Датчик теплового потока

 

ДАТЧИК ПОТОКА, содержащий вспомогательную стенку с искуственно-анизотропной структурой, состоящую из чередующихся участков двух изотропных термоэлектрических материалов , отличающийся тем, что, с целью повьпдения надежностн его в работе в области высоких температур, его вспомогательная стенка выполнена в ввде двухсторонней зубчатой ленты из изотропного термоэлектрического материала , впадины между зубьями которой с обеих сторон заполнены парным материалу пенгы термоэлектрическим материалом, зубья ленты в разрезе - равнобедренные прямоугольные треугольники с катетами, равными половине толщины вспомогательной стенки и ориетчфованными перпендикулярно и параллельно горизонтальной оси ленты, причем зубья с противоположных сторон ленты повернуты на 180 от i носительно друг друга и смещены на (Л половину щага их чередования.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1052884

З(5ц 01 J 5/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .

К ABT0PCHCNVIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTPN (21) 3352849/18-25 (22) 10. 11.81 (46} 97. 11.83.Бюл.No. 41 (72) В. Г. Карпенко, Ж. Л. Погурская, Ф. Ф. йеженин и М. С. Паниашвилн (7 1) Институт технической теплофизики

AH Украинской ССР (53) 621.315(088.8) (56) 1. Анатычук Л. И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Киев, "Наукова думка, 1979, с. 88-93.

2. Патент франции N. 592016, кл 42 Я l, опублик. 1950 (прототип), (54)(57) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА, содержащий вспомогательную стенку с искуственно-анизотропной структурой, состоящую из чередующихся участков двух изотропных термоэлектрических материалов, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности его в работе в области высоких температур, его вспомогательная стенка выполнена в виде двухсторонней зубчатой ленты из изотропного термоэлектрического материала, впадины между зубьями которой с . обеих сторон заполнены парным материалу ленты термоэлектрическим материалом, зубья ленты в разрезе — равнобедренные прямоугольные треугольники с катетами, равными половине толщины вспомогательной стенки и ориентированными перпендикулярно и параллельно горизонтальной оси ленты, причем зубья с противоположо ных сторон ленты повернуты на 180 оъi носительно друг друга и смещены на Е половину шага их чередования.

10528

Выбранное геометрическое соотношение конструктивных параметров стенки датчика соответствует оптимальной по чувствительности конструкции для наиболее распространенного случая, когда отношение чисел Лоренца используемых термоэлектрических материалов близко к единице. В более общем случае соотношение конструктивных ElapaMerpoB стенки датчика следует выбирать таким образом, Изобретение относится к термоэлектрическим датчикам теплового потока и может найти применение в качестве чувствительного элемента в тепломерах, р6диометрах, калориметрах и других 5 устройствах для замера тепловых потоков.

Известны термоэлементы, в которых испуьзуется явление аниэотропии термоЭДС в монокристаллах. Датчик теплового потока такого типа представляет собой 10

l вырезанную под углом к главной кристалло. графической оси монокристалла пластину.

Под действием пронизыва1ощего пластину теплового потока в ней возникают викреI вые термоэлектрические токи, обусловлива» l5 ющие, Вслецс рВНр. анизотропии свойстВ и указанной ориентачии монокристалла оТНо сительно направления теплового потока, Ъ йоявление поперечной относительно гра-,: диента температуры в пластине термо-ЭДС.

20 еличина этой термо-ЗДС пропорциональ на плотности теплово о потока и может служить его мерой (1 ).

С4нако ограниченный выбор полупроВодниковых монокристаллов, обладающих 25 высокой термоэлектрической добротностью в сочетании с сильно выраженной анизотропией свойств, технологические трудности их механической обработки, низкая термическая стойкость и хруп- 30 кость Ограничива от распространение в качестве датчиков теплового потока таких термоэлементов.

Наиболее близким к изобретению является датчик теплового потока, содержа- 35 щий вспомогательную стенку с искуственНО-анизотрОпной crpylsTypofl состОя щую иэ чередующихся участков двух иэотропных термоэлектрических материалов. Под действием пронизывающего вспомогатель- 40 ну1о стенку теплового потока и датчика

BoGEIBKaloT вихревые термоэлектрические токи, привопяшие вслепствие наклонного расположения слоев термоэлектрических материалов к появлению поперечной относительно направления теплового потока термо 3QC,как это имеет место В анизотропном монокристаллическом термоэлементе. Термо-ЗДС,генерируемая датчиком со Вспомогательной стенкой, определяется гралиентом температуры В стенке и не зависит от ее толшины.Благодаря этому датчик может быть выполнен малоинерпионным, поскольку его чувствительногть к тепловому потоку не ограничена толщиной вспомогательной стенки (2 ).

Однако реализовать на практике такую конструкцию сложно вследствие техноло84 2 гических трудностей получения вспомогательной стенки малой толщины из ориентированных под углом к подложке тонких слоев. Кроме того, такой датчик обладает недостаточной надежностью вследствие возможного нарушения контакта между слоями при высоких температурах

Бель изобретения - повышение надежности работы датчика теплового потока в области высоких температур. "

Укаэанная цель достигается тем, что в датчике теплового потока, содержащем вспомогательную стенку с искуственноанизотропной структурой, состоящую из чередующихся участков двух изотропных термоэлектрических материалов, вспомогательная стенка выполнена в виде двухсторонней зубчатой ленты из иэотропного термоэлектрического материала, впадины между зубьями которой с обеих сторон заполнены парным материалу ленты термоэлектрическим материалом, зубья ленты в разрезе — равнобедренные прямоугольные треугольники с катетами, равными половине толщины вспомогательной стенки и ориентированными перпендикулярно и параллельно горизонтальной оси ленты, причем зубья с противоположных сторон ленты повернуты на 180 относительно друг друга и смещены на пол Вину шага их чередования.

На чертеже изображен датчик теплового потока.

Устройство содержит искуственно — аниэотропную стенку, состоящую из образующих термоэлектрическую пару изотропных материалов. ОсЕЕоау стенки составляет двухсторонняя зубчатая лента 1 из термоэлектрического материала, например, константана. Впадины 2 между зубь- ями ленты 3 заполнены с обеих сторон парным материалу ленты термоэлектри« ческим материалом, например серебром.

При воздействии на датчик теплсвого потока 3 с выводов 4 снимается напряжение термо-ЗДС.

3 10528 чтобы длины кит ов равнобедрс:ннь х прямоугольных треугольников, образующих впадины зубчатой ленты, относилась к толщине зубчатой ленты как корень квадратный из отношения числа 5

Лоренца для термоэлектрического материала зубчатой ленты K числу Лоренца для термоэлектрического материала, заполняющего впадины зубчатой ленты.

Датчик работает следующим образом., о

Пронизывающий вспомогательную стенку датчика тепловой поток вызывает в ней градиент температуры под

1 действием которого вследствие анизотропии свойств стенки в ней возникают

15 вихревые термоэлектрические токи. Благодаря ассиметричному расположению зубьев в стенке вихревые токи приобретают наклонную ориентацию, что приводит к накоплению вдоль стенки поперечной относительно градиента температуры термо-ЭДС, служащей мерой контролируемого теплового потока.

Механизм работы такого датчика подо- 5 бен термопреобразованиюв батарее из большого числа последовательно соединенных дифференциальных термопар. Генерируемая вспомогательной стенкой термо-ЭДС также как и в анизотропной монокрисI таллической пластине, не зависит от толщины стенки, благодаря чему датчик может быть выполнен тонким и, следовательнО, малоинерционным, при этом толщина стенки связана с размерами зубь- З5 ев ленты, высота которых должна составлять половину толщины стенки, что соответствует оптимальным условиям термопреобразования в патчике.

Изготовленный образец датчика теплового

Ъ, потока представляет собой пластину разме84 4 рами 20 10 ° 2 мм. Основу термочувствительного элемента составляет зубча- . тая лента из константана толщиной 2 мм.

Треугольные зубья высотой l мм с обеих сторон ленты смещены на 1 мм. Впадины между зубьями заплавлены серебром, после чего обе плоскости вспомогательной стенки спланированы. При плотности теплового потока 10 - 10 Вт/см 2 чувствительность датчика составляет

2 10 В см /Вт.

Благодаря тому, что чувствительным элементом датчика служит;искуствеи- .

1 но-анизотропная вспомогательная стенка,, генерируемый ею элекппический сигнал не зависит or толщины. Это позволяет без потери чувствительности выполнить датчик тонким, с малым термическим сопротивлением, что способствует ловышению точности измерения и увеличивает быстродействие датчика. Расчетное значение постоянной времени датчика из константана и серебра толщиной l мм составляет менее 0,01 с.

Технико-экономическая эффективность технического решения обеспечивается упрощением техники изготовления датчика и повышением надежности его работы в области высоких температур.

Возможность применения термостойких иэотропных материалов в качестве компонент искуственно-анизотропной структуры значительно расширяет тепловой и температурный диалазон работы датчика.

Так, для датчика с чувствительным элементом из константана и серебра верхний температурный .предел достигает

800 К.

Составитель Г. Плешков

Редактор Н. Безродная Техред М.Н аць Корректор В. ярняк

Заказ 8846/36 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4