Устройство для измерения лучистых тепловых потоков Советский патент 1981 года по МПК G01K17/06 

(54) УСТРОЙСТВО. ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛУЧИСТЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ

1

Изобретение относится к теплофиЗическим измерениям и может быть использовано, преимущественно, для измерения лучистых тепловых потоков с углом расходимости в диапазоне 0-17.

Известно устройство для измерения лучистых тепловых потоков, содержащее корпус с приемником тепла, измеритель температуры и вспомогательный источник тепла, воздействующий на приемник и подключенный к.регулирующему блоку 1 .

Однако это устройство обладает низкой точностью изме;рения тепловых потоков (4-6%) из-за большой тепловой инерционности вспомогательного источника тепла и интенсивного теплообмена между теплоприемником и корпусом, что затрудняет определение равновесной температуры теплоприемника с высокой точностью .

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее цилиндрический корпус с зеркальной внут-

ренней поверхностью, приемник тепла, выполненный в виде диска с зеркальной тьшьной поверхностью, установленной на входе корпуса с зазо11ом по периферии, дифференци{шьную термопару, ,спаи которой размещены на диске и корпусе 2

Недостаток устройства заключается в том, что при измерении, в частности конических лучистых тепловых пото10ков, часть теплового потока, прощед- шая через зазор между диском и корпусом, отражаясь от зеркальных стенок внутренней поверхности корпуса, попадает на приемник тепла, изменяя его

15 равновесную температуру, что приводит к уменьшению.точности измерения величины тепловых потоков. Кроме этот го, при измерении параллельных лучистых тепловых потоков, точность измере20ния снижается из-за погрешности ориентации и установки известного устройства относительно направления падающего лучистого потока. Цель изобретения - повышение точности измерения лучистых тепловых потоков с учетом расходимости, в диапазоне 0-17. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее цилиндрический корпус с зеркальной внутренней поверхностью, приемник те ла , выполненный в виде диска с зеркальн тыльной поверхностью, установленный на входе корпуса с зазором по перифе рии, дифференциальную термопару, спа дсоторой размещены на диске и корпусе дно корпуса выполнено в виде усеченного конуса, направленного вершиной к диску. Диаметр меньшего основания конуса составляет 0,8-0,95 диаметра диска, с высотой конуса, равной 0,1-0,6 от высоты корпуса, и углом наклона обра зующего конуса не меньше заданного угла расходимости измеряемого лу чистого потока, причем сумма указанных углов не превышает величины « (ттшГТа где h - высота корпуса; d - величина зазора между Диском и корпусом. На чертеже приведена схема устрой ства для измерения лучистых тепловых потоков. Устройство содержит цилиндрический корпус 1 с зеркальной внутренней поверхностью, приемник 2 тепла, кото рый обладает вьгсо.кой поглощательной и излучательной способностью (а 0,95) и выполнен так же, как и корпус 1,, из материала с большой теплопроводностью, например из меди, и имеет форму диска с зеркальной-тыльной поверхностью. При этом приемник 2 тепла установлен на входе корпуса с зазором по периферии на изолирован ных подвесках, например их стеклонитей. Кроме того, устройство содержит дифференциальную термопару 3 и на. греватель 4 корпуса, расположенный на внешней боковой поверхности корпуса. Дно корпуса 1 вьшолнено в виде усеченного конуса, направленного вершиной к диску. Устройство работает следующим образом., На пути лучистого теплового потока, плотность которого необходимо измерить, устанавливают предлагаемое устройство. При этом тепловой поток 5 -4 попадает на приемник 2 тепла и через зазор между корпусом 1 и приемником 2 тепла во внутреннюю полость корпуса 1,.Лучи, попавшие на приемник 2 тепла нагревают его, а лучи, прошедшие во внутреннюю полость корпуса 1, отражаются наружу от зеркальной образующей конуса, форму которого имеет основание корпуса 1. С помощью дифференциальной хромель-копелевой термопары 3 измеряют разность температур приемника 2 тепла и корпуса 1, а с помощью нагревателя 4 корпуса устанавливают и поддерживают, например с помощью автоматической следящей системы, температуру корпуса, равную температуре приемника тепла. При условии надежной теплоизоляции приемника тепла мерой плотности лучистого теплового потока в стационарном режиме является равновесная температура приемника тепла, по которой определяется плотность лучистого потока Е из соотношения:. Е (1) где - постоянная Стефана-Больцмана,) Т - равновесная температура чувствительного элемента. а Предлагаемое устройство, по сравнению с известными, позволяет измерить плотность как параллельного лучистого потока, так и лучистого потока с углом расходимости до 17° с большой точностью л/1%. Это достигается тем, что часть лучистого теплового потока, попадающая во внутреннюю полость корпуса через зазор между корпусом и приемником тепла, полностью отражается наружу через указанный зазор и влияние дополнительного теп-. левого потока на величину равновесной температуры приемника тепла исключается. Для осуществления полного отражения указанного выше теплового потока, как следует, из анализа работы устройства, необходимо, чтобы угол наклона образующей конуса, в форме которого выполнено дно корпуса, был равен или больше угла расходимости измеряемого лучистого теплового потока, а сумма указанных углов не превьшаала величину угла р. равного (2) j%. ( де h - высота корпуса; d - зазор между диском и корпусом. При этом величина диаметра верхнео основания конуса должна составлять 5. 0,8-0,9 диаметра диска чувствительного элемента, а высота конуса - 0,10,6 от высоты корпуса. Таким образом, величина угла ot наклона- образующей конуса определяется геометрическими размерами устройства (зазором d и высотой корпуса h) и величиной угла расходимости лучистого потока .. Условие полного отражения лучистого потока от наклонной зеркальной поверхности конуса можно записать следующим образом. . о1./т . Из приведенных соотношений видно, что величина угла JT максимальна в случае, когда 7г оС , при зтом JT j)Q . В частности, например, при значении , величина р-о составляет 22«и устройство обеспечивает измерение лучистых потоков с углом расходимости в диапазоне Т О 1 1 . При этом из условия (d.+) ( следует,что минимальная величина угла наклона образующей конуса об сос тавляет J 11(при ЗГ п ) а максимальная - 22 (при 3f О). Минимальная высота конуса при зтом равна .tg f htg ,21h , a диаметр верхнего основания конуса составляет 0,8 от диаметра диска. Необходимо отметить, что при боль щих значениях параметра , полу чаются слишком малые углы наклона образующей конуса (,l-l ) и Изго.товление корпуса в этом случае затруднено. С другой стороны, условие , приводит к значительному уве личению поперечных размеров устройства, хотя и обеспечивает измерение лучистых потоков с углом расходимости до 22,5 (при ) . В известных конструкциях отношение h/d составляет 0,3-4. При этом с помощью предлагаемого устройства, в указанном диапазоне изменения h/d, можно измерять лучистые потоки с максималь ным углом расходимости соответственно от 17 до 4 . Предлагаемое устройство для измерения лучистых тепловых потоков явля ется абсолютным, не требует градуиро ки в процессе эксплуатации и может быть использовано в качестве коит5рольного устройства при градуировке других типов измерителей в диапазоне. тепловых потоков плотностью от 5 до 3000 Вт/м . По сравнению с известным устройством, предлагаемое устройство позволяет измерять как параллельные лучистые потоки, так и лучистые потоки с углом расходимости до 17, точностьюVl%. Таким образом, точность измерения тепловых потоков повьшается в 3-5 раз. Формула изобретения 1. Устройство для измерения лучистых тепловых потоков, содержащее цип линдрический корпус с зеркальной внутренней поверхностью, приемник тепла, выполненный в виде диска с зеркальной тыльной поверхнос- ью, установленный на входе корпуса с зазором по периферии, дифференциаль„у термопару, спаи которой размещены на диске и корпусе, о т л и :Ч .а ю щ е е с я тем, что, с целью повыщеиия точности измерения лучистых тепловых потоков с углом расходимости в диапазоне 0-17°, дно корпуса выполнено в виде усеченного конуса, направленного вершиной к диску. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что диаметр меньшего основания конуса составляет 0,8-0,95 диаметра диска, с высотой конуса, равной 0,1-0,6 от высоты корпуса, и углом наклона образующей конуса не меньше заданного-угла расходимости измеряемого лучистого потока, при этом сумма указанных углов не превьшает величины (тй. где h - высота корпуса; d - величина зазора между диском и корпусом. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 117089, кл. G 01 J 5/12, 1858. j 2. Авторское свидетельство СССР № 386283, кл. G 01 К 17/06, опублик. 1973 год. (прототип).

J