Датчик теплового потока

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик рн935718

// г

С"

Ф (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 261280 (2>) 3217387/18-10 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 150682, Бюллетень ¹ 22

Дата опубликования описания15.06.82 ($qj К1 3

G 01 К 17/08

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 536. 621 (088. 8) урьянов, нь

/

::: / 1

1

Институт технической теплофизикн АН Украццской CCP

/ (72) Авторы изобретени я

АндРеев О. A Геращенко

Л. ф ° °

Декуша Д H Леб (Л) Заявитель (54} ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Изобретение относится к технике теплофизических измерений и может найти применение в устройствах контроля и измерений тепловых потоков.

Известны датчики тепловых потоков на основе дифференциальных термоэлементов (1j.

Однако данная конструкция не обеспечивает достаточно высокой точности измерений из-за низкой чувствительности.

Известен также датчик теплового потока, содержащий батарею дифференциальных термоэлементов, выполненную в виде плоской спирали и заформованную в компаунд из ниэкотеплопроводного материала (2).

Однако известный датчик обладает достаточно большой инерционностью, что затрудняет его использование при измерениях нестационарных тепловых потоков.

Целью изобретения является повншение точности измерений за счет уменьшения инерционности датчика.

Поставленная цель достигается тем, что в торцовые участки компаунда введена теплопроводная присадка на глубину, превышающую уровень размещения спаев термоэлементов.

В качестве теплопроводной присадки используют мелкодиснерсный порошок нитрида бора.

Глубина торцовых участков компаунда с присадкой на 0,5-1,.5 диаметра термоэлектродной проволоки превышает уровень размещения спаев термоэлементов.

На фиг. 1 представлен предлагаемый датчик в разрезе со схематическим иэображением ба арен дифференциальных термоэлементов на фиг.2 иллюстрация техники изготовления датчика.

Датчик содержит батарею дифференциальных термоэлементов, выполненных из термоэлектродной проволоки в виде плоской спирали 1, укрепленной в кольцевом корпусе 2 с помощью заливочного компаунда из электроизоляционного материала, состоящего из центрального 3 и периферийных

4 и 5 слоев. Глубина торцовых участков компаунда с присадкой на 0,5

25 1.,5 диаметра проволоки превышает уровень размещения спаев термоэлементов, а центральный слой компаунда может быть выполнен из вспененного теплоизолятора. Такое соотноше30 ние обеспечивает достаточно малую

935718 инерционность при достаточно высокой чувств ите ль ности.

В периферийные 4, 5 по толщине датчика слои введена теплопроводящая присадка н виде мелкодисперсного порошка нитрида бора, предпочтительно 5 н количестве 70 — 90% от объема пе= . риферийных слоев.

Датчик работает следующим образом.

Одна из поверхностей датчика теплового потока контактирует с иссле- 10 дуемым объектом (не показан), температуру которого измеряют, другая через плоский термодатчик (не показан)с регулятором температуры, полупроводниковой термоэлектробатареей. После осуществления контакта датчика теплового потока с поверхностью исследуемого объекта через периферийный слой компаунда проходит тепловой поток, который, наталкиваясь на ниэкотеплопроводный центральный слой 3 компаунда, быстро затухает, обеспечивая прогрев периферийного слоя 4 до температуры исследуемого объекта. В результате обеспечивается равномерный прогрев горячих спаев дифференциальных элементов плоской спирали 1 и появление и цепи датчика мощного

I сигнала, свидетельствующего об изменении температуры этих спаев.

По выходному сигналу датчика, указывающему на наличие и направление теплоного потока, осуществляют подвод (отвод) тепла от регулятора к периферийному слою 5 компаунда для обеспечения соответствия горячих и регулируемых спаев батареи дифференциальных элементов. При прохож" дении через периферийный слой 5 компаунда тепловой поток от регулятора, наталкиваясь на низкотеплопро- 40 водный центральный слой 3, изменяет его температуру, обеспечивая равномерный прогрев регулируемых спаев дифференциальных элементов батареи.

По достижении соответствия температур горячих и регулируемых спаев уровень выходного сигнала датчика несколько уменьшается, а при выравнивании эон центрального слоя 3 ком-паунда, граничащих с периферийными слоями 4, 5 и прогретых до одинаковой температуры, стремится к нулю.

Использование вспененного низкотеплопроводного материала обеспечивает наибольшую контрастность твп-: лопроводности центрального и периферийного слоев заливки датчика.

Периферийный слой 5 компаунда вследствие высокой теплопроводнос-. ти обеспечивает выравнивание на поверхности датчика возможных температурных перекосов, обусловленных неравномерным подводом тепла от ре гулятора, разогревом термодатчика измерительным током и отвода тепла 65.по его электродам, что приводит к повышению чувствительности датчика за счЕт обеспечения участия н формировании выходного сигнала не отдельных, а большинства термоэлектродов батареи.

Периферийный слой компаунда 5, обеспечивая отвод тепла от термодатчика, повышает величину проходящего через него измерительного тока, что дает нозможность упростить вторичную аппаратуру, что особенно важно при проведении температурных измерений, например, в шахтах, опасных по газовому и пылевому режимам.

Использование в качестве теплопроводной присадки мелкодисперсного порошка нитрида бора обусловлено равномерным распределением по объему периферийных слоев и его высокой теплопроводностью в результате отсутствия на поверхности дисперсных частичек окисной пленки, что имеет место у медного или алюминиевого порошков, снижающих теплопроводность периферийных слоев. При этом при количестве мелкодисперсного порошка, меньшем 70%, наблюдается стирание резких границ теплопроводности меж" ду периферийными 4, 5 и центральным

3 слоями компаунда, приводящее к ухудшению динамическйх характеристик датчика, а при содержании порошка, превышакщем 90% от объема периферийных слоев, наблюдается неравномерность теплопроводности и локальное снижение теплопроводноати отдельных участков периферийных слоев 4, 5 в результате наличия воздушных прослоек между дисперснымн частицами порошка, что приводит к снижению равномерности прогрева спаев батареи и, как следствие, к снижению чувствительности индикатора.

Датчик изготавливают следующим образом.

Плоскую спираль укладывают в кольцевой корпус, объем которого заполняют материалом компаунда центрального слоя, осуществляют двустороннее обжатие датчика,,дифференцировано сбрасывая усилие обжатия в межвитковом пространстве спирали, .вытесняют излишнее количество материала компаунда, а затем, зафиксировав полученное распределение усилий обжатия, полимеризуют центральный слой компаунда до момента фиксации формы спирали. Образовавшиеся периферийные полости заполняют предварительно подготовленной смесью теплопроводной присадки с материалом заливочного смоляного компаунда. При этом на каждый иэ периферийных слоев выделяют 3-5Ъ материала смеси больше, чем объем соответствующих периферийных полостей. После этого осуществляют опрессовку датчика теплоного

935718 потока и окончательно полимеризуют материал компаунда.

Пределы превышения вйделяемого материала смеси над объемом периферий" ных полостей корпуса выбирают исходя из необходимости обеспечения надежного сцепления центрального и периферийного слоев компаунда, внедрения при опрессовке диспергированных частиц порошка теплопроводной присадки в материал центрального слоя10 компаунда. При несоблюдении нижнего предела (ЗЪ) снижается надежность сцепления, приводящая к возможному расслоению компаунда и, как следствие этого, к сокращению срока службы дат- 15 чика, при повышении верхнего предела (5%) не обеспечивается равномерность периферийных слоев по толщине и возникает вероятность механического повреждения батареи дифферен- 70 циальных термоэлементов при опрессовке датчика.

Оснастка состоит из стальных дисков 6, ограйичивающих обжатие, с наклеенными в их витках эластичными элементами 7 из селиконовой резины и герметизирующих прокладок 8 в виде тонкой фторопластовой пленки.

Спираль 1 укладывают в кольцевой корпус 2. Помещают индикатор на оснастку, установленную горизонтально эластичным элементом вверх, обеспечивают прокладкой 8 герметичность зазора между эластичным элементом 7 и кольцевым корпусом 2, заполняют 35 объем последнего материалом заливочного компаунда. Затем устанавливают ответную оснастку (эластичный эле" мент 7 направлен вниЪ). Через герметизирующую прокладку 8 сдвигают or- 40 раничивающие диски 6 до упора их плоскостей в торцы кольцевого корпуса 2. Эластичные элементы в точках контакта с плоской спиралью 1 сжимаются, от спаев дифференциальных 45 термоэлементов оттесняют материал центрального слоя 3 компаунда. Излишнее количество материала компаунда отводят через отверстие (не показано) в кольцевом корпусе 2. Элас тичность селикоиовой резины, из которой изготавливают эластичные элементы 7, исключает смятке плоской спирали 1 из термоэлектродной проволоки с лентой 9, формирукщей спираль.

Предложенное устройство позволяет повысить точность измерений стационарных и нестационарных температур, сократить время получения .корректной информации о температуре объекта за счет снижения его термической инерционности, дает возможность индицировать соответствие температур исследуемого объекта и термодатчика, не ожидая прогрева устройства по всей его толщине до температуры объекта.

Формула изобретения

1. Датчик теплового потока, содержащий батарею дифференциальных термоэлементов, выполненную в виде плоской спирали и заформованную в компаунд из низкотеплопроводного материала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения инерционности датчика, в торцовые участки компаунда введена теплопроводная присадка на глубину, превышающую уровень размещения спаев термоэлементов.

2. Датчик по п. 1, отличаю-. шийся " тем, что в качестве теплопроводной присадки использован мелкодисперсный порошок нитрида бора.

3. Датчик по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что глубина торцовых участков компаунда с присадкой на

0,5 - 1,5 диаметра термоэлектродной проволоки превышает уровень размещения спаев термоэлементов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 ° Авторское свидетельство СССР

9 159048, кл. G 01 K 17/18, 1962.

2. Геращенко О.A. Основы теплометрии. Киев, Наукова думка, 1971, с. 90 - 103 (прототип).

935718

° \

° у

° °

° ° °

° °

° °

Составитель Ю.Андриянов

Редактор С.Тимохина Техред И. Гайду Корректор Ю Макаренко

Заказ 4194/40 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1.13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4