УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА Советский патент 2006 года по МПК G01K1/14 

Изобретение относится к области измерения температур, в частности, измерения температуры внутренних поверхностей обтекателей воздушно-космических самолетов (ВКС), изготавливаемых из материала "углерод-углерод", при наземных теплопрочностных испытаниях.

Проблема обеспечения измерения температуры поверхностей обтекателей ВКС при наземных испытаниях с воспроизведением реальных условий нагревания осложняется широким диапазоном рабочих температур от -150 до +1500°C, высокими темпами их изменения, необходимостью применения инфракрасного метода нагревания и струйного охлаждения конструкции газообразным азотом на отдельных участках воспроизведения программы полета, недопустимостью механических нарушений целостности поверхности материала для установки приемников температуры, высоким уровнем электромагнитных помех, малой прочностью известных клеев и цементов для приклейки термоприемников к исследуемой поверхности при температурах до 1500°С, низкими адгезионными свойствами материала конструкции, сравнительно большой протяженностью соединительных электрических линий и другими факторами.

Важным требованием является обеспечение высокой точности и надежности проведения измерений, а также обеспечение большого ресурса работы измерительных устройств при многократных циклах нагревание-охлаждение конструкции ВКС многоразового применения.

Известно устройство для измерения температуры поверхности объекта. Недостатком устройства является сложность и ненадежность его установки на вогнутых внутренних поверхностях и силовых элементах конструкций (внутренние поверхности носовых обтекателей фюзеляжей, крыльев и др. ВКС, изготавливаемых из материала "углерод-углерод").

Известно устройство для измерения температура (см. Геращенко О.А., Гордов А.Н., Лах В.И., Стаднюк В.И., Ярышев Н.А. Температурные измерения, справочник. Киев: Наукова Думка, 1984, стр.294-298 - прототип), содержащее трубчатый корпус с рабочим и тыльными концами, термопару, расположенную вдоль корпуса от электрического разъема у тыльного конца до контактного приемника температуры, и упругий прижимной элемент.

Недостатком этого устройства является низкий уровень измеряемых температур (0-150°С, см. табл.8, 32, стр.298), который ограничен предельной рабочей температурой прижимной пружины, и отсутствие резервирования в измерительной схеме на случай выхода из строя термоэлектрода в зоне высоких температур. Кроме того, наличие значительных неохлаждаемых тепловых масс, которыми являются элементы конструкции устройства, делают термопару инерционной, как на режимах нагревания, так и охлаждения конструкции.

Например, инерционность таких устройств достигает 5-60 с. Большая инерционность термопар может привести к существенным погрешностям измерения температуры при воспроизведении нестационарных участков программы полета: ВКС при наземных испытаниях.

Целью изобретения является повышение точности, расширение диапазона и надежности измерения температуры поверхности объекта, например, внутренних поверхностей обтекателей ВКС из материала "углерод-углерод" в диапазоне -150 ÷ +1500°С без нарушения целостности материала конструкции при наземных испытаниях.

Поставленная цель достигается тем, что прижимной элемент выполнен в виде сильфона, камера которого соединена с каналами коллектора охлаждения, сильфон одним концом одет на рабочий конец корпуса, а к другому концу сильфона прикреплен фланец из кварцевого стекла с удлинительными термоэлектродами и с цилиндрическим керамическим наконечником, в торец которого закреплен контактный приемник температуры с приваренными на нем и соединенными параллельно термопарами с разнесенными рабочими спаями, рабочая поверхность приемника покрыта термостойкой высокотеплопроводной пастой, корпус, сильфон и основание фланца закрыты теплоизоляцией.

Использование сильфона в качестве упругого элемента в измерительных устройствах известно, например, в конструкциях механотронов (см. Берлин Г.С. Механотроны, М.: Радио и связь, 1984, стр.99-105).

В предлагаемом техническом решении сильфон входит в систему охлаждения внутренней конструкции корпуса устройства, выполняет функции прижимного устройства за счет собственных упругих свойств и разности давления хладагента на входе и выходе во внутреннюю полость, шарнирного звена контактного приемника для ориентации по поверхности исследуемой конструкции и тепловой защиты термоэлектродов в средней части термопар, что обеспечивает расширение диапазона измерения температур и надежный контакт приемной части корпуса с исследуемым объектом. Известно также применение термопары с разнесенным рабочим спаем (см. Серьезнов А.Н. Измерения при испытаниях авиационных конструкций на прочность, М.: Машиностроение, 1976, стр.136-137).

В предлагаемом техническом решении на контактном приемнике закреплено несколько, например 3-5, термопар с разнесенными рабочими спаями, подключенными параллельно и объединенными в зоне с пониженным уровнем температур (во внутренней полости сильфона), что обеспечивает высокую надежность измерения температуры объекта.

Предлагаемое техническое решение позволяет создать малогабаритное измерительное устройство с малой тепловой инерцией и с широким диапазоном измерения, что соответствует требованиям при обеспечении испытаний обтекателей ВКС.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения температуры поверхности объекта обладает новыми свойствами, не совпадающими со свойствами известных решений, и соответствует критерию "Существенные отличия".

На фиг.1 изображена конструктивная схема предлагаемого устройства для измерения температуры поверхности объекта; на фиг.2 показана электрическая схема включения термоэлектродов термопар с разнесенными рабочими силами.

Устройство для измерения температуры поверхности объекта (фиг.1) содержит прижимной элемент, выполненный в виде сильфона 1, камера которого соединена с коллектором охлаждения 2, сильфон одет не рабочий конец за корпуса 3, а к другому концу сильфона прикреплен фланец 4 из кварцевого стекла с выводными термоэлектродами 5 и с цилиндрическим керамическим наконечником 6, в торце которого закреплен контактный приемник 7 с приваренными на нем и соединенными параллельно термопарами 8 с разнесенными рабочими спаями 9, рабочая поверхность приемника покрыта термостойкой высокотемпературной пастой 10, корпус 3, сильфон 1 и основание фланца 4 закрыты теплоизоляцией 11. На коллекторе расположены штуцера 12 подвода и отвода хладагента.

Выход удлинительных термоэлектродов термопар 13 подключен к электрическому разъему 14. Контактный приемник 7 прижат к конструкции объекта 15, который при испытаниях нагревается внешними нагревателями 16. Термопары 8 с разнесенными рабочими спаями 9 в зоне тепловой изоляции присоединены, например, при помощи дуговой сварки, к одноименным выводным термоэлектродам 5 (фиг.2), которые затем в зоне охлаждаемой камеры сильфона 1 объединены и подключены к удлинительным термоэлектродам 13.

Устройство работает следующим образом. Устройство устанавливают внутри конструкции объекта 14 так, чтобы контактный приемник 6 касался поверхности материала в исследуемой зоне. Штуцера 12 коллектора охлаждения подключают к системе охлаждения и включают краны подвода и отвода хладагента (сжатый воздух, азотно-воздушная смесь и др.). Расход хладагента подбирают так, чтобы обеспечить охлаждение сильфона и наличие заданного избыточного давления в его внутренней полости. За счет упругих свойств сильфона и избыточного давления, обеспечивают ориентацию поверхности контактного приемника по поверхности объекта в исследуемой зоне и их надежный тепловой контакт. При этом сильфон выполняет еще и функции шарнирного герметичного соединения, которое при деформировании конструкции за счет нагрузки и нагревания автоматически обеспечивает взаимное перемещение (отслеживание) контактного приемника за конструкцией. При нагревании внутренней поверхности конструкции нагревается контактный приемник и рабочие спаи термопар. Между рабочими спаями термопар, установленных на контактном приёмнике, и холодным спаем, размещенным в измерительной аппаратуре возникает перепад температур, а в электрической цепи термопары-термо ЭДС, пропорциональная этому перепаду температуры. Поправка на температуру холодных спаев вводится в результаты измерений при обработке данных или учитывается в измерительной аппаратуре специальных блоков компенсации.

При использовании предлагаемого устройства повышение точности измерения достигается за счет:

- обеспечения надежного теплового контакта приемника с поверхностью конструкции объекта, что обеспечивается путем надежного прижатия приемника и шарнирной ориентации его по поверхности объекта в течение всего времени проведения испытаний;

- применения высокотеплопроводной пасты на поверхности теплового контакта;

- уменьшения погрешностей измерения, обуславливаемых шунтированием термоэлектродов термопар в зоне высоких температур, вызванного ухудшением электроизоляционных свойств материалов.

Повышение надежности достигается путем:

- параллельного включения термоэлектродов 3-5 термопар в зоне высоких температур. При этом работоспособность устройства сохраняется до тех пор, пока сохраняется хотя бы один положительный и один отрицательный термоэлектрод термопар. При этом исключается вероятность получения электрического сигнала от термопары в случае отсутствия ее теплового контакта с контактным приемником устройства, что может иметь место в случаях применения стандартной схемы термопары с общим рабочим спаем термоэлектродов;

- охлаждения 95-98% длины термоэлектродов термопар в зоне высоких температур;

- охлаждения и применения тепловой изоляции узла механического прижатия контактного приемника. Расширение диапазона измерения температур достигается за счет применения охлаждения узла механического прижатия сильфона контактного приемника.

Устройство для измерения температуры поверхности объекта содержит трубчатый корпус с рабочим и тыльным концами, термопару. Термопара расположена вдоль корпуса от электрического разъема у тыльного конца корпуса до контактного приемника у рабочего конца. Также оно содержит упругий прижимной элемент на корпусе. Прижимной элемент выполнен в виде сильфона, камера которого соединена с каналами коллектора охлаждения. Сильфон одним концом одет на рабочий конец корпуса, а к другому концу сильфона прикреплен фланец из кварцевого стекла с удлинительными термоэлектродами и с цилиндрическим керамическим наконечником, в торце которого закреплен контактный приемник температуры с приваренными на нем и соединенными параллельно термопарами с разнесенными рабочими спаями. Рабочая поверхность приемника покрыта термостойкой высокотеплопроводной пастой. Корпус, сильфон и основание фланца закрыты теплоизоляцией. Технический результат - повышение точности, расширение диапазона и надежности измерения. 2 ил.

Устройство для измерения температуры поверхности, содержащее трубчатый корпус с опорным элементом и контактным приемником, термопару и прижимной элемент размещенный на корпусе, отличающееся тем, что с целью повышения точности измерения при одновременном повышении эксплуатационной надежности, в него дополнительно введены термопары, коллектор охлаждения с каналами, теплоконтактный элемент и теплоизоляция, причем прижимной элемент выполнен в виде сильфона с фланцем из кварцевого стекла, и цилиндрического наконечника из керамики, прикрепленного к контактному приемнику, сильфон присоединен к опорному элементу, камера сильфона соединена с каналами коллектора охлаждения, при этом термопары выполнены с разнесенными рабочими спаями, присоединенными к поверхности контактного приемника, и соединены параллельно, теплоконтактный элемент выполнен в виде слоя термостойкой высокотеплопроводной пасты, расположенного на внешней поверхности контактного приемника, а теплоизоляция размещена на корпусе, сильфоне и основании фланца.