Датчик теплового потока

 

О Л И С А И Ь Е (875222

Н ЗОБ РЕ 1 Е К ИЯ

Colo3 Советских

Соцмалнсткческих

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 19.02.80 (21) 2878032/18-10 с присоединением заявки №вЂ” (28) Приоритет (51) М, Кл.

Гооударстмниый комитет

СССР. по делам мзабретеиий и открытий

G 01 К 17/06

Опубликовано 23.10.81. бюллетень № 39 (53) УДК 536.629. .7 (088.8) Дата опубликования описания 23.10.81 (72) Авторы изобретения

Л. В. Декуша, А. Г. Мазуренко, В. Г. Федоров, О. А; Геращенко и Т. Г. Грищенко (71) Заявитель

Институт технической тснлофизики АН Украинской CCP (54) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Изобретение относится к области теплометрий и может. быть использовано для измерения тепловых потоков при стационарных и нестационарных теплообменных процессах.

Известно устройство для измерения нестационарных тепловых потоков, содержащее две термоэлектрические батареи одинаковой чувствительности, включенныс навстречу друг другу по электрическому сигналу. В усло. виях стационарного тсплообмсиа суммарний электрический сигннл, вырабатываемый уст1о ройством, равен нулю. В условиях нестационарного теплообмена плотности теплового потока, прошедшего через тепловоспринимающую и теплоотдающую поверхности устройства, будут отличаться между собой, так как часть тепла затрачивается на изменение его тепло- содержания. Суммарный сигнал, вырабатываемый термоэлектрическими батареями, будет отличен от нуля, а знак и числовое значенйе

20 сигнала соотвстствуюг направлению и величине изменения потока во времени; (11.

- Это устройство позволяет получать информацию только о наличии нестационарности процесса и используется в качестве индикатора.

Известен датчик для измерения локальных тепловых потоков, основанный на использовании термоэлектрического эффекта и содержащий дифференциальные термоэлементы с промежуточными термоэлектродами, образующими вспомогательную стенку и сосдиненными послсдовательно, причем тсрмоэлсктрод каждого прсцилушсго тсрмо глсмсл» служит осцованисм для последующего 12).

Этот датчик имеет низкую чувствительность, что делает его непригодным для измерения тепловых потоков малой и средней интенсивности, вырабатываемый им сигнал пропорционален среднеинтегральной по толщине датчика плотности теплового потока, проходящего через него

Кроме того, характерна и низкая точность при измерении нестационарных тепловых потоков, так как в условиях нестационарного теплообмсна плотности теплового потока, проходящего через тепловоспрннимаюшую и теплоэ222

87 10

30

0(b (И

Отца>(>(ну>О поверхности датчика, нс равны мсжJg)" ((б>О>1.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретснию яв-. ляется высокочувствительный батарейный термоэлектрический датчик теплового потока, содержащий батарею дифференциальных термоэлектрических элементов, выполненную из термоэ>1(ктро>шой проволоки в виде плоской cnupaJIlt, составленной нз чередующихся между собой нолувнгков, покрытых парным тсрмоэлсктродным материалом и непокрытых, у которой места переходов от .,спокрытого участка к покрытому расположены в параллельных плоскост tx, 1аэнссснных на толщину тсрмобатарси, подключсttttvto к рсгнстрнрующ(му прибору (3).

Этот Jotrt>t> теплового потока имеет высокую чувствительность, что позволяет испольэовать,to длл измерений тепловых пото. ков не только высокой, но и малой интенсивности. Вырабатываемый таким многоспайным датчиком снгнал пропорционален среднеинтегральной по толщине датчика плотности теплового потока, а постоянная времени в зависимости от толщины датчика, его теплофизнчсских характеристик и формпараметра составляет 1 — 30 с, но в отдельных случаях можст достигать .120 с, что приводит к значительной длительности измерения. стационарных тепловых по(оков и возникновению динамической погрешности при измерении нестационарных тепловых потоков.

Цель изобрстсния — увеличение быстродействия и повьннение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в измерительную цепь датчика теплового потока последовательно по электрическому сигналу с имею(цейся тсрмобатарсей включена корректиру(ошая, у которой все лолувитки термоэлектродной пров(>э(оки прерывистого покрыты парным тсрмоэлекгродным материалом, причем расстояния для каждого полувятка между плоскостями, в которых расположены места переходов от непокрытого участка к покрытому, выбраньl равными, одинаковы, а расстояния между плоскостями, в которых расположены "горячие спаи" чередующихся по, лувитков корректируюшсй термообработки и толщина термоб>атарси Q связашя соотношением.

На фиг. 1 изображена схема датчика теплового потока, содержащего основную и корректирующую термобатареи; на фиг. 2 — схемы покрытия парным термоэлектродным материалом полувитков термоэлектродной проволоки основной (d ) и коррсктиру>ощсй термобатареи (о, Я, (.); на фиг. Э вЂ” .изменение . сигналов Основной термобатареи и датчика теплового потока t> è»èñ>tìoetè (>т 1= 0 (KI>HTc рнй «1>ур> с) нри ска(кооГ>р((злом изменении теплового потока: на фиг. 4 — изменение сигнаээа коррсктируюц(ей термобатареи в завис;«молоти от Р,э, расстояния между местами переходов от нспокрьэтого участка к покрытому и количества витков термоэлсктродной проволоки при скачкоббразном изменении теплового потока.

Датчик теплового потока (фиг. I) cortep. жит две тсрмоэлсктричсские батареи, основную 1 и корректирующую 2, которые включсны последовательно rlo электрическому. сигналу в измсритсльнуэо цепь с вторичным регистрирующим прибором 3.

Основная термоэлектрическая батарея (фиг. e) выполнена в виде плоскои спирали, составленной из чередующихся между собой полувитков 4, покрытых парным тсрмоэлсктродным материалом, и 5, непокрытых, у которой места переходов or непокрытого участка к покрытому расположены в параллельных плоскостях I u I I разнесенных на толщину тсрмобатарси И .

25 Коррсктиру«(>щая термоэлектрическая батарея (фиг. 2 (э, 8, Ч.) имеет такую же толщину И, что и основная, но у нес каждый полувиток покрыт парным термоэлектродным материалов. Однако покрытие выполнено прерывистым, расстояние между плоскостями

I и II, III и 1Ч, в которых расположены места переходов от непокрытого участка к покрытому, выбрано равным. Расстояние 5 между плоскостями 1 и Ill, в которых расположены "горячие спаи", образованные местами переходов от непокрытого, участка к покрытому, больше нуля и меньше толщины термобатараи h В частном случае (фиг. 25 и <) . плоскости II и 111 могут совпадать, но при этом должно соблюдаться условие Q c Ь < b, Таким образом, каждый виток термоэлсктродной проволоки образует своеобразную па-. ру включенных встречно по электрическому сигналу дифференциальных тсрмоэлемснтов, вырабатывающих ТЭДС только при прохождении черсз датчик изменяюшсгосл во врсмени теплового потока, или в .случае, когда плотность теплового потока, прошедшего через тепловоспринимающую поверхность. Отличается от 11лотности теплового потока, .>рошед(пего через теплоотдающую поверхность. При прохождении через корректирующую тсрмобатарсю стационарного тепээовог(;> потока суммарный сигнал, вырабатываемый всеми се тсрмоэлементами, равен нулю.

Датчик может быпть испо>(ь:эол>(н для измерения как в случае стационарного, так и в случае нсстационарно«о т«эпл«>ОГ>мена. 11р иэ-, мерснии установи>нпсгося в простр(>ястве и

5 875222" времени теплового потока сигнал, вырабатыва--емый основной термобатарссй 1 (фиг. 1), 1 пропорционален его плотности, а сигнал корректирующей тсрмобатарси 2 раасн нулю. Суммарц(ай(сигнал, иэмсрясмый регистрирующим прибором 3., равен сипилу основной тсрмо.. батареи 1.

При переменном в пространстве и времени тепловом потоке, сигнал основной термобатареи 1 будет пропорционален среднеинтсграль- 10 . ной по толщине датчика плотности теплового, потока, проходящего через датчик. Величина . этого сигнала будет соответствовать меньшему эначе1(ию теплового потока, по сравнеййю с воспринятым тепловоспрннимающей поверх- 15 костью, и большему значению; по сравнснию с прошедшим через теплоотдающую поверх-. ность. Сигнал корректирующей термобатареи

2 при этом будет пропорционален изменению теплосодержания некоторого слоя вспомогательной стенки датчика. Вторичный ре(истрирующий прибор 3 будет регистрировать суммарный сигнал. обеих термобатарей, который в зависимости от подключения корректирующей термобатареи 2 будет приближаться к сигналу, соответствующему тепловому потоКу, прошедшему либо через тепловоспринимающую, либо через теплоотдающую поверхности датчика. В результате суммирования сигналов основной 1 и корректирующей 2 термобатарей постоянная времени датчика уменьшится, а быстродействие — увеличится по сравнению с этими же характеристиками для основной гермобатареи.

Изложенное подтверждается решением задачи, частный случай которой можно показать на примере работы предлагаемого датчика, установленного на термостатированную поверхность, при скачкообразном изменении плотности теплового потока. При этом положим, что датчик — изотропное плоское тело конечной толщины и его тсплофизические характеристики от температуры нс зависят. В этом случае температурное поле датчика описываетcR уравнением теплопроводности гдеХ ° = Х"

Х где Х.н ь

0

) (4) а+, х т) а ы(х,с) . 8ь(д Х 2при следующих краевых условиях

4(хр)/С=СО =t> (Х, )/Х = 1 =+О а+(х+) 1

/ХО=(о > пространственная и временная текущие координаты; текущее значение температуры; начальное значение температуры (х= 01;

Х, а — тсплопроводность н. темпсратуропровод((ость датчика; — плотно ть теплового потока оо (в сечении х=О)

Решением уравнения (1) относительно разности между темпсратурой „в сечении, удаленном на расстояние Х1 от тепловоспри. нимающей поверхности x=0, и температурой термостатированной поверхности tg отнесенной к разности температур М между тепловоспринимающей (х=О) и теплоотдающей (x= Х, ) поверхностями в установившемся режиме (Fоэ,0.), получим расчетную формулу для определения величины (ф; -; t g )Ч при любых значениях о и Х; (t(- о) п14 Ъ

=1" Х1-Я (-() sin P„(-X;))x (. „ lu " (n)

Хexc(- 4 о) 20 — расстояние от тепловоспринимающеи поверхности до сечения Х;, отнесенное к толщине. датчика 1(°

3Г ! (оп q) — собственные значения

l n аТ

25 = =, — критерий Фурье.

О- 1„0.

Для термоэлектрических датчиков теплового потока вырабатываемая ТЭДС в стационарных условиях прямо пропорциональна разности температур между плоскостями, в которых расположены своеобразные спаи, образованные местами перехода от непокрытого участка к покрытому, и зависит от числа спасв, толщины термобатареи, форм параметра и теплопроводности устройств, т.е. для каждого кон35 кретного датчика можно записать -расчетную зависимость для генерируемой им ТЗДС

QbnC е=, (3)

Х где о, — плотность измеряемого теплового

40 потока; — толщина тсрмобатарси; — число витков плоской спирали, образующей(термобатарею, C, — постоянная датчика, зависящая от материала термоэлсктроднон проволоки и покрытия, а также от плошадей сечений(тсрмоэлектродной проволоки и покрытия.

Исходя из формул (2) и (3), получается выражение для расчета всличш(ы ТЭДС, выра50 батывэсмой основной тсрмобатарссй при любом значении (=Q, отнесенной к величине

ТЭЛС тсрмобатарси при Fp, Q г

55 )> " -1(") t1 s n g n exp(-р.„F0) (8)

4 т о п= где 8 — ТЭЛС основной термобатарси при любом значении 1:0

875222

35

45

50 то же, при установившемся значении

О теплового погона (Г 0), 1.

На фиг, 3 приведены динамические характс истики оспомой тсрмобатареи (кривая 1).

IIJIR B B1 4ll_#_)3H5l ABT P .4 T|:IIJIOBOI O IIOTOка иэ зцсриочпчсского звена с постояннои времени Го в бсэинерционное, путем включения в измерительную цепь корректирующего звена, необходимо, чтобы сигнал, вырабатываемой этим звеном был пропорционален (1 — ) {кривая 1 на фиг. 4). Сигнал, выГо рабатываемый описанной коррсктирующеи тсрмобатарссй, начиная с некоторого значения, удовллворяст этому условгио.

11ри у поппи по олгцпна тсрмоб.парси эпачсшю формпарамстра, материли тсрмоэлсктродпой проволоки и покрытия, тсплофизическис характеристики и число витков термоэлсктродцой проволоки одинаково для корректирующей и основной термобатарей, ТЭДС корректирующей термобатареи можно расчитывать по формуле, полученной с помощью равенства (2) и. (3) — =-g(-q2 K/sin pn(1-К„)-з1пр,„(-х,))и

25 (r2 l

-(вм p „(- xq)-

0Π— то же, основной термобатареи при установившемся значении теплового потока (1=o 2 ); . К„и Х3 — расстояния от тепловоспринимающей поверхности к плоскостям, в которых расположены "горячие спаи" полувитков корректирующей термобатареи (отнесенные к ее толщине 11);

К2и х4 — расстояния от тепловоспринимающей поверхности к плоскостям, в которыХ расположены "холодные снап" полувитков (отнесенные к толщине И ).

Следует заметить, что

X 40 Х +с1

Х = "-Х +А,X4- «Х3+Аяе1, tl

Х„-х,= — =S

Ь

Исходя иэ этого, уравнение (5) может быть преобразовано к виду к <+ 1 A X„+Xg+A

K(- ) — - 51 „— ЯМ п1 1- )х О П=ч в (ь2 к Мп P„exp (-р- со2, 1.

П

55 где А — расстояние между плоскостями, в которых расположены места перехода от непокрытого участка к по8 крытому для каждого полувитка (отнесенное к толщине тсрмобатареи);

 — расстояние между плоскостями, в которых расположены "горячие cBRH чередующихся полувитков.

Из анализа уравнения (6) следует, что корректирующая термобатарея генерирует сигнал только в том случае, если для каждого полувитка расстояние а между плоскостями, в которых расположены места перехода от непокрытого участка к покрытому, и расстояние Ь между плоскостями, в которых расположены "горячие спаи" термобатареи,. отличны от нуля, т.е.б эО и 1э 70

11а фиг. 4 црипсдспы крипыс иэмснсния

4ЕКiЕ, : - TH oYFQ коррсктируиццсй тсрмобатарси при условии б = 1э = 0 5 И (кривая 2),О= Ь = 0,33 М (крнвая 3). При этом числе витков термоэлектродной проволоки у основной и корректирующей термобатареи одинаково. Из анализа полученных решений следует, что для улучшения коррекции сигнала основной термобатарси необходимо, чтобы число витков и корректирующей тсрмобатарси было больше числа витков в основной. Отношение числа витков в корректирующей тсрмобатарси ng к . числу витков в основной — no определяют по формуле

На фиг. 4 приведены кривые изменения величины Оц /8g в зависимости от 1-g для корректиру1ощих термобатарсй с 0= Ь = 0,51э при ng/и 2,2 (кривая 4). и сфс = Ь= h —.

0,33 при пх/пр4,0 (кривая 5), которые на. глядно показывают, что с некоторого значения Еп сигнал корректирующей термобатареи практически полностью компенсирует "недобор" сигнала основной термобатареи.

На фиг; 3 приведены динамические характеристики предлагаемого устройства для дат.чиков с корректирующими термобатареями с с1= 1э = 0,5 17 или/по 2,2 (кривая 2) и с 0= Ь = 0,33 1э и и 4,0 (кривая 3), которые показывают, что с введением в измерительную цепь корректирующей тсрмобатарси динамические характеристики устройства улучшаются.

Кроме аналитических исследований возможностей улучшения динамичсских характеристик датчика теплового потока были проведены испытания опытных образцов. датчика.

С этой целью были изготовлены опыгныс образцы с 4= 1э= 0,5 и, испытание которых показало, что время достижении 0.980о у датчика теплового потока с кор1гек црукццей термобатарсей снизипос болсс, чсм и t .: раэ

875222

10 по сравнению с основной тсрмобатаресй этого жс устройства, что позволит уменьшить динамическую погрешность измерений в нестационарлых условиях теплообмена, и следовательно, повысить точность получаемой инфор-. мации.

Кроме того, датчик позволяет сократить продолжительность измерений стационарных тепловых потоков в 5-10 раз по сравнению с базовым.

Формула изобретения

Датчик теплового потока, содержащий ба- тарею дифференциальных термоэлектрических элементов, выполненную из термоэлектродной проволоки в виде плоской спирали, составленной из чередующихся между собой полувитков, покрытых парным термоэлектродным материалом и непокрытых, у которой места переходов от непокрытого участка к покрытому расположены в параллельных плоскостях, . разнесенных на толщину термобатареи, под- ключенную к регистрирующему прибору, о т - 25 лича юшнйся тем.что,сцелью увеличения быстродействия и повышения точности иэмереннй, в измерительную цепь дзг ика теплового потока, последовательно по электрическому сигналу с имеющейся термобатзреей включена корректируюшзя, у которой все полувитки тсрмоэлектродной проволоки преры. висто покрыты термоэлсктр<чщым материалом, причем расстояния для каждого полувнткз между плоскостямн, в которых расположены места переходов от непокрытого участка к покрытому, выбраны равными, а расстояние тэ между плоскостями, в которых расположены

"горячие спаи" чередующихся полувнтков корректирующей тсрмобатзрси и толщина термобатареи, h связана соотношением () < g< 1э

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР К 502242, . кл, G 01 К 17/08, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР И 159048, кл. G О! К 17/08, 1962.

3. Геращенко О. А. Основы теплометрии.

Киев., "Наукова Думка™,197), с. 90 — 103 . (прототип).

875222

075

050

025

075

Фиа Ф

Составитель Н,. Горшкова

Техред Л.Савка Ко рректор У. Пономаренко

Редактор В. Еремеева

Заказ 9321/66

Фнлнаи lffflf "Пагент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Тираж 910 Подписное

ВПИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

113035, Москва, Ж-З5, Рауигская наб., д. 4/5