Датчик теплового потока

 

А.Л. Гурвич, И.Е. Спектор, Г.А. Васильев, Л.Г. Козьмина, Ю.В, Лукашин и В.И. Смыслов ! «М9 р (72) Авторы изобретения (7l ) Заявитель (54) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно, к датчикам, предназначенным для измерения плотности теплового потока, поступающего в теплозащитное покрытие.

Известны датчики теплового потока,. принцип действия которых основан на функциональной связи измеряемой плотности теплового потока и температуры поверхности тепловоспринимающего элемента, которая измеряется. с помощью термометра сопротивления fl ).

Использование известных датчиков для измерения плотности теплового потока, поступающего в теплозащитное покрытие, ограничено допустимой рабочей температурой термометра сопротивления, которая обычно ниже температуры тепловоспринимающей поверхности теплозащитного покрытия. Повышение этой температуры вызывает недопустимый перегрев термометра сопротив1 ления и даже его разрушение.

Кроме того, различие температур тепловоспринимающих поверхностей теплозащитного покрытия и тепловоспринимающего элемента датчика в процессе измерения приводит к возникновению систематической погрешности измерения, так как тепловой поток, поступающий в тепловоспринимающий элемент не соответствует тепловому потоку, по поступающему непосредственно в теплозащитное покрытие.

Наиболее близким к предлагаемому является датчик теплового потока,: содержащий тепловоспринимающий эле-. мент, выполненный в виде стержня из теплозащитного материала, с расположенной на его торцовой поверхности термопарой(2).

Датчик своей торцовой поверхностью устанавливается эаподлицо с тепловоспринимающей поверхностью теплозащитного покрытия. Воздействие измеряемого теплового потока на поверхность тепловоспринимающего элемента

877367 датчика приводит к изменению ее температуры, которая .может достигать 8001000 С. При таких температурах в теплозащитном материале, из которого изготавливается тепловоспринимающий элемент датчика, происходят существенные изменения его теплофизических и оптических характеристик тепловоспринимающей поверхности, определяющих чувствительность датчика.

В процессе измерения чувствительность датчика изменяется, что, естественно, приводит к снижению точности измерения плотности теплового потока, которое может достигать 20-307. и определяется точностью определения оптических и теплофизических характерис тик материала тепловоспринимающего элемента в рабочем диапазоне температур.

Наряду с этим. при температурах вью . ше 300 C происходит разложение связующего материала тепловоспринимающего элемента датчика, которое сопровождается поглощением тепла и приводит к образованию значительных масс газообразных продуктов разложения, и соответственно, формирует пористую, сильно изрытую структуру поверхностного слоя. В результате термоприемник (термопара), расположенный на поверхности

30 тепловоспринимающего элемента, подвергается воздействию твердых и газообразных продуктов разложения и при образовании пористой поверхности, полностью или частично теряет контакт с ней. В этом случае измерение температуры производится со значительной погрешностью, которая также влияет на точность изменения плотности теплово,го потока, рассматриваемого датчиком. 40

Разложение связующего материала тепловоспринимающего элемента и обусловленная этим потеря контакта термоприемника с тепловоспринимающей поверХностью исключает предварительное его 45 градуирование, которое бы позволило учесть температурное изменение теплофизических и оптических характеристик тепловоспринимающего элемента и, тем самым, повысить точность измерения 50 плотности теплового потока.

Кроме того, отмеченные изменения теплофизических и оптических характеристик материала тепловоспринимаю-. щего элемента а также нарушение контакта термоприемника с тепловоспринимающей поверхностью элемента исключает воэможность многоразового использования известного датчика при измерениях плотности теплового потока, поступающего в теплозащитное покрытие.

Цель изобретения — повышение точности измерений и обеспечение многоразовости использовайия.

Указанная цель достигается тем, что в датчик введен дополнительный тепловоспринимающий элемент, выполненный из термоэлектродного материала и являющийся электродом термопары, второй проволочный электрод которого закреплен в центре тепловоспринимающей поверхности дополнительного элемента, установленного через теплопроводную шайбу на верхней торцовой поверхности основного тепловоспринимающего элемента.

На чертеже изображен датчик тепло-. вого потока.

Датчик содержит тепловоспринимающий элемент 1, выполненный в виде стержня из теплозащитного материала, дополнительный тепловоспринимающий элемент 2, выполненный из термоэлектродного материала, например из хроме ля, и являющийся электродом термопары, второй проволочный электрод 3 которой закреплен в центре тепловоспринимающей поверхности дополнительного элемента 2 и выполнен, например из алюмеля, дополнительный элемент 2, являющийся электродом термопары, снабжен токовым выводом 4, выполненным из хромеля. Дополнительный тепловоспринимающий элемент 2 выполнен в форме полого тела вращения, например цилиндра. На торцовой поверхности тепловоспринимающего элемента 1 размещена термопара 5, дополнительный тепловоспринимающий элемент 2 через теплопроводную шайбу 6, выполненную например из меди, установлен на верхней, торцовой поверхности основ ного тепловоспринимающего элемента 1.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемый тепловой поток поглоща ется плоской тепловоспринимающей поверхностью тепловоспринимающего элемента 2 и вызывает изменение ее темпе- . ратуры, которое измеряется термопарой, образованной тепловоспринимающим элементом 2 и электродом 3. Через определенное время после начала воздей— ствия теплового потока, которое определяется теплофизическими характеристиками материала тепловоспринимающего элемента 2 и его высотой, проис877367

30 ходит изменение температуры торцовой поверхности тепловоспринимающего элемента 1, которое регистрируется с помощью размещенной на ней термопары.

При этом величина плотности измеряемого теплового потока определяется по температуре тепловоспринимающей поверхности элемента 2, а затем — по. температуре тепловоспринимающей по-. верхности элемента(1).

Изобретение позволяет повысить точность измерения плотности теплового потока и обеспечивает многоразовость использования датчика. Наличие дополнительного тепловоспринимающего элемента позволяет существенно снизить температуру поверхности основного тепловоспринимающего элемента (ниже

300 С). При такой температуре разложения связующего теплозащитного материала практически не происходит, а изменение его теплофизических характеристик незначительно и может быть учтено при градуировании.

Наряду с этим, повышается точность измерения температуры поверхности основного тепловоспринимающего элемента, так как при отсутствии разложения теплоэащитного материала не происходит отслоение термоприемника (термопары), размещенного на торцовой поверхности основного тепловоспринимающего элемента.

Наконец, наличие переходной шайбы, соединяющей основной и дополнитель35 ный тепловоспринимающие элементы и вы-полненной из теплопроводного материала (меди), позволяет обеспечить равномерное распределение температуры по поверхности основного те ловосприни40 мающего элемента и тем са ым повысить точность измерения температуры.

Выполнение дополнительного тепловоспринимающего элемента в форме полого тела вращения (полого цилиндра), 1 позволяет путем подбора соотношения площадей тепловоспринимающей поверхности и его сечения обеспечить температуру этой поверхности близкой температуре поверхности теплозащитного покрытия, что практически исключает систематическую погрешность измерения плотности теплового потока, обусловленную различием температур тепловоспринимающих поверхности теплозашит- ного покрытия и тепловоспринимающего элемента датчика.

Наряду с повышением. точности измерения, наличие в конструкции предлагаемого устройства дополнительного тепловоспринимающего элемента выполненного из термоэлектродного материала, позволяет обеспечить многоразовость использования датчика, так как при многократном измерении плотности теплового потока в датчике не происходит разложение и разрушение материалов тепловоспринимающих элементов (как основного, так и дополнительного).

Формула изобретения

Датчик теплового потока, содержащий тепловоспринимающий элемент, выполненный в виде стержня иэ теплозащитного материала, с расположенной на его торцовой поверхности термопарой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и обеспечения многоразовости использования, в него введен дополнительный тепловоспринимак ций элемент, выполненный из термоэлектродного материала и являющийся электродом термопары, второй проволочный электрод которой закреплен в центре тепловоспринимающей поверхности дополнительного элемента, установленного через теплопроводную шайбу на верхней торцовой поверхности основного тепловоспринимающего элемента.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Полякова Ю.А. и Митькина Е.А

11

"Приборы и техника эксперимента

1961, У 4.

2. Instrumentation in the aегоspace 1пдцзсгу", 1974, У 20, с. 123132 (прототип).

Составитель Г. Мухина

Редактор С. Коупенина Техред Т.Маточка Корректор М. лароши

Заказ 9602/65 Тираж 910 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал П1П1 "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4