Датчик теплового потока

Полезная модель относится к области теплофизических измерений, а именно к измерению теплового нагружения теплонапряженных деталей машин.
Известен датчик теплового потока, представляющий собой базовую пластину, в которой на разной высоте просверлены два радиальных отверстия и в них установлены термопары, разность температур термопар пропорциональна проходящему через пластину тепловому потоку [Черноголовов А.И. Приборы для измерения потоков тепла в высокотемпературных печах. - "Заводская лаборатория", 1949, 15, 2].
Однако в такой конструкции датчика невозможно точно определить глубину заделки головки термопары в пластину из-за конечного размера диаметра сверления под термопару, что вызывает погрешность в измерении нестационарного теплового потока. Кроме того, невозможно обеспечить надежный тепловой контакт головки термопары с пластиной без существенного нарушения структуры пластины, что приводит к искажению температурного поля пластины и к дополнительной погрешности в измерении теплового потока.
Известен одноэлементный датчик теплового потока, представляющий собой базовую пластину с отверстием и приваренным к ней, например, контактной сваркой по кромке отверстия электродом, вывод второго электрода со второй стороны пластины может быть осуществлен так же, как и первого [Геращенко О.А. Основы теплометрии. Киев, "Наукова думка", 1971", с. 192].
Однако для этого датчика характерна невозможность точного определения места расположения спая электрод-пластина по глубине, так как при осуществлении контактной сварки по кромке отверстия контакт имеет неконтролируемую протяженность по всей глубине. При установке пластины на пробку, являющуюся вторым электродом, местом спая является вся зона приварки, температура в разных местах которой может быть различна. Поэтому в результате в измерение вносится неконтролируемая погрешность.
Известен также датчик теплового потока, содержащий холодильник, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, тепловоспринимающую пластину из материала с очень низким коэффициентом теплопроводности и расположенный между ними электроизоляционный слой. На противоположных гранях тепловоспринимающей пластины установлен ряд дифференциальных микротермопар [Авторское свидетельство СССР №705281, кл. G01К 17/08, 1979].
5
6
2
Недостатками такого датчика являются непригодность его для измерения нестационарных тепловых потоков из-за большой инерционности тепловоспринимающего слоя, значительная погрешность в измерении локального стационарного теплового потока, который в действительности квазистационарный как во времени, так и в пространстве, и при неоднородности его плотности по площади датчика из-за большого термического сопротивления тепловоспринимающего слоя измерений перепад температур на нем будет соответствовать некому фиктивному тепловому потоку, причем погрешность в измерении перепада температур увеличивается за счет перетока тепла по проводам термопары от спая, расположенного на наружной поверхности пластины, к спаю на внутренней ее стороне, непригодность датчика для измерения в средах с повышенной температурой из-за низкой жаростойкости тепловоспринимающей пластины и для измерения больших тепловых потоков, например 10-10 Вт/м из-за ограниченных возможностей водяного охлаждения. Кроме того, к недостаткам датчика относится сложность и громоздкость его конструкции из-за специального водяного охлаждения, наличие штуцеров, подводящих трубок, запорной арматуры и потребность в специальной обработке хладагента.
В известных датчиках чувствительным элементом является пластина, коэффициент теплопроводности материала которой известен. При обеспечении одномерности температурного поля в серединной зоне пластины перепад температур на ней является величиной, пропорциональной плотности теплового потока через пластину.
Известен датчик теплового потока, в котором использована модель полубесконечного пространства. При этом для измерения нестационарного теплового потока применена поверхностная термопара, представляющая собой цилиндр из одного термопарного материала, встроенный в него аксиально и изолированный по образующей электрод из другого термопарного материала, соединенный с металлической пленкой на тепловоспринимающей поверхности [Овсянников М.К., Волонков В.А. Методика экспериментального и лучистого теплопотоков в стенки деталей ЦПГ. - "Энергомашиностроение", 1973, 4, с. 38-40].
К недостаткам этого датчика следует отнести невозможность измерения стационарных тепловых потоков, а также погрешность, вызываемую неоднородностью температурного поля в деталях и их конечными размерами.
Известен датчик теплового потока, содержащий поверхностную термопару, образованную цилиндром из жаростойкого материала и размещенным в нем аксиально и изолированным от него электродом из никеля, соединенным с поверхностным никелевым слоем, установлен термостабилизированный константановый элемент, выполненный в виде металлической пластины с изолированной боковой поверхностью, размещенный между поверхностным слоем и цилиндром, и дополнительный электрод, размещенный аксиально в цилиндре и электрически изолированный от него, контактирующий с термостабилизированным элементом и образующий в паре с первым электродом дифференциальную термопару со спаями в фиксированных точках на противоположных поверхностях термостабилизированного элемента, причем термоэлектрический коэффициент материала, из которого выполнены цилиндр, поверхностный слой и электроды, отличен от термоэлектрического коэффициента материала термостабилизированного элемента [Авторское свидетельство СССР №892232. Кл. G01 17/08, опубл. 23.12.81 г. Бюл. №47].
В связи с тем, что амплитуда колебания температур на поверхности полубесконечного константанового стержня достаточно быстро затухает и уже при частоте колебания 50-60 Гц на глубине 1 мм составляет 1% от амплитуды колебания на глубине 0,1 мм, то реализованный принцип полубесконечного тела в конструкции описанного датчика обеспечивает надежное измерение не только стационарных, но и высокочастотных импульсных тепловых потоков, что позволяет на 30-35% повысить точность измерения плотности тепловых потоков за счет использования в датчике термостабилизированного элемента с температурным полем, близким к одномерному, которое формируется при отсутствии растечек тепла за счет изоляции боковой поверхности пластины и обеспечения равномерного стока тепла через ее внутреннюю поверхность в хорошо теплопроводящий цилиндр датчика. Причем спаи дифференциальной термопары на противоположных гранях термостабилизированного элемента обеспечивают четкую фиксацию места контакта при одновременном исключении влияния оттока тепла по электродам на результаты измерения.
Недостатками данного датчика являются искажения тепловых потоков, поступающих в исследуемой детали, за счет отличия материалов деталей датчика от материала детали и неучет распространения тепла вдоль тепловоспринимающей поверхности детали.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является датчик теплового потока, содержащий промежуточную стенку в виде круглой шайбы, выполненной из материала исследуемой детали, на плоскостях которой закреплено в лунках по термопарному спаю заподлицо с плоскостями. При этом от спая на тепловоспринимающей плоскости отходит один электроизолированный электрод, а на отводящей плоскости - два, один из которых состоит из разноименных электродов, соединенных спаем [Новиков, В.Г. Повышение точности при определении граничных условий для задач теплопроводности при разработке ДВС/ В.Г. Новиков, А.В. Забрянский, Ю.С.Козлов //: Сб. науч. тр. Брянского гос. техн. ун-та. – 1996. - С. 105-111].
Этот датчик имеет существенный недостаток: с его помощью невозможно измерять нестационарные тепловые потоки, так как диаметр спая на тепловоспринимающей поверхности значительно больше 0,1 мм.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение точности и расширение диапазона измерений стационарных и нестационарных локальных тепловых потоков с переменной во времени плотностью при рабочих температурах исследуемой детали.
Эта цель достигается в датчике теплового потока, который содержит промежуточную стенку в виде круглой шайбы, выполненной из материала исследуемой детали, на тепловоспринимающей и отводящей ее плоскостях установлены по термопарному спаю заподлицо с плоскостями. При этом от спая на тепловоспринимающей плоскости отходит один электроизолированный электрод, а на отводящей плоскости - два, один из которых состоит из разноименных электродов, соединенных спаем.
Отличительной особенностью этого датчика является то, что на тепловоспринимающей плоскости установлен точеный термопарный спай толщиной 0,1 мм.
На фиг. 1 изображена схема датчика теплового потока; на фиг. 2 - схема для расчета припуска с целью получения толщины точечного термопарного спая 0,1 мм.
Датчик теплового потока содержит промежуточную стенку 1 в виде круглой шайбы, выполненной из материала исследуемой детали, на тепловоспринимающей 2 и отводящей 3 ее плоскостях установлены по термопарному спаю 4 и 5 заподлицо с плоскостями. При этом от спая на тепловоспринимающей плоскости 2 от точеного спая 4 толщиной 0,1 мм отходит один электроизолированный электрод 6, а на отводящей плоскости 3 - два 7 и второй, который состоит из разноименных электродов 8 и 9, соединенных термопарным спаем 10.
Спай 4 толщиной 0,1 мм получается путем срезания тепловоспринимающей плоскости с величиной припуска,
л
где h - высота конуса лунки, мм;
ш
R - радиус термопарного спая, мм.
При этом термопарный спай получается не только толщиной 0,1 мм, но и точечным.
Припуск определяется из следующих соображений по фиг. 2. Исходим из того, что объем шарика Vш спая 4 равен объему лунки Vл и шарик полностью заподлицо вваривается в лунку, выполненную сверлом с конусом 120°.
Тогда для шарика ,
для объема лунки
где Rш - радиус шарика спая (легко измеряется технически), например, микрометром;
Sл - площадь основания конуса лунки;
или - радиус основания конуса лунки;
л
h - высота конуса лунки.
Таким образом
или
После преобразования получим
л
л
Зная диаметр и радиус шарика Rш спая 4 (фиг. 1), вычисляем h и величину припуска (h-0,1) для достижения необходимой толщины спая, обеспечивающей измерение стационарных и нестационарных тепловых потоков в теплонагруженных деталях.
Датчик работает следующим образом.
Тепловой поток за счет термического сопротивления круглой шайбы вызывает разность температур между тепловоспринимающей и отводящей плоскостями, обеспечивая сток теплового потока. При этом между электродами на спаях 4 и 5 замеряются сигналы: между электродами 7 и 9 для вычисления температуры датчика, по которой определяются теплофизические свойства материала датчика и термоэлектрические свойства термопарных спаев; между электродами 6 и 7 - для получения сигнала при расчете теплового потока, который рассчитывается по формуле
,
Т
где k - коэффициент пропорциональности измерительной системы "регистрирующий прибор + датчик" до контактирования датчика с испытуемым объектом, то есть при тарировке;
и
λ - коэффициент теплопроводности материала датчика при его температуре, определенной в процессе исследования;
Т
λ - коэффициент теплопроводности материала датчика при его температуре, определенной в процессе тарировки;
α - температурный коэффициент линейного расширения материала корпуса датчика;
т
и
t и t - температуры датчика соответственно при тарировке и при исследовании;
т
и
т
и
е и е - дифференциальная термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) термопары соответственно при температурах t и t;
И
U - показание прибора при измерении разности потенциалов между спаями дифференциальной термопары при исследовании [Новиков В.Г. Повышение точности при определении граничных условий для задач теплопроводности при разработке ДВС. / Новиков В.Г., Забрянский А.В., Козлов Ю.С. // Сб. науч. тр. Брянского гос. техн. ун-та. – 1996. - С. 105-111].
Технико-экономический эффект предлагаемой полезной модели заключается в повышении точности измерений путем исключения искажений тепловых потоков в исследуемой детали и расширение диапазона измерений стационарных и нестационарных локальных тепловых потоков переменной во времени плотности при рабочих температурах исследуемой детали.