Датчик теплового потока Советский патент 1981 года по МПК G01K17/20 

(54) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно, к датчикам, предназначенным для измерения плотности теплового потока, поступающего в теплозащитное покрытие. Известны датчики теплового потока принцип действия которых основан на функциональной связи измеряемой плотности теплового потока и температуры поверхности тепловоспринимающего элемента, которая измеряется с помощью термометра сопротивления ,1 . Использование известных датчиков для измерения плотности теплового потока, поступающего в теплозащитное покрытие, ограничено допустимой рабочей температурой термометра сопротивления , которая обычно ниже температуры тепловоспринимающей поверхности теплозащитного покрытия. Повышение этой температуры вызывает недопустимый перегрев термометра сопротив ления и даже его разрушение. Кроме того, различие температур тепловоспринимающих поверхностей теплозащитного покрытия и тепловоспринимающего элемента датчика в процессе измерения приводит к возникновению систематической погрешности измере;ния, так как тепловой поток, поступающий в тепловоспринимающий элемент не соответствует тепловому потоку, по поступающему непосредственно в теплозащитное покрытие. Наиболее близким к предлагаемому является датчик теплового потока, содержащий тепловоспринимающий элемент, вьшолненный в виде стержня из теплозащитного материала, с расположенной на его торцовой поверхности термопарой 2j. Датчик своей торцовой поверхностью устанавливается заподлицо с тепловоспринимающей поверхностью теплозащитного покрытия. Воздействие измеряемого теплового потока на поверхность тепловоспринимающего элемента 38 датчика приводит к изменению ее температуры, которая может достигать 8001000С. При таких температурах в теплозащитном материале, из которого изготавливается тепЛовоспринимающий элемент датчика, происходят существенные изменения его теплофизических и оптических характеристик тепловоспринимающей поверхности, определяющих чувствительность датчика. . В процессе измерения чувствительность датчика изменяется, что, естественно, приводит к снижению точности измерения плотности теплового потока, которое может достигать 20-30% и определяется точностью определения оптических и теплофизических характерис тик материала тепловоспринимающего эле мента в рабочем диапазоне температур Наряду с этим, при температурах вы этим, 300 G происходит разложение связую ше щего материала тепловоспринимающего элемента датчика, которое сопрово,ждается поглощением тепла и приводит к образованию значительных масс газообразных продуктов разложения, и.соот ветственно, формирует пористую, сильно изрытую структуру поверхностного слоя. В результате термоприемник ( тер мопара) , расположенный на поверхности тепловоспринимающего элемента, подвер гается воздействию твердых и газообразных продуктов разложения и. при образовании пористой поверхности, пол ностью или частично теряет контакт с ней. В этом случае измерение температуры производится со значительной погрешностью, которая также влияет на точность изменения плотности теплового потока, рассматриваемого датчиком. Разложение связующего материала тепловоспринимающего элемента и обусловленная этим потеря контакта термоприемника с тепловоспринимающей повер хностью исключает предварительное его градуирование, которое бы позволило учесть температурное изменение теплофизических и оптических характеристик тепловоспринимающего элемента и, тем самым,, повысить точность измерения тотности теплового потока. Кроме того, отмеченные изменения теплофизнческих и оптических характеристик материала тепловоспринимаюг щего элемента а также нарушение контакта термоприемника с тепловоспринимакнцей поверхностью элемента исключает возможность многоразового исполь зования известного датчика при измерениях плотности теплового потока, поступающего в теплозащитное покрытие. Цель изобретения - повышение точности измерений и обеспечение многоразовости использовайия. Указанная цель достигается тем, что в датчик зведен дополнительный тепловоспринимающий элемент, выполненный из термоэлектродного материала и являющийся электродом термопары, второй проволочный электрод которого закрейлен в центре тепловоспринимающей поверхности дополнительного элемента, установленного через теплопроводную шайбу на верхней торцовой поверхности основного тепловоспринимающего элемента. На чертеже изображен датчик теплог вого потока. Датчик содержит тепловоспринимаю- щий элемент 1, выполненный в виде стержня из теплозащитного материала, дополнительный тепловоспринимающий элемент 2, выполненный из термоэлектродного материала, например из хроме ля, и являющийся электродом термопары, второй проволочный электрод 3 которой закреплен в центре тепловоспринимающей поверхности дополнительного элемента 2 и выполнен, например из алюмеля, дополнительный элемент 2, являющийся электродом термопары, снабжен токовым выводом 4, выполненньпл из хромеля. Дополнительный тепловоспринимающий элемент 2 выполнен в форме полого тела вращения, например цилиндра. На торцовой поверхности тепловоспринимающего элемента 1 размещена термопара 5, дополнительный тепловоспринимающий элемент 2 через теплопроводную шайбу 6, выполненную например из меди, установлен на верхней, торцовойповерхности основ ного тепловоспринимающего элемента 1. Устройство работает следующим образом. Измеряемый тепловой поток поглощается плоской тепловоспринимающей поверхностью тепловоспринимающего элемента 2 и вызывает изменение ее темпе-ратуры, которое измеряется термопарой, образованной тепловоспринимающим элементом 2 и электродом 3. Через определенное время после начала воздей ствия теплового потока, которое определяется теплофизическими характеристиками материала тепловоспринимающего элемента 2 и его ВЬЕСОТОЙ, происходит изменение температуры торцовой поверхности тепловоспринимающего эле мента I, которое регистрируется с по мощью размещенной на ней термопары. При этом величина плотности измеряемого теплового потока определяется по температуре тепловоспринимающей поверхности элемента 2, а затем - по температуре тепловоспринимающей .по-; верхности элемента l. Изобретение позволяет повысить то ность измерения плотности теплового потока и обеспечивает многоразовость использования датчика. Наличие допол нительного тепловоспринимающего элемента позволяет существенно снизить температуру поверхности основного тепловоспринимающего элемента (ниже 300 с). При такой температуре разложения связующего теплозащитного материала практически не происходит, а изменение его теплофизических характеристик незначительно и может быть учтено при градуировании. Наряду с этим, повышается точность измерения температуры поверхности основного тепловоспринимающего элемента, так как при отсутствии разложения теплозащитного материала не происходит отслоение термоприемника (термопары), размещенного на торцовой поверхности основного тепловоспринимающего элемента. Наконец, наличие переходной шайбы соединяющей основной и дополнительг ный тепловоспринимающие элементы и в -полненной из теплопроводного материа ла (меди), позволяет обеспечить равномерное распределение температуры п поверхности основного тепловосприни- мающего элемента и тем самым повысит точность измерения температуры. Выполнение дополнительного тепловоспринимающего элемента в форме по- лого тела вращения (полого цилиндра) позволяет путем подбора соотношения площадей тепловоспринимающей поверхности и его сечения обеспечить темпе ратуру этой поверхности близкой температуре поверхности теплозащитного покрытия, что практически исключает систематическую погрешность измерения плотности теплового потока, обусловленную различием температур тепловоспринимающих поверхности теплозашитного покрытия и тепловоспринимающего элемента датчика. Наряду с повьш1ением. точности измерения, наличие в конструкции предлагаемого устройства дополнительного тепловоспринимающего элемента вьшолненного из термоэлектродного материала, позволяет обеспечить многоразовость использования датчика, так как при многократном измерении плотности теплового потока в датчике не происходит разложение и разрушение материалов тепловоспринимающих элементов (как основного, так и дополнительного) . Формула изобретения Датчик теплового потока, содержащий тепловоспринимающий элемент, выполненный в виде стержня из теплозащитного материала, с расположенной) на его торцовой поверхности термопарой, отличающи йся тем, что, с целью повьш1ения точности измерений и обеспечения многораэовости использования, в него введен дополнительный тепловоспринимаюч й элемент, выполненнь1й из термоэлектродиого материала и ЯВЛЯЮ1ДИЙСЯ электродом термопары, второй проволочный алектрод которой закреплен в центре тепловоспринимающей поверхности дополнительного элемента, установленного через теплопроводную шайбу на верхней торцовой поверхности основного тепловоспринимающего элемента. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Полякова Ю.А. и Митькина Е.А Приборы и техника эксперимента, 1961, № 4. 2.Instrumentation in the aerospace industry. 1974, № 20, с. 123132 (прототип).