УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ Советский патент 2006 года по МПК G01K7/00 

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

Проблема обеспечения измерения температуры поверхности обтекателей ВКС при наземных испытаниях с воспроизведением реальных условий нагревания является весьма актуальной. Решение этой проблемы осложняется широким диапазоном температур от -150° до 1500°С и высокими темпами их изменения, необходимостью применения инфракрасного метода нагревания и струйного охлаждения конструкции газообразным азотом на отдельных участках воспроизведения программы полета, недопустимостью механического нарушения целостности поверхности материала для установки приемников температуры, ограниченностью размеров зазоров между элементами системы нагревания (охлаждения) и исследуемой поверхностью конструкции, высоким уровнем электромагнитных помех, малой механической прочностью клеев и цементов для приклейки термоприемников к исследуемой поверхности при температурах 1000-1500°С, низкими адгезионными свойствами материала конструкции, сравнительно большой протяженностью соединительных проводов в керамической изоляции в зоне высоких температур и многими другими факторами.

Важными требованиями являются обеспечение высокой точности и надежности проведения измерений, а также обеспечение большого ресурса работы измерительных устройств при многократных циклах "нагревание-охлаждение" конструкции ВКС многоразового применения.

Известна конструкция наклеиваемой термопары (см. Баранов А.Н., Белозеров Л.С., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов, М.: Машиностроение 1974, с.232-234), содержащая рабочий спай, микротермоэлектроды диаметром 0,05 мм, удлинительные термоэлектроды, диэлектрические подложку и покрышку, контактный узел и наклеиваемый на поверхность покрышки над рабочим спаем отражатель из алюминиевой фольги. Недостатком известного устройства является низкий диапазон измеряемых температур, малая надежность в работе, низкая помехоустойчивость от воздействия электромагнитных помех и наличие существенных погрешностей при интенсивном конвективном охлаждении и др.

Целью изобретения является увеличение точности и надежности измерения температуры поверхности объекта, например, обтекателей ВКС из материала "углерод-углерод" в диапазоне -150° - +1500°C без нарушения целостности материала конструкции при наземных испытаниях.

Поставленная цель достигается тем, что термопара имеет приемную часть из скрученных термоэлектродов с двумя рабочими спаями в крайних витках скрутки, свободные концы термоэлектродов выполнены в виде полукольцевых компенсаторов в плоскости, перпендикулярной приемной части, прижимная накладка выполнена сборной, состоит из пары керамических опорных трубок над скруткой, вставленных в прорези П - образного отражателя, пары керамических трубок для вывода термоэлектродов, расположенной над первой парой трубок и перпендикулярно к ним, в направляющих отражателя расположены проволоки, охватывающие объект и имеющие на концах натяжные грузы или пружины.

Устройство снабжено блоком автоматической коммутации с поочередным подключением одной термопары к системе регистрации и управления, а другой к заземлительному контуру.

Факт повышения помехоустойчивости измерительного устройства за счет заземления термопары известен и он реализуется либо путем приварки рабочего спая конструкции в месте измерения (металлические конструкции) или присоединением дополнительного провода к рабочему спаю и последующим присоединением его к заземлительному контуру. В предлагаемом устройстве роль заземлительного провода поочередно выполняют сами термопары.

Применение отражателя для уменьшения влияния интенсивных радиационных тепловых истоков на точность измерения известно, однако в заявляемом устройстве он является и каркасом сборной накладки или корпусом всего устройства.

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 схема предлагаемого устройства для измерения температуры поверхности объекта, на фиг.2 показана электрическая схема устройства, на фиг.3 приведена фотография макета устройства.

Устройство для измерения температуры поверхности объекта (фиг.1) содержит приемную часть 1 из скрученных высокотемпературных термоэлектродов 2 с двумя рабочими спаями 3, свободные концы термоэлектродов приемной части выполнены в виде полукольцевых компенсаторов 4 в плоскости, перпендикулярной приемной части, прижимная накладка выполнена сборной и является корпусом устройства, приклеенным к объекту 5, накладка состоит из пары керамических опорных трубок 6, расположенных над скруткой, опорные трубки вставлены в овальные прорези, П-образного отражателя 7 из тонкого листового тугоплавкого металла с высокой отражательной способностью, внутри отражателя установлена вторая пара керамических трубок 8 для вывода термоэлектродов и тепловой защиты приемной части, керамические трубки 6 и отражатель 7 дополнительно скреплены скобами 9, в направляющих отражателя расположены проволоки 10 диаметром 0,2-0,3 мм из тугоплавкого сплава, например, вольфрамрения, охватывающие объект и имеющие на концах натяжные грузы или пружины 12. Свободные концы термоэлектродов приемной части выполнены в виде полуколец, к термоэлектродам 2 приемной части устройства в нагретой зоне приварены удлинительные термоэлектроды 13, которые присоединены к блоку автоматической коммутации 14.

Работает устройство для измерения температуры поверхности объекта следующим образом. Свободные концы проволок 10 вне зоны нагрева присоединяют к узлам крепления на объекте. На поверхность объекта 5 в зоне измерения температуры и на приемную часть 1 устройства наносят высокотемпературный клей, устройство устанавливают на поверхности объекта и дополнительно прижимают проволоками 10 за счет их натяжения грузами или пружинами 11. Затем производят сушку клея при нормальной температуре и влажности и тепловую обработку в соответствии с технологией применения высокотемпературного клея. Например, клей BK-21M, Т.Р. 1.2.270-82. При проведении испытаний приемная часть устройства нагревается от поверхности объекта за счет теплопроводности клея и механического контакта с исследуемой поверхностью. Возникает перепад температуры между спаями приемной части и спаями вне нагретой зоны и ему соответствующая величина терм э.д.с. При измерении термо э.д.с. одной термопары, выводные провода второй термопары подключают при помощи коммутатора 13 к измерительному контуру объекта и наоборот.

При применении предлагаемого устройства увеличение точности измерения температуры поверхности объектов, изготовленных из толстостенных материалов "углерод-углерод" с высокой теплопроводностью достигается за счет:

- применения сборной накладки 7, защищающей приемную часть термопары 1 от интенсивного воздействия лучистых и конвективных тепловых потоков; величина методической погрешности при интенсивном инфракрасном облучении рабочего спая термопары может достигать 20-30% от измеряемой величины (см., например, Баранов А.Н. и др. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов, М.: Машиностроение, 1974, с.234.);

- обеспечения надежного теплового контакта между поверхностью объекта 5 и рабочим спаем термопары 3 (сборная накладка 7 дополнительно прижимает скрутку к поверхности объекта);

- заземления рабочих спаев термопары без дополнительных соединительных проводов. Поочередное подключение к заземлительному контуру объекта то одной, то другой термопары повышает помехоустойчивость средств регистрации данных и системы управления;

- измерения температуры в исследуемой зоне двумя термопарами. Выполнение свободных концов термоэлектродов приемной части в виде полуколец обеспечивает компенсацию линейных изменений термоэлектродов при высоких температурах и, соответственно, уменьшение скалывающих усилий, действующих на клеевое соединение "термопара-объект". Удлинительные термоэлектроды 12 обеспечивают подключение устройства к выносному коммутатору 13 измерительного устройства или системы автоматического управления нагревом.

Величина предельной погрешности измерения температуры поверхности обтекателей ВКС, изготовленных из толстостенного 4-8 мм материала "углерод-углерод" с высокой теплопроводностью, предлагаемым устройством с размерами отражателя 4×15 мм при нестационарных тепловых режимах составляет 30-50°C, а при максимальной температуре и стационарном тепловом режиме - не превышает инструментальной погрешности термопары (определение действительной температуры поверхности конструкции производилось термопарой с диаметром термоэлектродов 0,2 мм, запрессованной в материал с разрушением поверхностного слоя на глубину 0,2-0,3 мм).

Надежность в эксплуатации устройства проверялась при нестационарных тепловых режимах при нагревании до 1500°С со скоростью изменения температуры 50-100 град/мин в вакууме до 1·10^-2 мм рт.ст. с применением на отдельных участках программы испытания интенсивного струйного охлаждения газообразным азотом, что создавало дополнительные импульсные аэродинамические нагрузки на само измерительное устройство и удлинительные термоэлектроды. Испытания показали, что предлагаемое устройство при указанных условиях эксплуатации работоспособно при числе циклов "нагревание-охлаждение" до 25.

Устройство для измерения температуры поверхности объекта содержит высокотемпературную термопару, прижимную накладку и связующее для приклейки к исследуемой поверхности. Термопара имеет приемную часть из скрученных термоэлектродов с двумя рабочими спаями в крайних витках скрутки. Свободные концы термоэлектродов приемной части выполнены в виде полукольцевых компенсаторов в плоскости, перпендикулярной приемной части. Прижимная накладка выполнена сборной. Она состоит из пары керамических опорных трубок над скруткой, вставленных в прорези П-образного отражателя, пары керамических трубок для вывода термоэлектродов. Расположенной над первой парой трубок и перпендикулярно к ним, в направляющих отражателях расположены проволоки, охватывающие объект и имеющие на концах натяжные грузы или пружины. Кроме того, устройство снабжено блоком автоматической коммутации с поочередным подключением одной термопары к системе регистрации и управления, а другой - к заземлительному контуру. Технический результат - увеличение точности и надежности измерения температуры поверхности объекта без нарушения целостности материала конструкции при наземных испытаниях. 1 н.п., 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерения температуры поверхности, содержащее термопару, приклеенную к поверхности электроизоляционным связующим, накладку, блок регистрации и заземлительный контур, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения при одновременном повышении эксплуатационной надежности, в устройство введены проволоки с элементами натяжения, приемная часть термопары выполнена в виде скрученных электродов с двумя горячими спаями, расположенными в крайних витках скрутки, электроды термопары имеют участки, выполненные в виде полукольцевых компенсаторов, расположенных в плоскости перпендикулярной приемной части термопары, причем накладка состоит из П-образного отражателя, в прорезях которого размещена пара керамических трубок, расположенных над скруткой, и второй пары керамических трубок, в которых размещены электроды термопары, расположенных над первой парой керамических трубок перпендикулярно им, а проволоки расположены в направляющих отражателя и охватывают измеряемый объект.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элементы натяжения выполнены в виде пружин.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, элементы натяжения выполнены в виде грузов.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, в него введен блок автоматической коммутации, к двум входам которого попарно подключены электроды термопары, первый выход присоединен к блоку регистрации, второй - к заземлительному контуру.