обеспечивается одномерность температурного поля в рабочей зоне теплометрического блока, что приводит к невысокой точности измерения.

Наиболее близким к заявляемому является принятый за прототип датчик теплового потока 2, содержащий блок из низкотеплопроводного металла с двумя термопарами, рабочие спаи которых размещены по его оси, а термоэлектроды первой и второй термопар выведены к боковой поверхности блока через сделанные в нем отверстия. На боковой поверхности блока размещен теплоизолятор, а теплоотвод осуществляется через торец блока.

Недостатком такого датчика является то, что спаи термопар расположены в толще блока и имеют конечный размер. Это приводит к неопределенности в положениях точек по оси датчика, в которых проводятся измеXI о сл

и

рения температуры блока. Кроме того, не обеспечивается надежный тепловой контакт рабочего спая термопары с блоком без существенного нарушения структуры блока. Конечность размеров спаев термопар, а также искажение температурного поля блока приводят к погрешности измерения теплового потока.

Целью изобретения является повышение точности измерения стационарных и импульсных локальных тепловых потоков.

Цель достигается тем, что в датчик теплового потока, содержащий блок из низкотеплопроводного металла с двумя термопарами, рабочие спаи которых размещены по его оси, в термоэлектроды первой термопары выведены через блок, закрепленный на торце цилиндрического теплоотвода из металла с высокой теплопроводностью, введен тепловоспринимающий элемент в виде слоя металла, нанесенного на поверхность блока и образующего в зоне контакта с этой поверхностью термоэлектродов первой термопары ее рабочий спай, при этом термоэлектроды обеих термопар размещены во взаимно перпендикулярных плоскостях под углом к оси блока, а рабочий спай второй термопары образован в зоне контакта ее термоэлектродов, выведенных через теплоотвод, с поверхностью сопряжения торца последнего с металлическим блоком.

На фиг. 1 показан датчик теплового потока; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - место I на фиг. 1; на фиг. 4 - место II на фиг. 2.

Датчик теплового потока содержит цилиндрический теплоотвод 1 из металла с высокой теплопроводностью, например из меди. На верхнем торце цилиндрического теплоотвода 1 закреплен блок 2 в виде металлической пластины, боковые поверхности которой теплоизолированы защитной оболочкой 3, Блок 2 изготовлен из металла, обладающего низкой теплопроводностью и малым температурным ее изменением, например из некоторых бронз или сплавов никеля. На наружную торцовую поверхность блока 2 нанесен тепловоспринимающий элемент 4 в виде слоя металла с высокой теплопроводностью.

В датчике выполнены отверстия, в которых размещены первая 5 и вторая б термопары, спаи соответственно 7 и 8 которых размещены по оси датчика на противоположных торцовых поверхностях блока 2. Термоэлектроды 9 и 10 первой 5 термопары выведены через блок 2 и образуют в зоне контакта с поверхностью блока 2 рабочий спай 7, а рабочий спай 8 второй термопары образован в зоне контакта ее термоэлектродов 11 и 12, выведенных через теплоотвод 1, с поверхностью сопряжения его торца с блоком 2. Термоэлектроды обеих термопар 5, 6 размещены во взаимно перпендикулярных плоскостях под углом к оси блока 2. Все термоэлектроды 9-12 электрически изолированы, например, керамикой или термостойким клеем.

Датчик теплового потока работает следующим образом. Тепловой поток, попадающий на датчик, проходит через тепловоспринимающий элемент 4, блок 2 и поступает в теплоотвод 1, обеспечивающий сток тепла в датчике. Вследствие высокого термического сопротивления блока 2 на его

торцовых поверхностях температуры различаются. Термопары 5 и 6, предназначенные для измерения температур, имеют изогнутые термоэлектроды 9-12, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях,

и выведены из центральной зоны блока 2, Благодаря этому тепловой поток, проходящий через датчик, однороден. Так как спаи 7 и 8 термопар 5 и 6 расположены на торцовых поверхностях блока 2, то измеряемые

температуры определяются лишь интенсивностью падающего теплового потока и свой- ствами материалов блока 2, а также тепловоспринимающего элемента 4.

Регистрирующей аппаратурой фиксируются сигналы с первой 5 и второй 6 термопар. Разность сигналов термопар 5 и 6 определяет стационарную составляющую теплового потока qcr

35

qCT

A(ti -g)

О)

где А- коэффициент теплопроводности материала блока 2;

ti и t2 - температуры, измеренные термопарами 5 и 6;

h - толщина блока 2. В случае импульсного теплового потока регистрируется сигнал с термопары 5, а также сигнал разности двух термопар 5 и 6. Измеренные температуры, а также коэффициенты тепло- и температуропроводности являются исходными данными при определении теплового потока путем решения обратной задачи теплопроводности.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Датчик при диаметре воспринимающего тепловой поток торца, равном 5 мм, имел

толщину поверхностного слоя из меди, равную 50 мкм, и толщину блока из бронзы ОФ10-1, равную 0,5 мм. Цилиндрический теплоотвод выполнен из меди. Боковая поверхность датчика покрыта термостойким

компаундом, обеспечивающим теплоизоляцию блока. Электроды термопар изготовлены из хромель-алюминиевой термопарной проволоки диаметром 0,1 мм и выведены от оси датчика под углом 80° Изоляция электродов выполнена эпоксидным компаундом К-800 с добавлением нитрида бора Датчик позволил проводить измерения стационарного и импульсного тепловых потоков и обеспечил снижение погрешности измерения в 3 раза.

Формула изобретения Датчик теплового потока, содержащий блок из низкотеплопроводного металла с двумя термопарами, рабочие спаи которого размещены по его оси, а термоэлектроды первой термопары выведены через блок, за4

Флг./

0

5

крепленный на торце цилиндрического теп- лоотвода из металла с высокой теплопроводностью, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения импульсных локальных тепловых потоков, в него введен тепловоспринимающий элемент в виде слоя металла, нанесенного на поверхность блока и образующего в зоне контакта с этой поверхностью термоэлектродов первой термопары ее рабочий спай, при этом термоэлектроды обеих термопар размещены во взаимно перпендикулярных плоскостях под углом к оси блока, а рабочий спай второй термопары образован в зоне контакта ее термоэлектродов, выведенных через теплоотвод, с поверхностью сопряжения торца последнего с металлическим блоком.

/г

Фиг. 2

y////// /

I

Риг, 3 I

Ж

Риг. 4