Датчик теплового потока Советский патент 1982 года по МПК G01K17/08 

(54) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Изобретение относится к технике теплофизических измерений и может найти применение в устройствах контроля и измерений тепловых потоков.

Известны датчики тепловых потоков на основе дифференциальных термоэлементов (1 .

Однако данная конструкция не обеспечивает достаточно высокой точности измерений из-за низкой чувствительности.

Известен также датчик теплового потока, содержащий батарею дифференциальных термоэлементов, выполненную в виде плоской спирали и заформованную в компаунд из низкотеплопроводного материала 2. Однако известный датчик обладает достаточно большой инерционностью, что затрудняет его использование при измерениях нестационарных тепловых потоков.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет уменьшения инерционности датчика.

Поставленная цель достигается тем, что в торцовые участки компаунда введена теплопроводная присалка на глубину, превышающую уровень размещения спаев термоэлементов.

В качестве теплопроводной присадки используют мелкодисперсный порошок нитрида бора.

Глубина торцовых участков ксмпаунда с присадкой на 0,5-1,.5 диаметра термоэлектродной проволоки превьпаает уровень размещения спаев термоэлементов.

На фиг. 1 представлен предлагае10мый датчик в разрезе со схематическим изображением батареи дифференциальных термоэлементов на фиг.2 иллюстрация техники изготовления датчика.

15

Датчик содержит батарею дифференциальных термоэлементов, выполненHfciK из термоэлектродной проволоки в виде плоской спирали 1, укрепленной в кольцевом корпусе 2 с помощью

20 заливочного компаунда из электроизоляционного материала, состоящего из центрального 3 и периферийных 4 и 5 слоев. Глубина торцовых участков компаунда с присадкой на 0,5 251., 5 диаметра проволоки превышает уровень размещения спаев термоэлементов, а центральный слой компаунда может быть выполнен из вспененного теплоизолятора. Такое соотноше30ние обеспечивает достаточно малую инерционность при достаточно высоко чувствительности, в периферийные 4, 5 по толщине датчика слои введена теплопроводяща присадка в виде мелкодисперсного по рошка нитрида бора, предпочтительно в количрстве 70 - 90% от объема периферийных слоев. работает следующим образо Одна из поверхностей датчика теп лового потока контактирует с исследуемым объектом (не показан), темпе ратуру которого измеряют, другая че рез плоский термодатчик (не показан с регулятором температуры, полупров никовой термоэлектробатареей, Пос ле осуществления контакта датчика теплового потока с поверхностью исследуемого объекта через периферийный слой компаунда проходит теплово поток, которыйJнаталкиваясь на низк теплопроводныйцентральный слой 3 компаунда, быстро затухает, обеспеч вая прогрев периферийного слоя 4 до температуры исследуемого объекта, В результате обеспечивается равномерный прогрев горячих спаев дифференциальных элементов плоской спирали и появление в цепи датчика мощного сигнала, свидетельствующего об изменении температуры зтих спаев. По выходному сигналу датчика, указывающему на наличие и направление теплового потока, осуществляют подвод (отвод) тепла от регулятора к периферийному слою 5 компаунда для обеспечения соответствия горячих и регулируемых спаев батареи дифференциальных элементов. При прохождении через периферийный слой 5 ком паунда тепловой поток от регулятора , наталкиваясь на низкотеплопроводный центральный слой 3, изменяет его температуру, обеспечивая равномерный прогрев регулируемых спаев дифференциальных элементов батареи, По достижении соответствия температур горячих и регулируемБК спае уровень выходного сигнала датчика несколько уменьшается, а при выравнивании зон центрального слоя 3 кам чпаунда, граничащих с периферийными слоями 4, 5 и прогретьйс до одинаковой температуры, стремится к нулю. Использование вспененного низкотеплопроводного материала обеспечивает наибольшую контрастность теп-лопроводности центрального и периферийного слоев заливки датчика. Периферийный слой 5 компаунда вследствие высокой теплопроводноети обеспечивает выравнивание на поверхности датчика возможных температурных перекосов, обусловленных неравномерным подводом тепла от регулятора, разогревом термодатчика измерительным токоми отвода тепла по его электродам, что приводит к повышению чувствительности датчика за СЧ9Т обеспечения участия в формировании выходного сигнала не отдельных, а большинства термбэлектродов батареи. Периферийный слой компаунда 5, обеспечивая отвод тепла от термодатчика, повышает величину проходящего через него измерительного тока, что дает возможность упростить вторичную аппаратуру, что особенно важно при проведении температурных измерений, например, в шахтах, опасных по газовому и пылевому режимам. Использование в качестве теплопроводной присадки мелкодисперсного порошка нитрида бора обусловлено равномерным распределением по объему периферийных слоев и его высокой теплопроводностью в результате отсутствия на поверхности дисперсных частичек окисиой пленки, что имеет место У медного или алкминиевого порошков, снижающих теплопроводность периферийных слоев. При этом при количестве мелкодисперсного порошка, меньшем 70%, наблюдается стирацие резких границ теплопроводности между периферийными 4, 5 и центральшлм 3 слоями компаунда1, привопящее к ухудшению динамических характеристик датчика, а при содержании порошка, превышающем 90% от объема периферийных слоев, наблюдается неравномерность теплопроводности и локальное снижение теплопроводности отдельных участков периферийных слоев 4, 5 в результате наличия воздушн11х прослоек между дисперсными частицами порошка, что приводит к снижению равномерности прогрева спаев батареи и, как следствие, к снижению чувствительности индикатора. Датчик изготавливают следующим образом, Плоскую спираль укладывают в кольцевой корпус, объем которого заполняют материалом компаунда центрального слоя, осуществляют двустороннее обжатие датчика,.дифференцировано сбрасывая усилие обжатия в межвит- . ковом пространстве спирали, .вытесняют излишнее количество материала компаунда, а затем, зафиксировав полученное распределение усилий обжатия, полимеризуют центральный слой компаунда до момента фиксации формы спирали. Образовавшиеся периферийные полости з аполняют предварительно подготовленной смесью теплопроврдной присадки с материалом заливочного смоляного компаунда. При этом на к:аждый из периферийных слоев выцелят 3-5%. материала смеси больше, яем объем соответствующих периферийных полостей. После этого осуществляют опрессовку датчика теплового потока и окончательно полимеризуют материал компаунда. Пределы превкопения В14целяемс го м териала смеси над объемом периферий ных полостей корпуса выбирают исходя из необходимости обеспечения надежного сцепления центрального и пе риферийного слоев компаунда, внедрения при опрессовке диспергированных частиц порошка теплопроводной присадки в материал центрального сл компаунда. При несоблкпении нижнего предела (3%) снижается надежность сцепления, приводящая к возможному расслоению компаунда и, как следств этого, к сокращению срока службы да чика, при повышении верхнего предела (5%) не обеспечивается равномерность периферийных слоев по толщине и возникает вероятность механического повреждения батареи дифференциальных термоэлементов при опрессовке датчика. Оснастка состоит из стальных дис ков 6, ограничивающих обжатие/ с наклеенными в их витках эластичными элементами 7 из селиконовой резины и герметизирующих прокладок 8 в виде тонкой фторопластовой пленки. Спира-ль 1 укладывают в кольцево корпус 2. Помещают индикатор на оснастку, установленную горизонтально эластичным элементам вверх, обеспечивают прокладкой 8 герметичность з зора между эластичным элементом 7 и кольцевым корпусом 2/ заполняют объем последнего материалом заливоч ного компаунда. Затем устанавливают ответную оснастку (эла.стичный элемент 7 направлен вниЭ). Через герме тизирующую прокладку 8 сдвигают ограничивающие диски б до упора их плоскостей в торцы кольцевого корпуса 2. Эластичные элемента в точка контакта с плоской спиралью 1 сжимаются, от спаев дифференциальных термоэлементов оттесняют материал центрального слоя 3 котаунда. И&лишнее количество материала крмпаун да отводят через отверстие (не показано) в кольцевом корпусе 2. Элас тичность селиконовой резины, из которой изготавливают эластичные элементы 7, исключает смятие плоской спирали 1 из териоэлектродной проволоки с лентой 9, формирующей спираль . . Предложенное устройство позволяет повысить точность измерений стационарных и нестационарных температур, сократить время получения .корректной информации о температуре объекта за счет снижения его термической инерционности, дает возможность индицировать соответствие температур исследуемого объекта и термодатчика, не ожидая прогрева устройства по всей его толщине до температугял объекта. Формула изобретения 1.Датчик теплового потока, содержащий батарею дифференциальных термоэлементов , выполненную в виде плоской спирали и заформованную в ксмпаунд из низкотеплопроводного материала , отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения инерционности датчика, в торцовые участки компаунда введена теплопроводная присадка на глубину, превышающую уровень размгацения спаев термоэлементов. 2.Датчик по п. 1, отличающий с я тем, что в качестве теплопроводной присадки использован мел кодисперсный порошок нитрида бора. 3.Датчик по п. 1, отличающийся тем, что глубина торцовых участков компаунда с присадкой на 0,5 - 1,5 диаметра термоэлектродной проволоки превышает уровень размш ения спаев термоэлементов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 159048, кл. G 01 К 17/18, 1962. 2.Геращенко О.А. Основы теплометрии. Киев/ Наукова думка/ 1971/ с. 90 - 103 (прототип).

/

/.

/ / уу с/хххХ УУхУ

/I/y/7/V//X

f

г

/. ZJ h,.i