Устройство для определения вектора теплового потока в массиве дисперсного материала Советский патент 1992 года по МПК G01K17/08 

Изобретение относится к тепловым измерениям, в частности к измерениям величины и направления теплового потока в массивах дисперсных материалов.

Известно устройство для определения величины и направления теплового потока, содержащее подложку и многоспайную дифференциальную термопару, при этом подложка выполнена в виде поворачиваемого вокруг оси цилиндра, с одной стороны которого по образующей размещены горячие, а с другой - холодные спаи термопары. Недостатки устройства состоят в том, что оно не позволяет определить вектор теплового потока в пространстве, а позволяет определить только его проекцию на плоскость перпендикулярную оси цилиндра-датчика, а

также втом, что для проведения измерений необходимо вращать датчик вокруг его оси. что, во-пераых, трудно осуществить в массиве дисперсного материала, и во-вторых, приводит к нарушению контакта материала сдатчиком, а значит, и к снижению точности измерений.

Наиболее близким к изобретению является устройство для определения направления теплового потока, выполненное в виде разъемного куба, каждая грань которого представляет собой плоский датчик теплового потока, а датчики, образующие противоположныегранивключеныдифференциально и имеют общий средний вывод. Это устройство позволяет определять величину и направление вектора теплоVI VI

О

VI

00

вого потока в пространстве, однако имеет низкую точность. Устройство выполнено в форме куба/-замкнутой оболочки и его полость необходимо предварительно заполнять материалом исследуемого массива, но так как в массиве влажность и плотность материала распределены обычно неравномерно, теплофизические свойства материала в устройстве и в окружающем массиве могут отличаться и в этом случае возникнет искажение температурного поля в области устройства, что приведет к снижению точно сти. Из-за того, что материал, заполняющий разъемный куб устройства, подвержен усадке, происходит отрыв его от верхней грани- датчика и резкое искажение теплового потока через него. В щелях кубической ячейки нарушается структура дисперсного материала и изменяются его теплофизические свойства.что также приводит к искажению величины и направления теплового потока, пронизывающего устройство. Термоэлементы датчиков, составляющих устройство, соединены в термобатарею последовательно и при этом места спаев каждого термоэлемента смещены друг относительно друга не только по толщине, но и по длине и ширине датчика. В случае, когда плоскость датчика в массиве совпадает с изотермической поверхностью, имеет место только перепад температур по толщине датчика Atz и термобатарея вырабатывает соответствующую ему рабочую термоЭДС. В случае же, когда плоскость датчика не совпадает с изотермической поверхностью, а для датчиков рассматриваемого устройства это бывает практически всегда, имеет место перепад температур по толщине датчика Atx, а также по длине A tx и ширине Aty датчика. Термобатарея при этом вырабатывает одновременно рабочую термоЭДС, соответствующую Atz и паразитную термоЭДС за счет A tx и Aty, кото- рая снижает точность результатов. Рассматриваемое устройство не имеет точной фиксации в пространстве и поэтому подвижки в массиве могут изменить его положение и ориентацию граней, что приведет к ошибке результатов. К тому же при подвижках массива с неравномерной дисперсностью из-за переменных нагрузок на жестко скрепленные датчики возможно повреждение устройства, отрыв или раскалывание датчиков, что снижает эксплуатационную надежность устройства. Цель изобретения - повышение точности определения вектора теплового потока за счет отказа от замкнутой шестигранной оболочки и применения разомкнутой трехгранной, имеющей щели вместо боковых ребер и предотвращение при этом нарушений структуры массива устройством и контактов материала с датчиками, за счет компенса5 ции паразитных термоЭДС, возникающих при работе датчиков в иеодномерном температурном поле путем симметричного размещения термобатареи датчика, за счет точной фиксации устройства на штанге, а

0 также в повышении эксплуатационной надежности устройства за счет упругого крепления датчиков к рамкам каркаса.

Согласно изобретению устройство содержит три датчика теплового потока, встав5 ленные в плоские квадратнные рамки, составляющие трехгранный каркас в виде пирамиды, в котором вместо боковых ребер имеются щели шириной S, выбираемой в пределах 5,..50 мм, а также трубчатую штан0 гу, соединенную нижним концом с вершиной каркаса; рамки каркаса выполнены симметричными относительно продольной диаметральной оси и имеют по одному верхнему выступу длиной S для крепления к

5 нижнему концу штанги и по два боковых выступа, являющихся продолжением нижV2

них сторон рамок длиной - S для крепления рамок друг к другу, батареи

0 термоэлементов размещены в датчиках симметрично относительно оси, совпадающей с продольной осью рамок, токосьемные провода датчиков включены на звезду и выведены через штангу к регистрирующему

5 прибору. Согласно п. 2 изобретения датчики прикреплены к рамкам с помощью попарно перекрещенных упругих нитей. Положительный эффект повышения точности определения вектора теплового потока

0 достигается за счет следующих признаков - наличие в устройстве только трех датчиков, не создающих-замкнутого обьема и снижающих, по сравнению с прототипом, искажение исследуемого массива; наличие

5 трехгранного в виде пирамиды каркаса, в котором вместо боковых ребер имеются щели, образуемые за счет наличия у рамок верхнего и боковых выступов для крепления их между собой и Со штангой обеспечивает же0 сткость устройства, а значит, и точность определения составляющих вектора теплового потока, а также обеспечивает отсутствие в каркасе глухих углов искажающих структуру материала. Размер просвета

5 (ширины) щели каркаса S и соответствующие ему размеры выступов рамок выбраны из следующих условий. Дисперсный материал приобретает свойства натуральной неискаженной засыпки только в слоях, толщиной более 7 зерен. Заявляемое устройство предназначено, в первую очередь, для массивов песка, стройматериалов, грунта, зерен и подобных им, размеры зерен которых лежат в пределах 0,7...7 мм, в связи с чем-просвет между рамками каркаса следует выбирать в 7...10 раз больше размера зерен материала исследуемого массива, но не более, чтобы не отдалять датчики друг от друга и не нарушать локальности измерений. Диапазон возможных размеров просвета при этом составляет примерно 5...50 мм. Наличие штанги у устройства позволяет четко фиксировать его положение в пространстве, а при вертикальном положении штанги датчики будут располагаться под одинаковым (примерно 144,5°) углом к вертикали, что обеспечивает одинаковое прилегание материала массива к датчикам. Симметричное относительно оси датчика размещение в нем термоэлементов обеспечивает взаимную внутри батареи компенсациюпаразитныхтермоЭДС. Положительный эффект повышения эксплуатационной надежности достигается за счет крепления датчиков к рамкам с помощью попарно перекрещенных упругих нитей,

На фиг. 1 изображен общий вид устройства; на фиг. 2 - вид сверху и разрез отдельной рамки с датчиком теплового потока устройства по п. 1; на фиг. 3 - вид сверху и размер отдельной рамки с датчиком теплового потока устройства по п. 2. Выноска от фиг. 2 показывает увеличенный отрезок термоэлектрической спирали-батареи термоэлементов.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) состоит из трех взаимно перпендикулярных плоских датчиков теплового потока 1, вставленных в рамки 2, соединенные между собой боковыми 3 и верхним 4 выступами и составляющих каркас устройства, прикрепленный своей вершиной к нижнему концу вертикальной трубчатой штанги Б, которая служит для фиксации устройства в пространстве и для вывода токосъемных проводов б от датчиков 1 к регистрирующему прибору 7. В устройстве по п, 1, рамка с датчиком которого показана отдельно на фиг. 2, датчик 1 вставлен в пазы 8 рамки 2 жестко, например, заформован эпоксидным компаундом, а в устройстве по п. 2, рамка с датчиком которого показана на фиг, 3, датчик 1 укреплен в рамке 2 на попарно перекрещенных упругих нитях 9. На видах сверху обоих вариантов датчиков 1 показано симметричное размещение батареи термоэлементов 10, а на разрезах условно изображена спираль термоэлементов 11. На выноске фиг. 2 показан отрезок объемной термоэлектрической спирали 11 из константовой проволоки с гальванически мед- неными полувитками, у которой каждый целый виток-термоэлемент представляет собой медьконстантоновую дифференциальнуютермопару, один спай которой А расположен на верхней поверхности датчика, а последующий Б - на нижней, в результате чего термоэлемент вырабатывает термоЭДС, соответствующую перепаду температур на стенке датчикаAt.

Последовательное включение большого (500...6000) количества термоэлементов обеспечивает соответствующее умножение термоЭДС датчика. На выноске видно, что

точки А и В смещены друг относительно друга не только по высоте, что требуется для измерения Atz, но и по длине и по ширине, из-за чего вырабатываются паразитные термоЭДС, соответствующие Atx иА ty. При

симметричном размещении спирали 10 в толще датчика, как это показано на фиг. 2 и фиг. 3, паразитные термоЭДС взаимно компенсируются.

Определение вектора теплового потока

производится следующим образом. Устройство помещают в массив исследуемого дисперсного материала, например вводят в скважину в грунте и засыпают вынутым из нее грунтом или вдавливают в слой зерна.

Определяют положение штанги 5 в пространстве, если она отклоняется от вертикали и по меткам на штанге определяют положение осей х, у, z, перпендикулярных соответственно маркированным датчикам

1. Затем измеряют с помощью регистрирующего прибора 7 потенциометра или цифрового милливольтметра термоЭДС датчиков 1 вх, еу.е2 с учетом знака - положительная термоЭДС соответствует, например. тепловому потоку входящему в устройство, а отрицательная выходящему из него. Величину вектора теплового потока определяют по формуле

45

q

:k /

e$+eЈ+ef,

где q - скалярная величина вектора плотности теплового потока в точке размещения устройства;

k - рабочий коэффициент датчика.

Направление вектора теплового потока определяется по углам между вектором и осью х

55

tg (qAx)

Vei±e| ех

и между проекцией вектора на плоскость yoz и осью z

tg (A) ey

Знак термоЭДС позволяет определить квадрант системы координат, в котором лежит вектор и его проекция.

Перейти к системе координат, построенной на вертикальной и горизонтальной осях можно учитывая углы между осями х, у, z и штангой устройства, а также угол между штангой и вертикалью в случае отклонения штанги от вертикали.

Предлагаемое устройство для определения вектора теплового потока предназначено для локального контроля по величине и направлению теплового .потока теплофи- зических процессов в больших массивах дисперсных материалов, например, при определении положения и динамики фронта мерзлого грунта под основаниями различных сооружений, в том числе промышленных холодильников, и над водопроводами; тепловых потерь от теплотрасс, а также для определения координат точек локальных тепловыделений от саморазогрева зерна в элеваторах. По сравнению с известными техническими решениями предлагаемое устройство имеет высокую точность, эксплуатационную надежность, просто в изготовлении и обслуживании.

Формула изобретения

1.Устройство для определения вектора теплового потока в массиве дисперсного материала, содержащее три закрепленных

перпендикулярно друг другу квадратных датчика теплового потока с батареями дифференциальных термоэлементов, подключенных через токосъемные провода к измерительному прибору, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности, в него введена трубчатая штанга, через которую выведены токосъемные провода, соединенные по схеме звезда, а каждый из датчиков теплового потока снабжен квадратной рамкой с выступами, соединенными с образованием каркаса в виде пирамиды, в вершине которой закреплен один из концов штанги, а между ее боковыми гранями, образованными датчиками теплового потока,

батареи дифференциальных термоэлементов которых размещены симметрично относительно продольной оси рамок, имеются зазоры шириной S, составляющей 5-50 мм, при этом длина выступов рамок у вершины

Т/2

каркаса равна S, а в его основании j S.

2,Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что, с целью повышения надежности, датчики теплового потока закреплены в

рамках на упругих, попарно перекрещенных нитях.

Сущность изобретения: устройство содержит три датчика теплового потока, встав- ленных в плоские квадратные рамки, образующие трехгранный каркас в виде пирамиды, в которой вместо боковых ребер имеются зазоры шириной S. выбираемые в пределах 5-50 мм, а также трубчатую штангу, соединенную нижним концом с вершиной каркаса. Рамки каркаса имеют по одному выступу длиной S в вершине каркаса для крепления к нижнему концу штанги и по два выступа в основании каркаса J21 длиной у 2 S для крепления рамок друг к другу. Батареи дифференциальных термоэлементов размещены в датчиках симметрично относительно продольной оси. рамок, токосъемные провода датчиков соединены по схеме звезда и выведены через штангу к измерительному прибору. Датчики могут быть прикреплены к рамкам с помощью попарно перекрещенных упругих нитей. 1 з,п. ф4лы. 3 ил. Ё

7

ЧУ

Dua.2

ФигЗ