Датчик теплового потока
HEAT FLOW SENSOR

Изобретение относится к устройствам для измерения тепловых потоков, в том числе нестационарных, в частности, для измерения теплового потока на поверхности твердого тела от движущейся среды. Возможно его применение для измерения температуры и теплового потока на поверхностях, нагреваемых высокоскоростным газовым потоком, например, моделей летательных аппаратов. Для этого датчик теплового потока встраивают в поверхность модели. Его максимальное время измерения зависит от внешней температуры и составляет до нескольких микросекунд. Из изменения температуры вместе с теплотворной способностью датчика можно рассчитать тепловой поток. Известен датчик температуры [патент РФ на изобретение  № 2494357, МПК G01K 7/12, опубл. 27.09.2013],  для использования при измерении температуры проходящих газовых потоков при испытаниях и эксплуатации газотурбинных двигателей. Датчик температуры содержит корпус с наружной поверхностью переменного сечения со ступенчатым выступом, переходящим в цилиндрическую часть, внутри которого вдоль продольной оси корпуса расположены термоэлектроды термопарного кабеля с образованным на конце рабочим спаем внутри охранной зоны с элементами его крепления к объекту измерения и фиксации кабеля на наружной части. При этом корпус датчика выполнен единой, цельной конструкцией, включающей охранную зону. Узел герметизации на выходе термопарного кабеля из корпуса выполнен в виде цилиндрической заглушки с двумя глухими отверстиями под установку неразъемным соединением двух концов проволок, которые расположены с двух диаметрально противоположных сторон термопарного кабеля. Термопарный кабель состоит из оболочки, внутри которой расположены термоэлектроды, которые, начиная от спая, изолированы друг от друга и от оболочки и расходятся от спая на две параллельные линии.
Данное устройство термопарой измеряет температуру  газового потока, но не измеряет  тепловой поток на поверхности объекта.
Известен датчик  теплового потока и способ его изготовления [патент РФ на изобретение № 2131118, МПК G01K 17/20, G01K 7/02, опубл. 27.05.1999 ]. Датчик теплового потока содержит калориметрическое тело в форме цилиндра. Кольцевая проточка образует в калориметрическом теле два коаксиальных цилиндра с общим основанием. Во внутреннем цилиндре установлена термопара. Калориметрическое тело дополнительно имеет конусообразную поверхность. Линия пересечения образующих конусообразной поверхности и образующих внутреннего цилиндра расположена на расстоянии δ = 0,01 - 10 мм от тепловоспринимающей поверхности, а угол между образующими конусообразной и цилиндрической поверхности равен 5 - 45°.
Данное устройство содержит коаксиальные цилиндры, поэтому проблематично использовать его для измерения быстро протекающий процессов. Быстродействие в несколько в мили и микро-секундах, определяет малая толщина тепловоспринимающего тела. Кроме того, устройство сложно в изготовлении. В частности, трудно выполнить пересечение конусообразных цилиндров на расстоянии до 10 микрон, а также контролируемую деформацию в указанной области.
Наиболее близким техническим решением является «Датчик теплового потока» [патент РФ  на полезную модель № 28771, МПК G01K 17/08, G01K 17/20, опубл.10.04.2003]. Он содержит теплоприемник, выполненный в виде полого цилиндра, термочувствительный элемент с плоской контактной поверхностью, выполненный в виде тела вращения и соединенный с торцом теплоприемника, и дифференциальную термопару. Теплоприемник выполнен тонкостенным из теплоизоляционного материала, а плоская контактная поверхность термочувствительного элемента выполнена в виде кольца из теплопроводного материала. Дифференциальная термопара выполнена из двух последовательно соединенных термопар, одна из которых установлена на контактной поверхности, другая - внутри теплоприемника.
Данное устройство измеряет тепловой поток, распространяющийся внутрь термочувствительного элемента. Это существенно для процессов с медленным прогревом термочувствительного элемента.
Недостаток устройства в невозможности его использования для быстропротекающих процессов по поверхности термочувствительного элемента. За короткое время, в несколько мкс, нагрев задней стороны термочувствительного элемента, к которой подключена вторая термопара, несущественен, а первая термопара измеряет лишь температуру поверхности, но не тепловой поток по поверхности.
Задачей предлагаемого изобретения  является  создание устройства  для исследования тепловых потоков на поверхности объектов в высокоскоростных газовых потоках на кратковременных интервалах, с увеличением точности и расширением функциональных возможностей.
Поставленная задача достигается  тем что, датчик теплового потока, содержащий теплоприемник, выполненный в виде полого цилиндра из теплоизоляционного материала, термочувствительный элемент из теплопроводного материала с плоской контактной поверхностью, выполненный в виде тела вращения и соединенный с торцом теплоприемника, дополнительно имеет две пары электродов, разнозарядных с соседними, на равном расстоянии друг от друга, образующих квадрат, при этом средняя линия противоположной стороны плоской контактной поверхности термочувствительного элемента, обращенной к потоку, содержит метку по средней линии для ориентации датчика по направлению потока, при этом метка расположена между двумя разнозарядными электродами.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг.1. показана схема заявленного устройства, вид сверху, где обозначены: 1 - теплоприемник из теплоизоляционного материала, 2 - термочувствительный элемент из теплопроводного материала, 3 - метка направления потока.
На фиг.2 показана схема заявленного устройства, вид снизу.
Здесь обозначены : 1 - теплоприемник из теплоизоляционного материала, 2-термочувствительный элемент из теплопроводного материала, 4-7 – электроды, причем 4 и 7 – положительно зарядные, а 5 и 6 - отрицательно разнозарядные электроды;  а –расстояние между электродами. Стрелкой показано направление потока,
Варианты снятия информации  и подключения электродов:
(4,5) -  (6.7) = оценка ошибки измерений;
((4,5) + (6,7))/2 = среднее значение;
(4.7) – (5,6) = усиление сигнала вдвое;
(4.6) – (5,7) = увеличение точности.
При быстропротекающих процессах скорость нарастания температуры отстает от скорости движения первичного фронта быстро движущегося источника теплоты [Кархин В.А. «Основы теплопередачи при сварке и райки» Учебное пособие. Спб 2011 г. Раздел 2.6. Быстродвижущиеся источники теплоты, стр. 36.с] или ударной волны.
Приведем пример сравнения сигналов  электродов (4,6) с сигналами электродов (5,7). Пусть скорость потока 340 м/с, т.е. за 1 мкс поток проходит 0,34 мм. Пусть расстояние а = 3мм, поток проходит за 8,83 мкс. При частоте опроса и регистрации сигналов аналого-цифровым преобразователем, (например, АЦП  L-CARD E20-10) 10 МГц. Одно измерение за 0,1 мкс. За 8,83 мкс. получим 88 измерений за время прохождения потока мимо пар электродов.