Датчик теплового потока Советский патент 1981 года по МПК G01K17/06 

(54) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

I

. Изобретение относится к области теплометрии и может .быть использовано для измерения тепловых Потоков при стационарных и нестационарных теплообменных процессах.

Известно устройство для измерения нестационарных тепловых потоков, содержащее две термоэлектрические батареи одинаковой чувствительности, включенные навстречу друг другу по электрическому сигналу. В условиях стациоппрного гсплооОмеил суммарный электрический сигнал, иырабатыоаемый уст- . ройством, равен нулю. В условиях нестационарного теплообмена плотности теплового потока, прошедшего через тепловоспринимающую и теплоотдающую поверхности устройства, будут отличаться между собой, так кай часть тепла затрачивается на изменение его тепло- содержания. Суммарный сигнал, вырабатываемый термоэлектрическими батареями, будет отличен от нуля, а знак и числовое значение сигнала соответствуют направлению и величине изменения потока во времени, 1J.

Это устройство позволяет получать информацию только о наличии нестационарности

процесса и используется в качестве индикатора.

Известен датчик для измерения локальных тепловых потоков, основанный на использовании термоэлектрического эффекта и содержащий дифференциальные термоэлементы с промежуточными термоэлектродами, образующими вспомогательную стенку и соешшениыми последовательно, причем тсрмоплсктрод каждого iipoui.tnyiuofo терм( ломо11111 служит осм ванием для последующего 12.

Этот датчик имеет низкую чувствительность, что делает его непригодным для юмерения тепловых потоков малой и средней интенсивности, вырабатываемый им сигнал пропорционален среднеинтегральной по толщине датчика плотности теплового потока, проходящего через него.

Кроме того, характерна и низкая точность при измерении нестационарных тепловых потоков, так как в условиях нестационарного теплообмена плотности теплового потока, проходящего через тепловоспринимающую и теплоотдакмчую понорчностк датчика, не раппы меж ду- COlXMt. Наиболее Плниким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является высокочувствительный батарейный термо электрический датчик теплового потока, содержащий батарею дифференциальных термоэлектрических элементов, выполненную из термо:уиктронпой проволоки в виде плоской спирали состаиленной из чередующихся между собо нолуоиткон, покрытых парным термоэлектродным материалом и непокрытых, у которой места переходов от .епокрытого участка к по крытому расположены в параллельных плоскостях, ра (Несенных на толщину термобатареи, подключенную к регистрирующему прибор) 3 Этот датчик- теплового потока имеет высокую чувстиительность, что позволяет, использовать его для измерений тепловых потоков не только высокой, но и малой интенсивности. Вырабатываемый таким многоспайным датчиком сигнал пропорционален среднеинтегралыюй по толщине датчика плотности теплового потока, а постоянная времени в зависимости от толщины датчика, его теплофизических характеристик и формпараметра составляет 1-30 с, но в отдельных случаях может достигать .120 с, .что приводит к значительной длительности измерения, стационарных тепловых потоков и возникновению динамической погрешности при измерении нестационарных тепловых потоков. Цель изобретения - увеличение быстродейстоия и попыщение точности измерений. . Поставленная цель достигается тем, что в измерительную аепь датчика теплового, потока последовательно но электрическому сигналу с имеющейся термобатареей включена корректирующая, у которой все полувитки термоэлектродной проволоки прерывистого покрыты парным термоэлскгродным материалом, причем . расстояния дни каж;юго полувитка между плоскостями, в которых расположены места переходов от непокрытого участка к покрытому, выбраны равными, одинаковы, а расстояния между плоскостями, в которых расположены горячие спаи чередующихся по. лувитков корректирующей термообработки и толщина термобатареи Vi связаны соотнощением. О Ъ И . На фиг. 1 изображена схема датчика теплового потока, содержащего основную и коррек тирующую термобатареи; на фиг. 2 - схемы покрытия парным термоэлектродным материалом полувитков термоэлектродной проволоки основной (d ) и корректирующей термобатареи (5 , в , Т ); на фиг. 3 - изменение . сигналов основной термобатареи и датчика теп Л01ЮГО потока и аамисимости от FO (критерий ) нр.и скачкообразном изменении теплового потока: на фиг. 4 - изменение сигнала корр ;ктируютей термобатареи в зависи.моСти от Р/ расстояния меж/iy местами переходов от непокрытого участка к покрытому и количества витков термоэлектродной проволоки при скачкообразном изменении теплового потока. Датчик теплового потока (фиг. 1) содержит две термоэлектрические батареи, основную 1 и корректирующую 2, которые включены последовательно по электрическому, сиг- . налу в измерительну.ю цепь с вторичным регистрирующим прибором 3. Основная термоэлектрическая батарея (фиг.) выполнена в виде плоской спирали, составленной из чередующихся между собой полувитков 4, покрытых парным термоэлектроднь1м материалом, и 5, непокрытых, у которой места переходов ог непокрытого участка к покрытому расположены в параллельных плоскостях I и II, разнесенных на толщину термобатареи . Корректирующая термоэлектрическая батарея (фиг. 2 5, 6,1) имеет такую же толщину Ь, что и основная, но у нее каждый полувиток покрыт парным термоэлектродным материалов. Однако покрытие выполнено прерывистым, расстояние между плоскостями I и II, III и IV, в которых расположены места переходов от непокрытого участка к покрытому, выбрано равным. Расстояние 8 между плоскостями I и 111, в которых расположены горячие спаи, образованные местами переходов от непокрытого. участка к покрытому, больше нуля и меньше толщины термобатарйи Vi, .В частном слуие (фиг. 26 и t). плоскости II и III могут совпадать, ко при этом должно соблюдаться условие О Ь Ь. Таким образом, каждый виток термоэлектродной проволоки образует своеобразную па-, ру включенных встречно по электрическому сигналу диффepeнциaJтыtыx термоэлементов, вырабатывающих ТЭДС только при прохождении через датчик изме1гяющегося во времени теплового потока, или в .случае, когда плотность теплового потока, прошедшего через тепловоспринимающую поверхность, отличается от Плотности теплового потока, .фощедщего через теплоотдающую поверхность. При прохождении через корректирую1 1ую термобатарею стационарного тепловог9 потока суммарный сигнал, вырабатываемый всеми ее термоэлементами, равен нулю. Датчик может быть исчоль:юпан для изме- . рения как в случае скнцюнарного, так и в случае нестационарного тсплооГаячга. При из-. мерении установившегося в npocipaiicrae и времени теплового потока сигнал, оырабатыва емык основной термобатареей 1 (фиг. 1), . пропорционален его плотности, а сигнал корректирующей термобатареи 2 равен нулю. Сум марш.й сигнал, измеряемый регистрирующим прибором 3, равен сигналу основной термобатареи 1. При переменном в пространстве и времени тепловом потоке, сигнал основной термобатареи 1 будет пропорционален среднеинтеграль ной по толщине датчика плотности теплового потока, проходящего через датчик. Величина . этого сигнала будет соответствовать меньшему значению теплового , по cpaBHCiiHip с воспринятым тепловосп|жниМающей поверхностью, и большему значению по сравнению с прошедшим через теплоотдающую поверхность. Сигнал корректирующей термобатареи 2 при этом будет пропорщюнален изменению теплосодержания некоторого слоя эспомогательной стенки датчика. Вторстный регистрирующий прибор 3 будет регистрировать суммарный сигнал обеих термобатарей, который в зависимости от подключения корректирующей термобатареи 2 будет приближаться к сигналу, соответствующему тепловому потоку, прошедшему либо через тепловоспринимающую либо через теплоотдающую поверхности датчика. В результате суммирования сигналов основной 1 и корректирующей 2 термобатарей постоянная времени датчика уменьшится, а быстродействие - увеличится по сравнению с этими же характеристиками- для основной тер мобатареи. Изложенное подтверждается решением задачи,, частный случай которой можно показать на примере работы предлагаемого датчика, установленного на термостатированную поверхность, при скачкообразном изменении плотности теплового потока. При этом положим, что датчик - изотропное плоское тело конечной толщины и его теплофизические харак теристики от температуры не зависят. В этом случае температурное поле датчика описывается уравнением теплопроводности ai ( ,:) - ar а)при следующих краевых условиях tix,t::)/f trosto . t(X,cr;/X atf)i-t) / --57-/Xo % где X и t -- пространственная и временная текущие координаты; .t - текущее значение температуры; Ьд- начальное значение температуры (х 0); X )С1 -- теплопроводность и- температуропроводность датчика; (Уд - плотность теплового потока (в сечении ) Решением уравнения (1) относительно разности между температурой t, в сечении, удаленном на расстояние Х от тепловоспринимающей поверхности , и температурой термостатированной поверхности -fcg , отнесенной к разности температур V между тепловоспринимающей () и теплоотдающей ( ) поверхностями в установившемся режиме (РО/) получим расчетную формулу для определения величины (fc.-to ) при любых значениях о ; (i:,.,..,r ,(1-Х)}х хехр(), где X - расстояние от тепловоспршгимающей поверхности до сечения Xj, отнесенное к толщине, датчика Ь ЗГ- ц Ц0.) собственные значения; , aJT .„ -тд- , - критерии Фурье. „ Для термоэлектрических Датчиков теплового потока вырабатываемая ТЭДС в сташ1онарных условиях прямо пропорщюнальна разности температур между плоскостями, в которых расположены своеобразные спаи, образованные местами перехода от непокрытого участка к покрытому, и зависит от числа спаев, толщиы термобатареи, форм параметра и теплопроводности устройств, т.е. для каждого конкретного датчика можно записать расчетную зависимость для генерируемой им ТЭДС e.i, (3) где о; - плотность измеряемого теплового потока; h - толщина термобатареи; П - число витков плоской спирали, образующей термобатарею; С - постоянная датчика, зависящая от материала термозлектродной проволоки и покрытия, а также от площадей сечений термоэлектродной проволоки и покрытия. Исходя из формул (2) и (3), получается ыражение для расчета поличины ТЭДС, выраатываемой основной термобатареей при люом значении РО . OTHecciiiioii к величике ЭДС термобатареи при FQ 1 | -„ / Д- - Р - п о). (-) де е - ТЭДС основной термобатареи при любом значении Рд CQ- TO же,При установившемся значении теплового потока (). На фиг, 3 припсдены дииамтеские характеристики оспоиной термобатареи (кривая 1) Ъш прсн11а1асния датчика теплового потока ил апериодического звена с постоянной времени Гр в безинерциониое, путем включения D нзме)нгелы1у10 цепь корректирующего aiieiia, необходимо, чтобы сигнал, вырабатываемой этим звеном был пропорционален (I -к- ) (кривая 1 на фиг. 4), Сигнал, вы рабатываемый онисанной корректирующейтермобатареей, начиная с некоторого значения РО . удоилетноряет этому условию. При услоиии, что толщина термобатарей h значение i|)opMiiap;(Mor)x, магери.ал тсрмоэлектродной иронолоки и нокр1 1тмя, тенлофи знческие характеристики и число витков термоэлектродной проволоки одинаково для корректирующей и основной термобатарей, ТЭДС корректирующей термобатареи можно расчитывать по формуле, полученной .с помощью равенства (2) и. (3) Ik-- (.Л .sin /an(-i-x,)-sin; nli- Q) i-ii-i --о - э1У1/ „С -Хз) )гхр(-Л n PO)I где 6 - ТЭДС корректирующей термобатареи при любом значении; 6(7 - то же, основной термобатареи при установившемся значении теплового потока ( РО/) . расстояния от тепловоспринимающей поверхности к плоскостям, в которых расположены горячие спаи полувитков корректирующей термобатареи (отнесенные к ее толщине h ); Хл и Расстояния от тепловоспринимаю-. щей поверхности к плоскостям, в которых расположены холодные снаи полувитков (отнесенные к то)11цине VI ). . Следует заметить, что .-.- :)(.-.-- Исходя из этого, уравнение (5) может быть преобразовано к виду 2к. ,,,пн 1 . ,, А ,. ,, ,, WA. пТ/ xsinA n r-e P() где А - расстояние между плоскостями, в которых расположены места перехода от непокрытого участка к покрытому для каждого полувитка (отнесенное к толщине термобатареи); В - расстояние между плоскостями, в которых расноложенб горячие спаи чередующихся полувитков. , Из анализа уравнения (6) следует, что корректирующая термобатарея генерирует-сигнал только в том случае, если для каждого полувитка расстояние а между плоскостями, в которых расположены места перехода от непокрытого участка к покрытому, и расстояние b между плоскостями, в которых расположены горячие спаи термобатареи,, отличны от нуля, . и b 70 Па фиг, 4 1гринеден 1 криш.ге изменения иышччныбу/ Q II -зависимости от FO Д1Я корректирующей термобатареи при услопии 0,5 1 (кривая 2) , b 0,33 h (кривая 3). При этом числе витков термозлектродной проволоки у основной и корректирующей термобатареи одинаково. Из анализа полученных решений следует, что для улучшения коррекции сигнала основной термобатареи необходимо, чтобы число витков и корректирующей термобатареи было больше числа витков в основной. OTHOHJCHHC числа витков в корректирующей термобатареи n к числу витков в основной - По определяют по формуле. -4)|.,н W На фиг. 4 приведены кривые изменения величины 2)/60 в зависимости от РО яля корректирующих термобатарей 0,5 Ц при 2,2 (кривая 4). и 0,33 при ,0 (кривая 5), которые наглядно показывают, что с некоторого значения FO сигнал корректирующей термобатареи практически полностью компенсирует недобор сигнала основной термобатареи. На фиг. 3 приведены динамические характеристики предлагаемого устройства для датчиков с корректирующими термобатареями 0,5 h ипц/По 2,2 (кривая 2) и 0,3311 и п 4,0 (кривая 3), которые показывают, что с введением в измерительную депь корректирующей термобатареи инамические Характеристики устройства улучшаются. Кроме аналитических исследова)1ий возможостей улучшения динамических характеристик датчика теплового потока бьиги нроведены испытания опытных образцов .датчика. С этой целью были изготовлены опытные образцы ,5V , испытание которых показало, что время ,достижении 0.98 2 g у атчика теплового потока с коррокшрующей ермобатареей с тнзилос1. Г)олоо,чсм и 12.5 раз

.875222

по срависиню с основной термобатареей этого же устройства, что позволит уменьшить динамическую погрешность измерений в нестационарных условиях теплообмена, и следовательно, повысить точность получаемой инфор .5 мации. . .

Кроме того, датчик позволяет сократить продолжительноть измерений стационарных тепловых потоков в 5-10 раз по сравнению с базовы1 1.

Формула изобретения

Датчик теплового потока, содержащий батарею дифференциальных термоэлектрических элементов, выполненную из термоэлектродной проволоки в виде плоской спирали, составленной из чередующихся между- собой полувитков, покрытых парным термоэлектродным материалом и непокрытых, у которой места переходов от непокрытого участка к покрытому расположены в параллельных плоскостях, разнесеннь1х на толщину термобатареи, подключенную к регистрирующему прибору, о т 10

личающийся тем. что, с целью увеличения быстродействия и повышения точности измерений, в измерительную цепь датчика теплового потока, последппательно по электрическому сигналу с имеющейся термобатареей включена корректируюишя, у которой все полупитки термоэлектродлой проволоки прерывисто покрыты термоэлектродпым материалом, npirieM расстояния для каждого полувитка между плоскостями, в которых расположены места переходов от непокрытого участка к покрытому, выбраны равными, а расстояние b между плоскостями, в которых расположены горячие спаи чередующихся полувитков корректирующей термобатареи, и толщина термобатареи, Ь связана соот110И1ением О Ъ h

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

а

Фиг.2.