ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к теплотехнике, в частности к датчикам теплового потока типа вспомогательной стенки, представляющим собой пластинки, расположенные на пути теплового потока, и может быть использована для измерения теплового потока на поверхности или в глубине тела или среды.
Известные датчики теплового потока подразделяются на датчики продольного типа и датчики поперечного типа. В первых датчиках на противоположных сторонах пластинки расположены спаи дифференциальной термопары (обычно многоспайной). В этом случае разность температур на поверхностях пластинки с известной толщиной и теплофизическими свойствами связывают с тепловым потоком. В стационарном тепловом режиме такая связь близка к линейной, в то время как в нестационарном режиме она, в общем случае, нелинейна. Чтобы уменьшить постоянную времени датчика, уменьшают толщину датчика, повышают его теплопроводность, снижают его теплоемкость. Но при этом неизбежно снижается температурный перепад и, следовательно, уровень генерируемого сигнала.
Примером такого датчика является датчик теплового потока продольного типа (см. патент US №5314247, МПК G01К 17/00, опубл. 24.05.1994), выполненный в виде металлической пластины с кольцевой канавкой, на стенках которой размещают термопары на разных расстояниях от дна канавки. Таким образом, получают распределение температуры по толщине пластины, по которому затем рассчитывают тепловой поток. В данной конструкции величина теплового потока будет зависеть от теплопроводности, теплоемкости и плотности материала пластины, так как распределение температуры по толщине пластинки зависит от этих величин.
В датчиках поперечного типа используют поперечный эффект Зеебека. В этих датчиках при прохождении теплового потока через материал с анизотропией тепло- и электропроводности, а также коэффициента термоЭДС (ТЭДС), в направлении, нормальном к вектору теплового потока возникает ТЭДС, пропорциональная величине теплового потока. При нестационарных процессах сигнал генерирует только поверхностный слой анизотропного материала, из которого выполнен датчик. Как показали эксперименты, например, для датчиков, выполненных на основе монокристаллов висмута,
-8
-9
постоянная времени датчика не зависит от толщины датчика и составляет 10-10 с. Датчики этого типа позволяют исследовать быстропротекающие тепловые процессы.
Известен датчик теплового потока (см. патент РФ №2008635, МПК G01K 17/20, опубл. 28.02.1994), измеряющий разность температур не вдоль направления теплового потока, а перпендикулярно ему. Датчик включает тонкую никелевую пластину, заделанную в поверхность датчика, к центру которой приварен нихромовый провод, а к периферии - никелевый провод. Имеется также нихромовый провод, приваренный к нихромовому корпусу датчика. Точность показаний дифференциальной термопары невелика, так как измеряемая разность температур между центром и периферией пластинки в некоторых случаях не превышает нескольких градусов.
Известен датчик теплового потока (см. патент RU №2221226, МПК G01K 17/09, опубл. 10.01.2004), состоящий из нихромового корпуса, в верхней части которого заделана никелевая пластинка. Под никелевой пластиной расположена цилиндрическая полость, которая препятствует теплоотдаче от тела датчика к пластинке. Диаметр полости относится к диаметру пластинки как 0,9:1, а глубина полости относится к толщине пластинки как 20:1, что увеличивает точность измерения разности температур. К никелевой пластине приваривают три стандартные термопары хромель-алюмель: одну в центре, а две на периферии пластинки симметрично относительно центра. За счет этого можно измерять местный тепловой поток на поверхности датчика. Недостатком известного датчика является низкая чувствительность, а также искажение поля температуры, вызванное существенным отличием эффективных теплофизических свойств датчика от свойств тела, на котором или в толщине которого он установлен.
Известен датчик теплового потока (см. патент RU №2242728, МПК G01K 7/02, опубл. 20.12.2004), включающий кремниевую подложку, на которой последовательно расположены мембрана и термопары, горячие и холодные спаи которых расположены на тонкой и толстой частях мембраны соответственно, а сами термопары соединены в батарею. Термопары выполнены из монокристаллического кремния и алюминия, а мембрана выполнена из монокристаллической диэлектрической пленки фторида кальция. Недостатком является низкая теплостойкость, определяемая точкой плавления алюминия, а также сложность изготовления и малая механическая прочность.
Известен дифференциальный датчик теплового потока (см. патент US №6278051, МПК G01K 17/20, опубл. 21.08.2001), включающий подложку, на
которой последовательно расположены первый слой, второй спой, третий слой, четвертый слой и верхний слой. Подложка электрически изолирована и изготовлена из материала, имеющего высокую теплопроводность. Первый слой включает изолирующий материал и множество металлических подушечек, покрывающих часть поверхности подложки. Второй и третий слои включают изолирующий материал и множество металлических перемычек, соединенных между собой. Четвертый слой включает изолирующий материал и множество металлических подушечек. Верхний тонкий слой изготовлен из материала, имеющего высокую теплопроводность. Недостатком является сложность конструкции, а также то, что в формировании сигнала участвует вся толщина датчика, поэтому его инерционность велика.
2
3
7-8
2
3
Известен термоэлектрический датчик (см. патент US №5823682, МПК G01J 5/12, опубл. 20.10.1998), включающий тонкий слой косослойного кристаллического материала, например, высокотемпературного сверхпроводника, снабженный контактами. Косослойную пленку толщиной около 1 мкм получают напылением чередующихся слоев YВаСuO и CuO на основание из SrTiO толщиной 2 мм. Известный датчик теплового потока имеет высокое быстродействие и достаточный для регистрации выходной сигнал, однако обладает высоким омическим сопротивлением и низкой термостойкостью.
x
1-x
Известен датчик теплового потока (см. патент US №3785875, МПК H01L 35/18, опубл. 15.01.1974) на основе анизотропного кристалла ZnCdSb, где 0<x<1, который вырезан так, что угол между направлением теплового потока и плоскостью, проходящей через из кристаллографические оси (001 и 010) больше 0°, но меньше 90°, предпочтительно он равен 45°. Недостатком является низкая термостойкость, вызванная наличием в материалах сурьмы и кадмия.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому решению является датчик теплового потока (см. патент ЕР №1223411, МПК G01K 7/02, опубл. 17.07.2002), включающий снабженный контактами для измерения термоЭДС искусственно созданный анизотропный материал, преимущественно в виде чередующихся слоев двух имеющих различную тепло- и электропроводность металлов или сплавов, например, меди и константана, у которого угол между направлением теплового потока и направлением анизотропии больше 0°, но меньше 90°.
Недостатком датчика-прототипа является его относительная низкая термостойкость из-за наличия слоев меди.
Задачей заявляемой полезной модели являлось создание датчика теплового потока с повышенной термостойкостью.
Поставленная задача решается группой полезных моделей, объединенных единым изобретательским замыслом.
По первому варианту задача решается тем, что датчик теплового потока, включает снабженный контактами для измерения термоЭДС искусственно созданный анизотропный материал в виде чередующихся слоев никеля и стали, соединенных диффузионной сваркой и расположенных под острым углом к направлению теплового потока.
Стальной слой может быть, например, выполнен из стали 65Х13, которая содержит 13,00 масс.% хрома и 0,65 масс.% углерода, или из стали Х18Н9Т, которая содержит 18,00 масс.% хрома и 9,00 масс.% никеля, 1,00 масс.% титана и 0,12 масс.% углерода.
По второму варианту задача решается тем, что датчик теплового потока включает снабженный контактами для измерения термоЭДС искусственно созданный анизотропный материал в виде чередующихся слоев хромели и алюмели, соединенных диффузионной сваркой и расположенных под острым углом к направлению теплового потока.
Хромель, сплав никеля с хромом, обладает благоприятным сочетанием термоэлектрических свойств и жаростойкости. Он содержит около масс.10% хрома, около 1 масс.% Со, а также примеси (до 0,2 масс.% углерода и до 0,3 масс.% железа). Хромель характеризуется достаточно большим и почти прямолинейным изменением ТЭДС в широком интервале температур. Хромель имеет постоянное значение ТЭДС при длительной работе на воздухе в интервале температур 20-1000°C.
Алюмель, сплав никеля (основа) с алюминием, марганцем, кремнием, кобальтом и цинком, которые в сумме составляют около 6 масс.%. Алюмель имеет высокий коэффициент ЕЭДС и хорошее постоянство термоэлектрических свойств.
По третьему варианту задача решается тем, что датчик теплового потока, включающий снабженный контактами для измерения термоЭДС искусственно созданный анизотропный материал в виде чередующихся слоев АРМКО-железа и константана, соединенных диффузионной сваркой и расположенных под острым углом к направлению теплового потока.
АРМКО-железо (от аббревиатуры ARMCO - сокращенного названия американской фирмы American Rolling Mill Corporation) - технически чистое железо, содержащее очень мало углерода и других примесей. АРМКО-железо
устойчиво к коррозии, обладает повышенной электропроводностью и очень высокой пластичностью.
Константан, медно-никелевый сплав, характеризующийся слабой зависимостью электрического сопротивления от температуры. Обычно константан содержит 39-41 масс.% никеля, 1-2 масс.% марганца, остальное - медь.
Выбранные в процессе исследований указанные выше металлические пары имеют значительное различие по теплопроводности, по электропроводности и коэффициенту ТЭДС. Диффузионная сварка этих пар обеспечивает стабильность качества соединения и высокую механическую прочность, а также препятствует образованию дефектов в виде пор, оксидных пленок и т.д. Все это позволило создать датчики теплового потока из искусственных анизотропных материалов, обладающих высокой термостойкостью.
Заявляемая конструкция датчика поясняется чертежом, где
на фиг.1 приведен вид сбоку на датчик теплового потока в разрезе ( - вектор теплового потока; θ - угол между направлением теплового потока и направлением металлических слоев в датчике; δ - толщина датчика);
на фиг.2 показан вид датчика в аксонометрии.
Заявляемый датчик теплового потока на основе искусственно созданного анизотропного материала включает (см. фиг.1 и фиг.2) соединенные диффузионной сваркой чередующиеся металлические слои 1 и 2. Слои 1 и 2 выполняют соответственно из следующих пар: никель - сталь, или хромель и алюмель, или АРМКО-железо - константан. В качестве стали преимущественно используют сталь 65X3 или сталь X18Н9Т. Слои расположены под острым углом θ к направлению теплового потока. Угол θ преимущественно составляет от 20° до 45°. К расположенным у боковых торцов датчика слоям 1 и 2 присоединены соответственно выводы 3, 4, к которым при работе датчика присоединяют измеритель 5 ТЭДС (например, милливольтметр). Слои 1 и 2 обычно имеют толщину порядка 0,1 мм.
Заявляемый датчик теплового потока изготавливают следующим образом. Нарезают металлические слои 1 и 2 из следующих пар: никель - сталь, или хромель и алюмель, или АРМКО-железо - константан. Поверхности слоев 1 и 2 должны быть достаточно гладкими с высотой микронеровностей в пределах 1-10 мкм. Поверхности слоев 1 и 2 обезжиривают. Затем слои 1 и 2 поочередно укладывают в стопку, которую помещают в рабочую зону нагревательного устройства (например, в электрическую печь, индуктор и т.п.), сжимают
-4
давлением 0,1-0,2 МПа и нагревают до температуры, составляющей 0,5-0,7 от абсолютной температуры точки солидус менее тугоплавкого материала (для чистых металлов - точки плавления). Время выдержки при этой температуре составляет 1-15 минут. Нагрев можно вести и в вакууме до 10 мм рт. ст. Однако получение качественных заготовок возможно и при нагреве предварительно стянутой в пакет стопки слоек 1 и 2 в печах без использования вакуума или защитных сред. В результате термической обработки на границе слоев 1 и 2 образуется прочное диффузионное соединение, и стопка превращается в многослойный композитный материал с анизотропией теплофизических и термоэлектрических свойств. После охлаждения со скоростью, исключающей появление закалочных структур, многослойный композитный материал разрезают на пластины (например, способом электроискровой резки), расположенные под углом от 20° до 45° к плоскости исходных слоев 1 и 2. Нарезанные анизатропные пластины при необходимости подвергают дополнительной обработке: изгибают, штампуют, обрезают, придавая датчику требуемую форму и размеры. Затем присоединяют выводы 3, 4 из материала с достаточной термостойкостью известным способом сварки или пайки. Изготовленные таким образом датчики затем градуируют.
Пример 1. Из фольг стали 65X13 (ГОСТ 5632-72) и никеля толщиной 0,1 мм нарезали пластинки равных размеров. Полученные пластины обезжиривали и складывали поочередно в пакет. Пакет, сжатый давлением 0,12 МПа, выдерживали в вакуумной печи 10 минут при температуре 1100°C. Полученный композит разрезали на пластины под углом 30°. К полученным пластинкам припаивали контакты в соответствии с фиг.1. Чувствительность датчиков составляла 0,70 мкВ/Вт.
Пример 2. Из фольг стали X18Н9Т (ГОСТ 5632-72) и никеля толщиной 0,1 мм нарезали пластинки равных размеров. Полученные пластины обезжиривали и складывали поочередно в пакет. Пакет, сжатый давлением 0,12 МПа, выдерживали в вакуумной печи 10 минут при температуре 1100°C. Полученный композит разрезали на пластины под углом 30°. К полученным пластинкам припаивали контакты в соответствии с фиг.1. Чувствительность датчиков составляла 0,74 мкВ/Вт.
Пример 3. Из фольг хромели и алюмели толщиной 0,1 мм нарезали пластинки равных размеров. Полученные пластины обезжиривали и складывали поочередно в пакет. Полученный пакет сжимали струбцинами и помещали в муфельную печь. Образец выдерживали в печи 30 минут, при температуре 900°C. Далее образец остывал вместе с печью. Полученный композит
разрезали на пластинки под углом 25°. К полученным пластинкам припаивали контакты в соответствии с фиг.1. Размеры в плане и толщина полученных датчиков могут быть различными. Чувствительность полученных датчиков порядка 0,80 мкВ/Вт. Верхний предел рабочей температуры 1100°C.
Пример 4. На обе стороны пластины из константана электролитическим способом нанесен слой АРМКО железа толщиной 0,01 мм. Полученные пластины составляли в пакет. Пакет, сжатый давлением 0,12 МПа, выдерживают в вакуумной печи в течение 10 минут при температуре 1000°С. Полученный композит разрезают на пластины под углом 20°. К полученным пластинкам припаивают контакты в соответствии с фиг.1. Чувствительность полученных датчиков порядка составляла 0,65 мкВ/Вт.
Заявляемые датчики имеют высокую (1000°C и более) верхнюю границу применимости, имеют малые размеры (датчик можно сошлифовать до толщины δ порядка десятков ангстрем, при которой еще проявляются термоэлектрические эффекты). Датчик имеет малое термическое сопротивление по сравнению с датчиками, включающими неметаллические материалы. При изготовлении заявляемых датчиков исключается трудоемкая операция сборки.
Заявляемый датчик теплового потока может найти применение при исследовании двигателей внутреннего сгорания, турбинных двигателей и установок, парогенераторов, металлургического оборудования.