Датчик теплового потока Советский патент 1983 года по МПК G01K17/08 

(Sk ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

1

Изобретение относится к области тепловых измерений.

Известен датчик теплового потока., содержащий термочувствительный элемент с выводами, выполненный в виде теплоприемного элемента, составленного из чередующихся термопарных электродов, расположенных под углом к основанию теплоприемного элемента СПОднако такой датчик имеет значительную тепловуо инерцию и недостаточно надежен из-за несовершенства контакта между боковыми поверхностями термоэлектродов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является датчик теплового потока, содержащий термочувствительный элемент с выводами, выполненный в виде теплоприемной пластины, изготовленной из термоэлектродного материала, закрепленной через слой электрической изоляции на теплопроводящей поверхности, и термоэлектродов, распйложенных под углом к основанию пластины, выполненных из термоэлектродного материала противоположного типа проводимости С 2.

Этот датчик имеет недостаточную надежность из-за низкого качества контактного соединения термоэлектродных материалов и значительную инерционность, обусловленную конструкцией датчика.

Цель изобретения - повышение надежности и снижение тепловой инерции датчика.

Это достигается тем, что в теплоприемной пластине выполнено несколько рядов сквозных отверстий,в которых размещены термоэлектроды, причем отношение толщины пластины к диаметру отверстий составляет 0,1-3.

На фиг.1 схематически показан предлагаемый дачтик; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Датчик теплового потока содержит теплоприемную пластину 1, отверстия

2 a теплоприемной пластине,в которых размещены термоэлектроды, электрическую изоляцию 3, теплоотводящую пластину 4, электрические выводы 5Датчик теплового потока работает следующим образом.

Тепловой поток 6, проходя через тепловоспринимающую пластину 1 , соз дает перепад температуры между ее верхней и нижней поверхностями.Нижняя поверхность пластины 1 через слой электрической изоляции контактирует с теплоотводящей пластиной 4. При наличии перепада температур в термочувствительном элементе датчик представляющего собой зональнонеоднородную среду,возникают вихревые термоэлектрические токи и обусловленная ими поперечная по отношению к тепловому потоку термоэдс, которая пропорциональна величине по тока и служит мерой его. Для данной конструкции датчика теплового потока отверстия 2 выполнены с шагом, равным 50-200 мк. Такой выбор расстояния между отверсти ями объясняется тем, что возникающи в пластине 1 вихревые термоэлектрические токи сосредоточены в узкой пограничной зоне вдоль границы разд ла контактирующих материалов. Следо вательно, в термоэлектрическом материале рабочей является лишь указанная узкая область, а остальная часть его бесполезно увеличивает тепловую инерцию датмика« При использовании лазерного луча возможно получение отверстий диаметром 50 мк что определяет минимальный шаг, равный этой величине. В зависимости от сочетания термоэлектрических материалов термочувствительного элемента датчика шаг изменяется, так как должно соблюдать ся условие f.S-j.D, где р Ъ удельное сопротивление материала;диаметр отверстия в пластине;S расстояние между отаерстияДля наиболее употребительных пар термоэлектрических материалов отношение Pi/f находится в пределах 1-4, соответственно диапазон минимальных расстояний между отверстиями 50-200 мк.

Инерционность датчика теплового потока определяется s основном его толщиной 5 однако как угодно малой эта величина быть не может, так как а этом случае градиент температуры, срабатываемый на пластине настолько мал, что возникают трудности с регистрацией термоэдс, которая пропорциональна градиенту температуры.Увеличение толщины пластины делает датчик сравнимым с известными датчиками других конструкций, поэтому отношение толщины пластины к диаметру отверстий 2 составялет 0,1--3. В опытных образцах датчика теплового потока тепловоспринимающие пластины изготавливали из монокристаллических пластин и металлической фольги. В монокристаллической кремниевой пластине толщиной 200 мк лазером получены отверстия диаметром 70 мк с шагом 200 мк, которые выполнены под углом к основанию пластины, равным бо. В отверстия вводили термоэлектродный материал висмут методом вакуумного напыления. Постоянная времени датчика с таким термочувствительным элементом составляла 0,01 с. В другом датчике теплового потока в тепловоспринимающей пластине 1 , изготовленной из никелевой фольги толщиной 40 мк, отверстия диаметром 50 мк изготавливали лазером. Расстояние между отверстиями равно 200 мк, угол 45° В отверстия вводили висмут. Постоянная времени такого датчика составляет 0,01 с. При изготовлении тепяовоспринимающей пластины из константовой фольги толщиной 6 мк и заполнении отверстий диаметром 50 мк медью постоянную времени удалось снизить до величины 0,001 с. Таким образом предлагаемый датчик теплового потока позволяет измерять нестационарные тепловые потоки с повышенной точностью благодаря уменьшению его тепловой инерции. Кроме того, расположение термоэлектродов в отверстиях пластины обеспечивает требуемый электрический контакт между парными термоэлектриескими материалами, имеющими различные коэффициенты термического расширения, что обеспечивает высокую надежность датчлка , работаю;:: ВИЯХ термического удара.

Формула

Датчик теплового потока, содержа щий тep 4oчyвcтвитeльный элемент с выводами, выполненный в виде reiiJio приемной пластины J изготовле1-; -сй из термоэлектродного материала и за крепленной через слой диэлектрика на теплопроводящей поверхности, и термоэлектродов; расположенных под углом к основанию пласт1,1ны, выполненных из териоэлектродного материа

О О О о

/I

/

i-lV ::;V:-::::;-:;:v:-0;-C: Т.ща ПрОЗОДИМОСТИ ,

О Т я ;, а О il ii и с я тем, что, с целью CHiDKeni- тепловой инерции, 3 те лспр-1гмиой пластеине выполнено ;-есколько эядов с1 вознь Х отверстий. 3 КОТОРЫХ размеи1еь;ы термозлектроды, пр-;че -- OTHCLiisni e толщины пластины к Д1аме;Ч-У отвеост -;й составляет и ; Ь- 3 .

iicro- i-: -iK -i 11нс1юр., принятые зо .,ание при экспертизе

. Лвтосское свидетельство СССР - 333807, кл. QQ1 К 17/08, 19б9 2, repaiieHKO О.А. и др. Тепловые rei-ine-OdTypHb-e измерения , Н зукова .:.:-;:сг, чиез, 19б5, С..

У

о

1

. 1

Х hji. I