ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕМПЕРАТУР

Полезная модель относится к области теплофизических измерений и может быть использована для измерения нестационарных температур в эластичных материалах.
Известен датчик температуры, содержащий корпус, выполненный из стекла и чувствительный элемент в виде термометрической жидкости: ртути, подкрашенного спирта и др. (см. справочник Ф.Линивег. «Измерение температур в технике», Москва, изд. «Металлургия», 1980 г., стр.33-35). Недостатком данного датчика является его хрупкость из-за применения стекла и невозможность измерения нестационарных температур.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявленному техническому решению является датчик для измерения нестационарных температур, содержащий корпус с расположенными в нем термопарами, горячие спаи и прилегающая к ним часть электродов которых расположены в горизонтальных параллельных плоскостях исследуемого материала (см. Ю.В. Полежаева, Ю.Б. Юревич. «Тепловая защита», изд. «Энергия», Москва, 1976 г., стр.341, рис.11-15а). Недостатком данного датчика для измерения нестационарных температур является низкая точность измерения температур в эластичных материалах.
При интенсивном нагреве эластичных, в том числе эластичных полимерных (резиноподобных) материалов, имеющих низкий коэффициент температуропроводности, создается большой градиент температур по толщине таких материалов. При установке термопар по толщине исследуемого эластичного материала в известном датчике и при его эксплуатации всегда происходит смещение по глубине отдельных частей термопар (плеч и спая) с изотермической плоскости из-за высокой податливости исследуемого материала. Погрешность измерения температуры за счет указанного смещения достигает 25% и более и зависит от величины смещения плеч термопары и ее спая, а также от величины перепада температур по толщине исследуемого материала, который достигает 500 и более градусов на 1 мм толщины. Установка термопар в эластичных материалах осуществляется путем запрессовки и одновременной термообработке этих материалов, которые набираются в виде отдельных листов полуфабриката. Это приводит к смещению плеч термопар с изотермических плоскостей из-за температурных и силовых факторов. При измерении нестационарных температур в условиях, когда на датчик кроме теплового потока воздействует давление в сотни атмосфер, также происходит смещение плеч термопар с изотермических плоскостей.
Целью предлагаемого технического решения является повышение точности измерения нестационарных температур в эластичных материалах.
Указанная цель достигается тем, что в известном датчике для измерения нестационарных температур, содержащим корпус с расположенными в нем термопарами, горячие спаи и прилегающая к ним часть электродов которых расположены в горизонтальных плоскостях исследуемого материала, он дополнительно снабжен перфорированными пластинами, установленными в кольцевых пазах, выполненных в стенке корпуса изнутри, параллельно его торцам, при этом к каждой пластине прикреплен горячий спай и прилегающая к нему часть электродов, а остальная часть электродов выведена из датчика через соответствующие отверстия перфорированных пластин. При этом коэффициент температуропроводности материала жестких перфорированных пластин может быть равен коэффициенту температуропроводности исследуемого материала.
При замере нестационарных температур в эластичном материале при воздействии на него теплового потока и давления введение в конструкцию датчика жестких перфорированных пластин позволяет зафиксировать спаи термопар и прилегающую к ним часть электродов (плечи термопар) строго в изотермических плоскостях как в процессе формования датчика, так и в процессе эксплуатации при измерении нестационарных температур. Выполнение в пластинах перфорации (набора отверстий) играет двойную роль. Во-первых, они служат для вывода электродов термопар из датчика. И, во-вторых, отверстия служат для выхода газообразных продуктов разложения эластичного материала в процессе его нагрева. Жесткие пластины всегда имеют большее коксовое число при тепловом разложении, чем эластичный материал, поэтому при прохождении фронта теплового разложения через пластину под ее поверхностью образуется большое количество газообразных продуктов разложения эластичного исследуемого материала. Отсутствие перфорации в пластине привело бы к повышению давления под ее поверхностью и разрушению прококсованной пластины, а это в свою очередь привело бы к тому, что плечи термопар оказались бы вне изотермических плоскостей. Количество отверстий в пластинах определяется количеством выходящих из датчика электродов термопар и коксовым числом эластичного материала. Для изготовления жестких пластин выбирается материал, коэффициент температуропроводности которого был бы равен коэффициенту температуропроводности эластичного материала. В этом случае пластины не вносят погрешности в температурный профиль по толщине эластичного материала.
На фиг.1 изображен предлагаемый датчик для измерения нестационарных температур, а на фиг.2 - жесткая перфорированная пластина, являющаяся частью датчика, со следующими обозначениями:
1 - электроды термопар;
2 - плечи термопар;
3 - горячий спай термопар;
4 - корпус датчика;
5 - жесткая перфорированная пластина;
6 - отверстия в жесткой пластине;
7 - эластичный исследуемый материал;
8 - кольцевые пазы;
9 - тепловоспринимающая поверхность;
q - тепловой поток;
р - давление.
Датчик для измерения нестационарных температур (фиг.1) состоит из корпуса 4, на внутренней поверхности которого выполнены кольцевые пазы 8, с установленными в них жесткими перфорированными пластинами 5 (на фиг. показано три пластины, хотя их количество может быть и большим), параллельно тепловоспринимающей поверхности 9 и торцам датчика. Корпус датчика заполнен эластичным исследуемым материалом 7. В жестких пластинах (фиг.2) выполнены отверстия 6, а на их поверхностях закреплены плечи термопар 2 и горячие спаи термопар 3, электроды 1 которых выведены из датчика через отверстия в жестких пластинах 5, выполненных, например, из стеклопластика толщиной 1-1,5 мм.
Изготовление предлагаемого датчика для измерения нестационарных температур осуществляется следующим образом. В начале изготавливаются жесткие перфорированные пластины из прессованного стеклопластика толщиной 1,0 мм и на их поверхностях устанавливаются термопары таким образом, чтобы их горячий спай находился в центре пластин. Далее формируются из электродов плечи термопар, а оставшаяся часть электродов выводится с пластин через отверстия. Исследуемый эластичный (резиноподобный) материал нарезается в виде круглых дисков из полуфабриката толщиной 1,0 или 2,0 мм. При этом диаметр жестких перфорированных пластин больше диаметра указанных круглых дисков на величину кольцевых зазоров в корпусе датчика. Далее осуществляется сборка центральной части датчика путем перекладывания жестких перфорированных пластин с установленными на них термопарами и круглых дисков из полуфабриката исследуемого эластичного материала. Учитывая, что последний является достаточно податливым материалом, через круглые диски путем их прокалывания выводятся электроды термопар. Центральная часть датчика помещается в автоклав, где происходит полимеризация эластичного резиноподобного материала. Готовая центральная часть помещается в корпус датчика, состоящего из двух полуколец и производится фиксация центральной части в корпусе путем их склеивания термостойким клеем. Корпус датчика может быть изготовлен механическим путем из стали или отпрессован из углепластика.
Для измерения нестационарных температур в эластичном исследуемом материале 7, датчик устанавливается в измерительную камеру (на фиг. не показана), где на тепловоспринимающую поверхность 9 датчика воздействует тепловой поток q и давление р. В процессе нагрева датчика эластичный исследуемый материал 7 начинает разлагаться и газообразные продукты разложения проходят через отверстия 6 в жестких перфорированных пластинах 5, не разрушая самих пластин. При этом горячие спаи термопар 3 и плечи термопар всегда находятся в изотермических плоскостях и не смещаются как в процессе изготовления датчика, так и в процессе измерения нестационарных температур в эластичном исследуемом материале из-за жесткости пластин, что обеспечивает более точное измерение температур в эластичных резиноподобных материалах при их тепловом разложении.
Авторами были изготовлены предлагаемые датчики и проведена серия контрольных испытаний, показавшие отличную точность измерения нестационарных температур в эластичном исследуемом материале.