ЦИФРОВОЙ ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
DIGITAL HEAT FLUX SENSOR

Изобретение относится к измерительной теплофизике и может быть использовано для измерения теплофизических свойств материалов и изучения и неоднородности структуры материала.
Известен датчик теплового потока, состоящий из термобатареи с термочувствительными элементами - спаями, конструкция и рекомендации по изготовлению которого описаны в ГОСТ 26263-84. В большинстве случаев данный тип датчика применяется в приборах для определения коэффициента теплопроводности различных материалов методом плоского слоя. Недостатком в конструкции датчика является то, что размеры датчика должны совпадать с размерами исследуемого образца в плоскости их контакта. В случае если размеры образца меньше соответствующих размеров датчика, то часть спаев датчика находится в контакте не с образцом, а с воздухом. Так как термоэлектрический сигнал датчика теплового потока складывается из всех сигналов, поступающих от каждого спая, то сигнал от спаев, не находящихся в контакте с образцом, несет в себе неучтенную погрешность. Данная погрешность тем больше, чем больше размеры образца отличаются от фиксированных размеров датчика в плоскости их контакта.
Известен датчик теплового потока, в котором предлагается способ механического изменения количества спаев, но речь идет об изменении чувствительности датчика, при этом размеры площадки, где варьируется число спаев, не изменяются (SU №1696910 A1).
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение точности измерения величины теплового потока с возможностью изучения структуры исследуемых материалов, Это достигается тем, что цифровой датчик теплового потока (ЦЦТП) состоит из двух термобатарей цифровых датчиков температуры 1 и 2 (фиг.1), в каждой термобатарее цифровые датчики температуры 3 располагаются в одной плоскости и соединены параллельно по системе 1 - Wire. Термобатареи расположены параллельно друг другу на фиксированном расстоянии. Пространство между ними заполнено слоем материала с известной теплопроводностью и аналогичного материалу корпуса датчиков. Оба вывода от двух термобатарей подключены к ПК или иному устройству.
Особенность цифрового датчика температуры в том, что каждый цифровой датчик температуры имеет индивидуальный идентификационный номер, это позволяет сначала соединять их параллельно, а потом с помощью ПК вычленить сигнал от каждого датчика температуры отдельно. Например: поместим в прибор, где задействован данный датчик 4, образец материала 5 с меньшими, чем датчик, размерами, в качестве примера примем размеры цифрового датчика теплового потока - 10×10 см, размеры образца - 4×4 см. С помощью нагревателя 6 (фиг.2) сформируем равномерный поток тепла через датчик теплового потока 4. В этом случае распределение температуры вдоль оси, отмеченной штриховой линей 7 на фиг.2, со стороны термобатарей 1 и 2 будет следующим (фиг.3 и фиг.4). Где на фиг.3 показано распределение температуры по данным первой термобатареи на контакте с нагревателем, на фиг.4 - распределение температуры по данным второй термобатареи на контакте с образцом. Данные графики можно представить в виде термограмм поверхностей датчика теплового потока 4 со стороны контакта с нагревателем и образцом (фиг.5 и фиг.6).
При условии равномерного теплового потока от нагревателя температура на контакте датчика теплового потока с нагревателем одинакова во всех точках как вдоль штриховой линии 7, так и на всей поверхности датчика (фиг.5 и фиг.6).
Из фиг.4 видно, что наблюдается снижение температуры в месте контакта «датчик теплового потока - образец», обусловленное отводом тепла от датчика теплового потока за счет теплопроводящих свойств образца. Датчики температуры, входящие в состав второй термобатареи и не находящиеся в контакте с образцом, контактируют с воздухом. По той причине, что теплопроводность воздуха мала, поступающее тепло не отводится и температура на границе «датчик теплового потока - воздух» выше, чем температура на границе «датчик теплового потока - образец». Поэтому, зная указанное распределение температуры на поверхности как первой, так и второй термобатареи (фиг.4 и фиг.6), все цифровые датчики температуры, выходящие из области контакта с образцом, исключаются из дальнейших расчетов. Следовательно, исключается погрешность, вносимая цифровыми датчиками температуры, находящимися в контакте с воздухом.
Это дает возможность использовать указанный датчик теплового потока для широкого круга образцов с различными геометрическими размерами (в плоскости контакта образцов с датчиком теплового потока).
2
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>λ</mi><mi>L</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>Δ</mi><mi>T</mi></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>λ</mi><mi>L</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Расчет искомой величины плотности теплового потока q[Вт/м] следующий: при рассчитанной средней температуре на границе «нагреватель-ЦДТП» и «образец-ЦДТП» рассчитывается:
, где величина
находится из калибровочных экспериментов.
Данный датчик в составе прибора по определению теплопроводности может быть использован для обнаружения и изучения и неоднородности структуры материала, вызываемого дефектами, включениями, неравномерной плотностью материала и т.д., методом тепловой волны при условии, что размеры неоднородностей сопоставимы с размерами единичного цифрового датчика температуры и толщиной образца вдоль оси Z (фиг.1), а также условии, что теплофизические характеристики неоднородностей и основного материала слагающего образец различны.
Эксперимент проводится следующим образом (фиг.2): с одной стороны образца 5 нагревателем 6 формируется непродолжительный равномерный тепловой поток. С помощью второго датчика теплового потока 8, а именно термобатареи на контакте с образцом 9 фиксируется поле температур, по которому можно судить о наличии включений, областей с различной плотностью и тд., если поле температур неравномерно; и однородности структуры образца, если температура во всех точках одинакова.
Литература
1. ГОСТ 26263-84 Грунты. Метод лабораторного определения теплопроводности мерзлых грунтов. - М.: Изд-во стандартов, 1985. - 9 с.
2. Датчик теплового потока. Патент SU 1696910 A1; G01K 17/08. Черюканов С.Д., Грищенко Т.Г., Декуша Л.В. и др.