Датчик теплового потока

 

Изобретение касается измерения тепловых величин и может быть использовано в энергетике, металлургии, авиации для измерения тепловых потоков большой плотности в широком интервале температур. Цель изобретения - повышение точности измерений. Датчик теплового потока содержит вспомогательную стенку и резистивные элементы, расположенные на двух ее сторонах. Вспомогательная стенка выполнена трехслойной с возможностью продольного относительного смещения слоев, при этом крайние слои выполнены из материала с положительным, а средний - с отрицательным коэффициентом линейного расширения, причем отношение суммы толщин крайних слоев к толщине среднего слоя обратно пропорционально отношению абсолютных величин коэффициентов теплового линейного расширения этих материалов, а резистивные элементы выполнены из термонезависимого материала. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (1) 4 01 K 17/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4368848/24-10 (22) 25.01,88 (46) 15.10.89, Бюп. М 38 (71) Институт технической теплофизики АН УССР (72) О.А.Геращенко, Л.А.Лукашевич, А.С.Поник и Л.В.Гурьянов (53) 536.6 (088.8)

I (56) Авторское свидетельство СССР

h» 935718, кл . G 01 К 17/08, 1982 °

Заявка Франции У 2571493, кл. С 01 К 17/08, 1986. (54) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА (57) Изобретение касается измерения .тепловых величин и может быть использовано в энергетике, металлургии, авиации для измерения тепловых потоИзобретение касается измерения тепловых величин и может найти применение в энергетике, металлургии, авиации для измерения тепловых .потоков большой плотности в широком интервале температур.

Целью изобретения является повьппение точности измерения тепловых потоков большой плотности в широком интервале температур.

На чертеже представлен датчик теплового потока.

Датчик содержит трехслойную теплопроводящую стенку, состоящую из крайних 1 и среднего 2 слоев, выполненных

2 ков большой плотносги в широком интервале температур . Цель изобретения повышение точности измерений, Датчик теплового потока содержит вспомогательную стенку и резистивные элементы, расположенные на двух ее сторонах. Вспомогательная стенка выполнена трехслойной с возможностью продоль ного относительного смещения слоев, при этом крайние слои выполнены из материала с положительным, а средний с отрицательным коэффициентами линейного расширения, причем отношение суммы толщин крайних слоев к толщине среднего слоя обратно пропорционально отношению абсолютных величин коэффициентов теплового линейного расширения этих материалов, а реэистивные элементы выполнены из термонезависимого материала. 1 ил. соответственно иэ материалов с положи 4 тельным (например, алюминий) и отрицательным (например, и ивар) коэффициентами линейного расширения. Резистивные чувствительные элементы 3 (на чертеже виден только верхний чувствительный элемент) расположены на двух поверхностях вспомогательной стенки и,представляют собой равномерно распре деленные на них продольные и поперечные полосы, выполненные иэ тонкой пластины или фольги из термонезависимого материала, например константана °

Толщины слоев теплопроводящей стенки выбирают из условия

151507 (1) 21 /1 = Ы.2 /о,, где 1, — толщина крайних слоев, 1 толщина среднего слоя

10 (здесь Т вЂ” изменение средней по толщине температуры стенки; P — давление, l одинаковое для всех ее поверхностей; о,, — коэффициенты теплового линейного расширения крайних и среднего 15 слоев соответственно, которые для алюминия и инвара практически постоянны в широком интервале температур, причем o(имеет отрицательное значение) .

Тогда

Ы Т 1,, М ЬТ

d1 ж - - ° 1 = — -- — -- ° (2) р э й

При выполнении условия (1) 261< = 25

= -61 или 21 < + 1 = const.

Последнее равенство для указанных материалов имеет место в широком интервале температур.

Датчик теплового потока работает 30 следующим образом.

При прохождении через стенку измеряемого теплового потока по ее толщине возникает градиент температуры.

Слои 1 и 2 стенки претерпевают тепловое расширение (сжатие), пропорциональное их температурам и коэффициентам о .. В термонезависимых резистивных элементах 3, механически жестко связанных с крайними слоями 1, проявля- 40 ется тензорезистивный эффект, т.е. электрическое сопротивление R резистивных элементов 3 изменяется пропорционально тепловому линейному расширению слоев 1:ЬК = kR Е, где k — чув45 ствительность, E = AL/L = d,, dT — относительное линейное расширение крайних слоев. Для таких материалов, как константан, нихром 1с = 10 и остается постоянным в широком интервале темпе50 ратур. Кроме того, R этих материалов практически не зависит от температуры (материал термонезависимый), что исключает возникновение дополнительной погрешности измерений при изменении температуры среды, в которой находится датчик.

Таким образом, разность электрических сопротивлений резистивных элементов, расположенных на крайних слоях стенки, прямо пропорциональна разности их температур, а следовательно, плотности проходящего через датчик теплового потока и зависит от него линейно в широком температурном интервале. При этом толщина стенки датчика, равная 21„ +1, не зависит от температуры среды, в которой он находится, и плотности проходящего через него теплового потока в широком интервале изменения этих величин, Для повышения чувствительности датчика крайние слои следует выполнять из материала с возможно большим так как dR- g = Ы, dT.

Измерение разности сопротивлений резис гивннх элементов производится, например, по разности падений напряжений на них при прохождении через них измерительного тока или включении резисторов в мостовую электрическую схему.

В пример е ко икр ет ног о исполнения датчик теплового потока размером

30х30 мм содержит трехслойную вспомогательную стенку, крайние слои 1 которой выполнены из алюминиевой фольги (оС = 22,8 10 град ) толщиной

0,04 мм, средний слой — из инвара

Fe-Ni-Со (о = -0,3 10 град ) толщиной 3,05 мм, так что выполняется условие (1).

Алюминиевая фольга оксидировалась.

Затем методом электронно-вакуумного напыления на нее нанесен слой константана толщиной 0,001 мм заданной конфигурации. При этом ширина каждой полосы элементов 3 и промежутки между ними равны 0,3 и 0,2 мм соответственно. Общая длина каждого резистивного элемента равна 1800 мм, электрическое сопротивление R = 1,5 кОм.

Апюминиевую фольгу с нанесенными на нее реэистивными элементами наклеивали на средний слой вспомогательной стенки с помощью клея на основе кремнийорганических каучуков марки ЛЭТСАР, способного сохранять эластичность (липкость) в интервале температур от

-60 до 250 С.

О

В качестве варианта организации теплового контакта и механического соединения крайних и среднего слоев использованы их взаимная фиксация с помощью специального прижимного устройства, достаточно плотно сжимающего

15150 комендовать его для широкого использования в народном хозяйстве.

С ос т а вит ел ь С. Васил ев с кий

Редактор А.Маковская Техред Л.Олийнык Корректор H.Король

Заказ 6269/42 Тираж 573 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101

I слои в нескольких точках по поверхности и по всему периметру и допускающего их относительное продольное смещение на 0,5 мм.

Технология изготовления и сборки датчика теплового потока проста, обеспечивает воэможность повторяемости его характеристик и взаимозаменяемости элементов конструкции. 10

Перечисленные преимущества датчика теплового потока позволяют ре15

Формула изобретения

Датчик теплового потока, содержащий теплопроводящую стенку и датчики температур, расположенные на противо- 20

6 положных сторонах, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности измерения тепловых потоков большой плотности в широком интервале температур, теплопроводящая стенка выполнена трехслойной с воэможностью продольного относительного смещения слоев, при этом крайние слои выполнены из материала с положительным, а средний — с отрицательным коэффициентами теплового линейного расши— рения, причем отношение суммы толщины крайних слоев к толщине среднего слоя обратно пропорционально отношению абсолютных величин коэффициентов теплового линейного расширения этих материалов, а датчики температур выполнены в виде тензорезистивных элементов из термонезависимого материала.