ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
Пастоящая полезная модель относится к области тепловых измерений и может быть использована при определении величины теплового потока в газовых, жидких и твердых средах, а также на границе раздела этих сред и в областях многофазного и многокомпонентного состава. Датчик теплового потока можно, в частности, использовать для определения тепловых потерь на поверхностях стен, теплоизолированных помещений и трубопроводов, в задачах калориметрии, анемометрии и т.д.
Известен датчик теплового потока, предложенный Гайлингом (L. Gelling, Das Thermoelement als StraMungsmesser. Zschr. f. angew. Phys., Bd.3.12, 1951). Он представляет собой пластину, состоящую из последовательно чередующихся термоэлектродных материалов (например, меди и константана). Границы раздела слоев наклонены под углом 20-45° к плоскостям датчика. Когда тепловой поток проходит через сечение датчика, между верхней и нижней его поверхностями возникает разность температур, возбуждающая термо-эдс, способную накапливаться вдоль поверхностей датчика. Величина термо-э.д.с. при этом линейно связана с температурным градиентом и, следовательно, с величиной теплового потока.
Недостатком датчика Гайлинга является то, что его удается практически использовать лишь тогда, когда он вьшолнен из материалов с резко различными тепловыми, термоэлектрическими свойствами и устойчив к нагреву и охлаждению. Кроме того, создание многослойной системы пластин представляет самостоятельную и сложную технологическую задачу.
Паиболее близким по технической сущности предлагаемой полезной модели является датчик теплового потока, вьшолненный из анизотропных термоэлементов (Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник /Л.И. Анатычук. - Киев: Наук.думка, 1979.-С. 664). Датчик представляет собой спираль, образованную системой прорезей в тодпцине полого бруска из термоэлектрического материала. Каждый виток спирали рассматривается как четьфе последовательно включенных термоэлемента. Тепловой поток подводится к внутренней поверхности датчика, проходит через термоэлементы, образующие его стенки, и поглощается термостатированной оболочкой из теплопроводного материала.
Недостатком выбранного прототипа является то, что он не позволяет измерять тепловой поток произвольного направления. Кроме того, вырастить монокристаллическую спираль весьма сложно, а система прорезей ослабляет конструкцию и снижает ее надежность. Короткие части витков спирали включены встречно по отношению к длинным, что снижает чувствительность датчика теплового потока.
Целью данной полезной модели является повышение эффективности измерения теплового потока, технологичности производства датчика и расширение возможностей применения его при разнообразных тепловых измерениях.
Для решения поставленной задачи предложен датчик, содержащий пластину, вьшолненную в виде батареи анизотропных термоэлементов, расположенных параллельно друг другу, разделенных вдоль больших сторон электроизолируюпщми слоями, соединенных элементами коммутации последовательно с чередованием по.11ярности и установленных на электроизолирующей подложке, причем крайние
термоэлементы снабжены токосъемными проводниками.
При параллельном расположении анизотропных элементов и их последовательном соединении возможно измерение теплового потока любой природы и плотности от 10 до 10 Вт/м. В такой конструьсции исключается встречное включение термоэлементов и, следовательно, чувствительность датчика теплового потока не снижается.
Наличие электроизолирующей подложки делает конструкцию надежной и стойкой к механическим нагрузкам, что позволяет изменять размеры и форму датчиков и применять их при разнообразных тепловых измерениях.
На фиг. 1 представлен общий вид датчика теплового потока.
На фиг. 2 представлены результаты фадуировки датчржа теплового потока.
На фиг.З представлены результаты опытов по определению постоянной времени датчика теплового потока.
Конструкция датчика теплового потока (фиг.1) содержит токосьемные проводники 1, плоские термоэлементы 2, электроизолирующие слои 3, элементы коммутации (пайки, сварки) 4 и электроизолирующую подложку 5.
Нлоские термоэлементы 2 вьтолнены из анизотропного монокристалла (например, висмута) и вырезаны так, что их образующая наклонена под определенным углом к главной кристаллографической оси исходного монокристалла (для висмута этот угол состав.пяет 37-41°), Плоские термоэлементы 2 разделены электроизолирующими слоями 3 (например, пластинками слюды) вдоль больших сторон. Укладка плоских термоэлементов 2 на электроизолирующей подложке 5 с чередованием полярности обеспечивает суммирование термо-э.д.с. по всему датчику теплового потока. Элементы коммутации 4 представляют собой паяные или сварные соединения и обеспечивают надежный и механически прочный контакт между плоскими термоэлементами 2. Плоские термоэлементы 2, расположенные по краям датчика, имеют токосьемные проводники 1, включенные далее в схему измерения термо-э.д.с. Электроизолирующая подложка 5 скрепляет пакет плоских термоэлементов 2 и электроизолирующих слоев 3 и, кроме того, обеспечивает работоспособность датчика теплового потока в случае, когда одна из его плоскостей прилегает к электропроводной поверхности.
Датчик теплового потока работает следующим образом: тепловой поток подводится к одной из плоскостей датчика, проходит через его сечение и выходит со стороны противоположной плоскости. .Анизотропия теплофизических и термоэлектрических свойств плоских термоэлементов 2 приводит к тому, что вектор теплового потока, проходящего через датчик, отклоняется от вектора температурного градиента, а на токосъемных проводниках 1 возникает термо-э.д.с., пропорциональная величине теплового потока. Эта термо-э.д.с. представляет собой сумму отдельных термо-э.д.с., генерируемых каждым из плоских термоэлементов 2. Суммирование обеспечивают элементы коммутации 3, последовательно и с чередованием полярности соединяющее друг с другом плоские термоэлементы 2. Сигнал, снимаемый с токосъемных проводников 1, поступает на регистрирующий прибор, где, с учетом индивидуальных характеристик датчика, определенных при его градуировке, преобразуется в значения теплового потока.
Датчики градуируют абсолютным методом - по джоуль-ленцеву тепловому потоку. Результаты градуировки датчика размером 4x7x0.5 мм представлены на фиг.2. Градуировка производилась при температуре 20-540 К и давлении до 30 МПа.
Для определения постоянной времени датчика бьш поставлен вспомогательный эксперимент с использованием импульсного лазера. Датчик помещался в зону действия излучения импульсного лазера «Delta-201 со следующими параметрами: длительность импульса - 0,15 мс; длина волны - 1,06 мкм; период между импульсами - 60,0 мс; мощность излучения в импульсе - 1,25 МВт/м. Опыты показали (фиг.З.), что сигнал датчика достигает максимума через 0,3 мс после начала облучения. Амплитуда сигнала с точностью 2% соответствует значению мощности, определяемой путем независимой градуировки.
Таким образом, повысилась эффективность измерения теплового потока:
-возможно измерять тепловой поток любой природы при произвольном расположении источников и стоков теплоты;
-вольт-ваттная чувствительность датчиков составляет 5-20 мВ/Вт, она остается практически неизменной для потоков плотностью
-постоянная времени датчиков в среднем составляет 0.3-0.15 мс. Повышена технологичность производства датчиков:
-использован однородный и химически чистый исходный материал, что обеспечивает высокую стабильность, а также исключает погрешности, связанные с образованием термо - э.д.с. при коммутащш разнородных материалов;
-разработана рациональная схема коммутации термоэлементов, исключающая встречное их включение;
-возможно изменение размеров и формы датчиков и их применение при разнообразных тепловых измерениях.