Способ калибровки датчика теплового потока
HEAT FLUX SENSOR CALIBRATION METHOD

Изобретение относится к средствам теплофизических измерений и может быть использовано для калибровки датчиков теплового потока при наземных испытаниях в установках радиационного нагрева.
Измерение температуры поверхности изделий и теплового потока играют очень важную роль при проведении наземных теплопрочностных испытаний элементов высокоскоростных летательных аппаратов (ЛА).
В настоящее время задание тепловых режимов при испытаниях керамических элементов ЛА проводится по температуре наружной поверхности. Это наиболее простой из известных способов управления нагревом. Однако, для его реализации применяется контактный метод измерения температуры. Недостатком такого метода применительно к радиационному нагреву керамических элементов ЛА является способ крепления термоэлектрических преобразователей (термопар), ограниченный приклейкой электродов термопар к исследуемой поверхности высокотемпературными клеями. По этой причине погрешность задания тепловых режимов от изделия к изделию при больших темпах нагрева может достигать до 30% и более. Для того, чтобы снизить эту погрешность требуется контролировать величину плотности теплового потока на всем протяжении процесса, имитирующем нагрев изделия в полете, синхронно с измерением температуры испытуемого изделия.
2
Контроль плотности теплового потока проводят охлаждаемыми датчиками теплового потока (ДТП) с пределом измерения 2500 кВт/м. В основном это ДТП с поперечным градиентом температуры (схема Гордона). При производстве и эксплуатации этих датчиков требуется их калибровка.
2
В технике известны способы калибровки датчиков теплового потока, по патентам Российской Федерации № № 1075091, МПК G01K 19/00, публ. 23.02.1984, 1024752, МПК G01K 19/00, публ. 23.06.1983, 1500870, МПК G01K 19/00, публ. 15.08.1989. Недостатком приведенных способов является невозможность воспроизведения тепловых потоков большой плотности (до 2500 кВт/м), которые характерны для тепловых испытаний элементов высокоскоростных летательных аппаратов.
Известно также техническое решение по патенту Российской Федерации № 2766410, МПК G01K 17/00, публ. 15.034.2022 «Способ лазерной калибровки датчиков теплового потока с имитацией экспериментальной нагрузки». В данном способе моделируют тепловой поток лазерным излучением, которое подвергается преобразованию (изменение формы, размера, угла расширения или сжатия, рассеивания) для обеспечения равномерного теплового потока на поверхность ДТП. Недостатком данного способа является сложность моделирования равномерного теплового потока на поверхности ДТП.
2
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является техническое решение (С.М.Осадчий, Б.Г.Потапов. «Государственный эталон единицы плотности радиационного теплового потока в диапазоне от 5 до 2500 кВт/м», «Альманах современной метрологии», № 12, 2017 г.). В этом способе авторы применяют эллиптическое зеркало отражателя фокусирует тепловые лучи от дуги газоразрядной лампы высокого давления и формирует тепловой поток высокой интенсивности. Для получения однородного теплового потока используется кварцевый световод, на входе которого фокусируются тепловые лучи. После многократных отражений плотность тепловых лучей выравнивается по сечению световода и на выходе световода тепловой поток обладает высокой степенью однородности. Для калибровки ДТП на выходе световода последовательно устанавливаются эталонный датчик и калибруемый. Напряжение сигнала калибруемого ДТП задается (устанавливается) в соответствии с измеряемой плотностью теплового потока. Недостатки указанного технического решения заключаются в невозможности регулировки плотности теплового потока вследствие применения газоразрядной лампы и сложности используемого электрооборудования.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение регулирования плотности теплового потока при калибровке датчиков теплового потока и упрощение их калибровки.
Указанный технический результат обеспечивается предлагаемым техническим решением.
1. Способ калибровки датчика теплового потока, содержащий генерирование излучателем лучистого теплового потока, формирование теплового потока на входе световода, установку датчика теплового потока на выходе световода, регистрацию выходного сигнала калибруемого и эталонного датчиков и приведение в соответствие сигнала калибруемого датчика и измеренной плотности теплового потока, отличающийся тем, что тепловой поток на входе световода, выполненного в виде оболочки усеченного конуса с зеркальным внутренним покрытием, формируют наложением n-го количества параллельных пучков излучения от n-го количества излучателей, установленных на сферическом сегменте по нормали к его поверхности, при этом ось симметрии световода совпадает с осью симметрии сферического сегмента, а центр окружности входа световода совпадает с центром сферы сегмента.
2. Способ калибровки датчика теплового потока по п.1, отличающийся тем, что в качестве излучателей используют точечные галогенные лампы с параболическими рефлекторами.
3. Способ калибровки датчика теплового потока по п.1, отличающийся тем, что в качестве излучателей используют дуговые лампы.
4. Способ калибровки датчика теплового потока по п.1, отличающийся тем, что световод охлаждают.
d
d
вх
5. Способ калибровки датчика теплового потока по п.1, отличающийся тем, что диаметр входа световода  не менее , где  - диаметр пучка излучения,  - максимальный угол между осью пучка и осью световода.
Способ реализуется следующим образом.
Устанавливают эталонный датчик теплового потока на выходе световода. Задают напряжения питания на излучателях в виде ступенчатой программы, показанной на фигуре 2 и синхронно регистрируют сигнал на его выходе. Отключают подаваемое напряжение на излучатели и снимают эталонный датчик теплового потока.
Устанавливают калибруемый датчик теплового потока на выходе световода. Задают напряжения питания на излучателях в виде ступенчатой программы, показанной на фигуре 2, и синхронно регистрируют сигнал на его выходе. Отключают подаваемое напряжение на излучатели и снимают калибруемый датчик теплового потока.
Сравнивают сигналы эталонного и калибруемого датчиков теплового потока и выстраивают калибровочную кривую калибруемого датчика относительно эталонного датчика.
Плотность теплового потока в предлагаемом способе регулируется за счет изменения напряжения питания излучателей, а также за счет изменения их количества. Это позволяет упростить регулировку плотности теплового потока и калибровку датчика теплового потока.
На фигуре 1 представлен вариант осуществления предлагаемого изобретения, где лучистый тепловой поток формируется направленными излучателями 1, расположенными на сферическом сегменте 2 по его нормали Лучистый тепловой поток от всех излучателей направлен на вход световода 3, который проходя через вход световода в виде оболочки усеченного конуса с зеркальным внутренним покрытием, переотражается и направляется к выходу световода. Многократное отражение лучистого теплового потока внутри световода обеспечивает его однородную плотность на выходе из него. Эталонный и калибруемый датчики 4 устанавливаются поочередно на выходе световода.
Ось симметрии световода совпадает с осью симметрии сферического сегмента 2.
В качестве излучателей можно использовать точечные галогенные лампы с параболическими рефлекторами, а также дуговые лампы. Для исключения перегрева световод может быть выполнен охлаждаемым.
d
≥
d
d
вх
вх
Более эффективная передача теплового потока от излучателей к датчикам теплового потока через вход световода обеспечивается следующими условиями: , где  - максимальный (из всех пучков излучения) угол между осью пучка лучистого теплового потока и осью световода, который обеспечивает полное прохождение всех пучков лучистых тепловых потоков излучателей через вход световода,  - диаметр входа световода,  - диаметр излучателя.
Использование предлагаемого изобретения обеспечивает регулирование плотности теплового потока при калибровке датчиков теплового потока и упрощает их калибровку.