Датчик теплового потока

 

Изобретение относится к теплометрик и может быть использовано для измерения тепловых потоков при стационарных и нестационарных тепловых процессах. Цель изобретения г повышение долговечности датчика и точности измерений в условиях химически агрессивной среды. На поверхности теплоприемного элемента 1 нанесено теплопроводящее защитное покрытие 2, толщина которого определяет количество диф. термопар каждой из батарей 3-5. При наличии нестационарного теплового потока в каждый момент времени батареи вырабатывают ЭДС, пропорциональные перепадам температуры по их толщине с коэффициентами пропорциональности , равными количествам термопар каждой из батарей. ЭДС батареи 4 противоположна по знаку ЭДС батарей 3 и 5. Cy iмapнaя ЭДС цепи батарей 3-5 пропорциональна величине проходящего через тепловоспринимающую поверхность покрытия 2 измеряемого теплового потока. 1 ил. « S кэ

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51) 4 G 01 К 17/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2 1 ) 396 1 640/24-10 (22) 09.10.85 (46) l5.02.87. Бюл. № 6 (71) Красноярский политехнический институт (72) !О.А. Пненичнов (53) 536.629.7(088.8) (56) Геращенко О.Н. Основы теплометрии. Киев: Наукова Думка, 1971 с. 87-88.

Авторскос свидетельство СССР № 1093914, кл. G 01 К 17/08, 1984. (54) ДАТЧИК ТЕЕ?ЛОВОГО ПОТОКА (57) Изобретение относится к теплометрии и может быть использовано для измерения тепловых потоков при стационарных и нестационарных тепловых процессах. Цель изобретения повышение долговечности датчика и точ„„SU„„1290102 А 1 ности измерений в условиях химически агрессивной среды. На поверхности теплоприемного элемента 1 нанесено теплопроводящее защитное покрытие 2, толщина которого определяет количес.тво диф. термопар каждой из батарей

3-5. При наличии нестационарного теплового потока в каждый момент времени батареи вырабатывают ЭДС, пропорциональные перепадам температуры по их толщине с коэффициентами пропорциональности, равными количествам термопар каждой из батарей. ЭДС батареи 4 противоположна по знаку ЭДС батарей

3 и 5. Суммарная ЭДС цепи батарей

3-5 пропорциональна величине проходящего через тепловоспринимающую поверхность покрытия 2 измеряемого теплового потока. 1 ил.

1290102

40 где

50 " ах (о+ ах (4) — + Е-1 ах

6Е, = Е- — Е.

55 + г — величина ЭДС, развиваемая каждой дифференциальной термопарой в 1-й термобатарее.

Изобретение относится к технике теплометрии и может быть использовано для измерения тепловых потоков при стационарных и нестационарных тепловых процессах.

Целью изобретения является повышение долговечности датчика и точности измерений в условиях химически агрессивной среды.

На чертеже схематично изображен предлагаемый датчик.

Датчик содержит теплоприемный элемент 1 с покрытием 2 и термобатареи 3, 4 и 5. Расстояние ах выбрано равным 1/4 ах. Для этого случая первая термобатарея 3 содержит N

227 дифференциальных термопар, вторая термобатарея 4 — М = 190, третья термобатарея 5 — М = 59.

Проходящему через покрытие 2 нестационарному тепловому потоку при работе датчика соответствует нестационарное температурное поле теплоприемного элемента 1. В каждый момент времени термобатареи 3, 4 и 5 вырабатывают ЭДС, пропорциональные перепадам температуры по толщине термобатарей с коэффициентами пропорциональности, равными количествам дифференциальных термопар в каждой из термобатарей. При этом термобатарея 4 вырабатывает в общей цепи термобатарей ЭДС, противоположную по знаку ЭДС термобатарей 3 и 5 °

Суммарная ЭДС трех термобатарей 3, 4 и 5 в каждый момент времени пропорциональна тепловому потоку в,этот же момент времени через отстоящую на расстоянии ьх от первой термобао тареи 3 теплоприемную поверхность теплопроводящего защитного покрытия 2.

Первая термобатарея размещена в теплоприемном элементе датчика на некотором расстоянии от тепловоспринимающей поверхности защитного покрытия, при этом ЭДС, вырабатываемая датчиком, пропордиональна величине измеряемого нестационарного теплового потока, т.е. теплового потока через защитное покрытие. Этой свойство предлагаемого датчика обусловлено выбором количеств содержащихся в каждой термобатарее дифференциальных термопар. В то же время данное свойство обеспечивает возможность измерения нестационарного теплового потока от химически агрессивной среды, поскольку спаи термопар первой термобатареи оказываются защищенными от этой среды слоем защитного материала. .Выбор числа дифференциальных термопар в термобатареях обоснован следующим. Согласно закону теплопроводности Фурье. тепловой поток определяется по формуле:

10 дТ(х,)- )

q(õ, Ã) = -Л ях где ). — время; — коэффициент теплопроводнос15 ти материала теплоприемного элемента;

Т(х,1) — температурное поле теплоприемного элемента; х — координата, отсчитываемая

20 от теплоприемной поверхности теплоприемного элемента.

Из формулы (1) следует, что для нахождения теплового потока через теплоприемную поверхность необходимо определить частную производную температурного поля по координате х при х = О.

Представив эту производную в виде

3Е выразим — через изменяющиеся во дх x=o времени значения Е (i = 1,2,...,m+1)

ЭДС термопар, изменяющих температуры в плоскостях с координатами х.

l ах + (i-1) ах, где 6 х — толщина защитного теплопроводящего покрытия; ах — толщина термобатарей. — ) (-1) А. а Е;, (3)

ВЕ 1 ах к=о m| ах .

I 1=1

1290102 (6) q(0 Т) = ВС (7) где

К к

E=1 где I

1. произвольное целое число;. номер батареи начиная с ближайшей к защитному покрытию; количество термобатарей; целое число, изменяющееся от д до т; целые числа, изменяющиеся от 1 до k; целые числа, определяемые из равенства отношения М/N отношению толщины покрытия к толщине термобатареи. ш. k

j„1

M N

ВНИИПИ Заказ 7890/36, Тираж 799 Подписное

Произв.-полигр. пр-тие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заменив в (4) отношение — равдх дх ным ему отношением двух целых чисел

M u N представим (3) в виде

ЗЕ 1

5 дх =p m! ьхП1

1=1

1 где N. определены соотношением из

1 формулы изобретения. 10

Входящая в (5) сумма совпадает с суммарной ЭДС Е () цепи из ш термобатарей, если термобатареи размещены и соединены так, как указано выше, и содержат количества термопар в соответствии с формулой изобретения.

Поэтому в силу (1), (2) и (5) тепловой поток q(0, ) через тепловую принимающую поверхность выражается формулой: 20

rl (7) 25

dE е = — — дифференциальная ТЭДС

dT используемых в термобатареях термопар.

Таким образом, суммарная ЭДС цепи размещенных в теплоприемном элементе датчика термобатарей пропорциональна величине проходящего через тепловоспринимающую поверхность измеряемого теплового потока. Коэффициент про- 35 порциональности и может быть определен в результате градуировки датчика, например, в условиях измерения стационарного теплового потока или расчетным путем с применением формулы (7).

Требование представления величины дх,/дх в форме отношения M/N двух целых чисел не ограничивает область . практического применения датчика, 45 так как в реальных условиях величины дх и дх могут быть измерены с о конечной точностью. Получив по результатам измерений дх и дх с п значащими цифрами, требуемую форму 50 представления их отношения находят умножением д х, и дх на 10

Введение произвольного целого числа I обусловлено тем, что в некоторых случаях вычисленгче при I= 1 значения N. оказываются сравнитель1 но небольшими, при которых нельзя обеспечить высокую чувствительность датчика в силу малости суммарной ЭДС датчика. Выбор I большим единицы позволяет 1-кратно увеличить количество дифференциальных термопар в каждой термобатарее и, следовательно, повысить суммарную ЭДС до требуемого уровня, при котором измерения суммарной ЭДС цепи термобатарей датчика вторичными приборами могут быть выполнены с необходимой точностью.

Формула изобретения

Датчик теплового потока, содержащий теплоприемный элемент с размещенными в нем основной и корректирующими термобатареями, расположенными следующими друг за другом слоями и соединенными последовательно, причем каждые две рядом расположенные термобатареи включены встречно, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности и точности измерений в условиях химически агрессивной среды, на поверхность теплоприемного элемента нанесено теплопроводящее защитное покрытие, при этом количество дифференциальных термопар, содержащихся в каждой термобатарее, в зависимости от толщины покрытия определяется из соотношения