Охлаждаемый датчик теплового потока
COOLED HEAT FLOW SENSOR

Изобретение  относится к области теплофизических измерений, а именно к измерению лучистого теплового потока при тепловых испытаниях элементов летательных аппаратов в установках радиационного нагрева.
Известны различные способы оценки высокоинтенсивного теплового излучения, основанные на использовании датчиков теплового потока. Анализ научных публикаций показал, что в научных исследованиях при измерении плотности высокоинтенсивных тепловых потоков применяются, в основном, способы, основанные на схеме датчика Гардона, например, датчики теплового потока, описанные в работе: С.З.Сапожников, В.Ю.Митяков, А.В.Митяков, Градиентные датчики теплового потока, СПб., Изд. СПбГПУ, 2003, 168 с., а также патентах и авторских свидетельствах: патент CN203745106U «Датчик теплового потока с жидкостным охлаждением», опубл. 30.07.2014; патент CN 201320830684, опубл. 30.07.2014;  А.с. СССР №892232,  Кл G01 1/14, опубл. 23.12.81 г. Бюл.№ 47;  А.с. СССР №705281, Кл. G01К 17/06, опубл. 25.12.79 г. Бюл. № 47; патент РФ № 2737681, МПК G 01 K 17/20, опубл. 02.12.2020 Бюл.№ 34; патент РФ № 2700726, МПК G 01 K 17/06, опубл. 19.09.2019 Бюл.№ 26.
Основной недостаток известных конструкций датчиков теплового потока является сложность конструкции и технологии их изготовления, а также эксплуатации датчиков при тепловых испытаниях, что существенно увеличивает погрешность измерения теплового потока.
Наиболее близким по технической сущности является техническое решение по патенту РФ № 2700726, МПК G 01 K 17/06, опубл. 19.09.2019 Бюл.№ 26 (прототип), где датчик теплового потока, содержащий тепловоспринимающий элемент, который выполнен в виде тонкостенного жаропрочного колпачка с установленным внутри него керамическим вкладышем из материала с ортагонально анизотропной теплопроводностью, причем коэффициент теплопроводности вдоль продольной оси  датчика существенно меньше  коэффициента теплопроводности в поперечном направлении к ней, а термопары выполнены в жаростойком исполнении из платинородиевого сплава.
Недостатком прототипа является сложность конструкции датчиков и технологии их изготовления.
Кроме того, в нем применяются термопары из драгоценных металлов, что существенно повышает их стоимость. Возможно, по этой причине, несмотря на их технические достоинства, не организовано промышленное производство этих датчиков.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в создании охлаждаемого датчика теплового потока, который был бы лишен недостатков прототипа, а именно обеспечивающего высокую точность измерений теплового потока при тепловых испытаниях элементов летательных аппаратов в установках радиационного нагрева.
Указанный технический результат достигается тем, что представлен:
отличающийся тем, что
1. Охлаждаемый датчик теплового потока (ДТП), выполненный по схеме Гордона, содержащий чувствительный элемент из константана, соединенный с медным корпусом,  медные электроды  и устройство охлаждения,   ДТП и устройство охлаждения выполнены как отдельные элементы с возможностью их сборки в единое целое за счет нанесения на  наружной части корпуса ДТП резьбы, в центральной части устройства охлаждения выполнено сквозное отверстие с резьбой, равной резьбе на корпусе ДТП, которое дает возможность использовать корпус ДТП как крепеж для сборки составляющих устройства охлаждения, внутреннее пространство в корпусе ДТП, от чувствительного элемента до выхода электродов, заполнено твердым, теплоизолирующим и электроизолирующим материалом, причем выход электродов дифференциальной термопары из корпуса осуществляется через клеевую среду, фиксирующую положение электродов и электроизоляции относительно корпуса ДТП.
отличающийся тем, что
2. Охлаждаемый датчик теплового потока (ДТП) по п.1,  пространство под чувствительным элементом выполнено в виде трех цилиндров разного диаметра: первый цилиндр под чувствительным элементом выполняется с большим диаметром  из материала с теплопроводностью, близкой к теплопроводности сухого воздуха, а второй,
меньшего диаметра, заполнен керамическим материалом, через который проходит электрод дифференциальной термопары, который соединен с центром чувствительного элемента, в третьем цилиндре крепится второй электрод дифференциальной термопары к корпусу, причем пространство третьего цилиндра после того, как на электроды дифференциальной термопары монтируются гибкие трубки из высокотемпературного электроизолирующего материала, заполняется высокотемпературным клеем таким образом, чтобы фиксировать электроды и гибкие трубки в одном положении относительно корпуса ДТП.
отличающийся тем, что
3. Охлаждаемый датчик теплового потока (ДТП) по п.1,  устройство охлаждения может быть выполнено без камеры охлаждения из двух цилиндрических частей из материала с высокой теплопроводностью, причем части монтируются на медную трубку через которую протекает жидкость, например вода.
отличающийся тем, что
4. Охлаждаемый датчик теплового потока (ДТП) по п.1, устройство охлаждения может быть выполнено с камерой охлаждения, которая собрана из двух цилиндрических частей, которые склеены высокотемпературным герметиком.
отличающийся тем, что
5. Охлаждаемый датчик теплового потока (ДТП) по п.1, часть устройства охлаждения, в которую ввинчивается корпус датчика теплового потока (ДТП) выполнена с отверстиями для крепления в месте контроля плотности теплового потока.
Изобретение поясняется чертежом.
На чертеже представлен вид предлагаемой  конструкции датчика теплового потока (ДТП), где корпус 1 датчика теплового потока с чувствительным элементом 2 ввинчен в первой цилиндрической части 8 устройства охлаждения с внутренним резьбовым отверстием 10,  внутреннее пространство корпуса ДТП состоит из трех цилиндров: первый цилиндр 3 заполнен  теплоэлектроизоляционным  материалом с низкой теплопроводностью; промежуточный цилиндр 4 заполнен керамическим материалом (керамической трубкой); третий цилиндр 5 заполнен электроизолирующим  клеевым составом, который фиксирует положение электродов дифференциальной термопары в одном положении,  центральный электрод  6 дифференциальной термопары проходит через ось симметрии корпуса 1,  цифрой 7 обозначен второй электрод дифференциальной термопары. Устройство охлаждения состоит из двух цилиндрических частей: первая цилиндрическая часть 8 склеена со второй частью 9 высокотемпературным герметиком 12, после нанесения герметика обе части 8 и 9 стягиваются в единое целое с помощью корпуса 1 ДТП. Для охлаждения корпуса ДТП охлаждающая жидкость 13 нагнетается через трубку 11, а выводится через трубку 14.  Цифрой 15 обозначена вытекающая жидкость. Следует отметить, что составные части 8 и 9 устройства охлаждения выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например из меди.
2
Экспериментальные исследования датчика теплового потока предлагаемой конструкции при регистрации плотности теплового потока в диапазоне до 2 мВт/м показали, что для варианта с камерой охлаждения (см. чертеж) температура корпуса 1 при длительной работе не превышает 50°С, а чувствительность равна чувствительности датчика типа ФОА 013 в этом же диапазоне.