датчик для измерения поверхностной температуры и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Датчик для измерения поверхностной температуры в виде термопары, термоэлектроды которой, выполненные из полосок фольги и снабженные внешней изоляцией, разделены изоляционной прослойкой и своими торцами, на которых образован рабочий спай термопары, установлены заподлицо с поверхностью исследуемого объекта, отличающийся тем, что изоляционная прослойка выполнена из клеевой полимерной пленки, а внешняя изоляция каждого термоэлектрода образована двумя слоями пленки полимера, при этом толщина внешней изоляции 40 мкм, а высота ее наружного слоя не превышает толщину исследуемого объекта в месте установки датчика.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он содержит дополнительные термоэлектроды в виде полосок фольги, при этом один из термоэлектродов является общим, а остальные в местах образования рабочих спаев термопары ориентированы под углом к торцу общего термоэлектрода и установлены вдоль него с заданным шагом.

3. Способ изготовления датчика для измерения поверхностной температуры, включающий формирование неразъемного соединения термоэлектродов в виде полосок фольги, изоляционной прослойки между ними и внешней изоляции и шлифование торцевой поверхности датчика для образования рабочего слоя термопары, отличающийся тем, что формирование неразъемного соединения осуществляют путем склеивания термоэлектродов с изоляционной прослойкой из клеевой полимерной пленки при заданном режиме по температуре, давлению и времени выдержки, обеспечивающем толщину прослойки после приклеивания 10 мкм, с последующим приклеиванием на термоэлектроды слоев внешней изоляции из пленки полимера, а шлифование торцевой поверхности ведут в приспособлении в виде разъемных плат из твердого сплава, в которых фиксируют датчик.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению температуры поверхности элементов различных объектов и устройств. В частности, оно может быть использовано при исследовании теплопередачи и измерениях распределения тепловых потоков по поверхности моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах, а также в различных областях техники, когда необходимо измерять температуру поверхности трущихся между собой деталью или узлов, например, в элементах конструкции автомобильных двигателей.

Известны датчики для исследования локального теплообмена в аэродинамических трубах периодического действия. Они представляют собою ленточную термопару толщиной 0,03 мм и шириной 0,2 мм, выполненную из стандартных термоэлектродных проводов. Такую термопару размещают в углублении или пазе, сделанном на поверхности модели. Глубина паза равна толщине ленточки, ширина 0,3 м, длина не менее 2 мм в каждую сторону от термоспая [1]

Известен способ изготовления ленточных поверхностных термопар, который состоит в том, что из термоэлектродных проводов путем их прокатки получают полоски фольги и сваривают их внахлест точечной микросваркой, получая термоспай. Далее раскатывают место сварки до исходной толщины ленточки или фольги. Затем на поверхности модели летательного аппарата делают углубление, в которое заподлицо вклеивают термопару, а концы проводов от термопары заводят внутрь модели через отверстия 0,5-0,8 мм ( там же, с.148-150).

Недостатками изготовленных указанным способом термопар являются: необходимость иметь в месте расположения термопар довольно большую вставку из изоляционного материала не всегда это допустимо по условиям работы исследуемого объекта; габариты термопар не позволяют разместить их на элементах конструкций с острыми кромками или с малыми радиусами затупления; невозможность применения термопар в тех случаях, когда требуется измерять температуру поверхности трущихся деталей.

Известен датчик для измерения поверхностной температуры в виде термопары, термоэлектроды которой, выполненные из полосок фольги и снабженные внешней изоляцией, разделены изоляционной прослойкой и своими торцами, на которых образован рабочий спай термопары, установлены заподлицо с поверхностью исследуемого объекта. Толщина полосок фольги 25 мкм. В качестве изоляционной прослойки использована слюда. Полоски ориентированы параллельно друг другу и вместе с корпусом, в котором они размещены, образовывают жесткую газонепроницаемую конструкцию. На торце наконечника имеется весьма тонкий термоспай или термоконтакт [2]

Известен способ изготовления датчика для измерения поверхностной температуры, включающий формирование неразъемного соединения термоэлектродов в виде полосок фольги, изоляционной прослойки между ними и внешней изоляции, и шлифование торцевой поверхности датчика для образования рабочего спая термопары.

Например, берут две полоски фольги из термоэлектрических проводов толщиной 25 мкм, изолируют их друг от друга слюдяной пластиной толщиною около 5 мкм и далее запрессовывают все эти слои в конусообразное отверстие корпуса датчика под давлением 3500 кГс/см² так, что получается герметичная комбинация из корпуса, термоэлектродов и слюды. Термоконтакт образовывают посредством шлифовки и полировки торца датчика. При износе термоконтакта, если датчик размещен на поверхности трущихся деталей, непрерывно образуются новые спаи в виде крохотных сварных контактов между двумя металлическими полосками.

Данный датчик имеет два основных недостатка. Во-первых, его нельзя применять для измерения температуры в тонкостенных элементах различных устройств, когда вне этих элементов отсутствует пространство для его размещения. Например, не представляется возможным использовать датчик для измерения температуры поверхности вкладыша подшипника двигателя (у двигателя автомобиля КАМАЗ толщина вкладыша 2,5 мм). Во-вторых, из-за относительно больших поперечных размеров этот датчик не обеспечивает удовлетворительную пространственную способность, например, с помощью набора таких датчиков нельзя измерить распределение температуры вдоль какой-либо координаты с шагом 2 термоспая на 1 мм.

Способ изготовления таких датчиков отличается сложной технологией, поскольку он основан на необходимости использования очень высокого давления и соответствующего оборудования; кроме того, при шлифовке торца материал термоэлектродов трудно "втирается" в слюдяную прослойку из-за ее жесткости, которая к тому же при этой операции может выкрашиваться.

Задачей изобретения является расширение области применения датчиков, увеличение их разрешающей способности и упрощение технологии изготовления.

Поставленная задача достигается тем, что в датчике для измерения поверхностной температуры в виде термопары, термоэлектроды которой, выполненные из полосок фольги и снабженные внешней изоляцией, разделены изоляционной прослойкой и своими торцами, на которых образован рабочий спая термопары, установлены заподлицо с поверхностью исследуемого объекта, изоляционная прослойка выполнена из клеевой полимерной пленки, а внешняя изоляция каждого термоэлектрода образована двумя слоями пленки полимера, при этом толщина внешней изоляции 40 мкм, а высота ее наружного слоя не превышает толщину исследуемого объекта в месте установки датчика.

Поставленная задача достигается также тем, что датчик может содержать дополнительные термоэлектроды, при этом один из термоэлектродов является общим, а остальные в местах образования рабочих спаев ориентированы под углом к торцу общего термоэлектрода и установлены вдоль него с заданным шагом.

Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления датчика для измерения поверхностной температуры, включающем формирование неразъемного соединения термоэлектродов в виде полосок фольги, изоляционной прослойки между ними и внешней изоляции, и шлифование торцевой поверхности датчика для образования рабочего спая термопары, формирование неразъемного соединения осуществляют путем склеивания термоэлектродов с изоляционной прослойкой из клеевой полимерной пленки при заданном режиме и температуре, давлению и времени выдержки, обеспечивающем толщину прослойки после приклеивания 10 мкм, с последующим приклеиванием на термоэлектроды слоев внешней изоляции из пленки полимера, а шлифование торцевой поверхности ведут в приспособлении в виде разъемных плат из твердого сплава, в которых фиксируют датчик.

На фиг. 1 показано устройство датчика в одноточечном варианте; на фиг. 2,а в трех проекциях в многоточечном, а также показан вид датчика со стороны дополнительных термоэлектродов без внешней изоляции фиг. 2,б.

Датчик содержит термоэлектроды 1 и 2, полимерную изоляционную прослойку 3 между термоэлектродами, внешнюю изоляцию в виде двух слоев полимерной пленки 5 и 6, выводы от термоэлектродов 7 и 8 и термоспай 9.

Датчик встраивают, например, вклеивают в сквозной паз, выполненный в теле исследуемого объекта таким образом, чтобы термоспай 9 оказался на его поверхности. При этом расстояние от стенок паза до термоэлектродов составляет величину не менее 40 мкм. При такой толщине внешней изоляции становится невозможным попадание материала объекта на торец термоэлектрода, благодаря чему не может образоваться гальваническая связь между термоспаями группы датчиков, вмонтированных в объект. Попадание материала могло бы происходить при меньшей, чем 40 мкм, толщине изоляции во время шлифовки поверхности объекта после вклеивания датчиков, а также в тех случаях, когда измеряется температура поверхности трущейся пары.

Если нужно контролировать температуру поверхности тонкостенного элемента конструкции, то датчик благодаря своей эластичности (этому фактору максимально способствует наличие двух слоев внешней изоляции: один из них 5 максимально тонкий, а второй 6 не превышает толщину элемента в месте установки датчика) может быть вмонтирован заподлицо в поверхность элемента со стороны, противоположной той, где должен осуществляться контроль температуры.

Съем сигнала термопары осуществляется по выводам 7 и 8 из проводов, аналогичных по материалу термоэлектродам. Холодный спай образован при этом вне исследуемого объекта там, куда приходят выводы. Показания термопары пропорциональны поверхностной температуре в месте расположения термоконтакта 9. Даже если поверхность будет повергаться износу, например вследствие трения, то датчик сохраняет работоспособность.

Для увеличения разрешающей способности датчик может быть выполнен в многоточечном варианте, при этом один термоэлектрод 1 является общим, а остальные 2 дополнительными Общий термоэлектрод ориентирован таким образом, что профиль его бокового торца совпадает с поверхностью исследуемого объекта, а добавочные электроды отходят от него в местах образования термоспаев под разными (чаще всего прямыми, поскольку при этом их длина получается минимальной) углами в направлении к месту, где сделаны выводы. У многоточечного варианта датчика со стороны общего термоэлектрода 1 можно ограничиться только одним слоем изоляции 4, потому что ширина термоэлектрода невелика и, как правило, она всегда меньше толщины стенки элемента конструкции объекта исследования.

Способ изготовления датчиков осуществляется следующим образом. Берут полоски фольги, выполненной из термоэлектродных проводов, прокладывают между ними изоляционную прослойку из клеевой полимерной пленки, которая в процессе отверждения обладает способностью давать усадку и сохраняет после него эластичность. В качестве такой пленки, например, может быть использована клеевая пленка ПКС-171. Термоэлектроды через пленку совмещают таким образом, чтобы их взаимное расположение соответствовало желаемому устройству датчика: он может быть много- или одноточечным и должен иметь термоконтакты, а электроды выводы. После этого производят склеивание электродов в специальном приспособлении. Оно обеспечивает такой режим по давлению и температуре, при котором реализуются клеящие свойства пленки, а толщина прослойки между термоэлектродами после отверждения не превышает 10 мкм. Далее приклеивают с двух сторон дополнительные два слоя полимерной пленки. Образовавшуюся после склеивания заготовку датчика фиксируют в специальном приспособлении в виде разъемных плат из твердого сплава и производят шлифовку торца датчика до момента появления электрического контакта между термоэлектродами. Затем датчик освобождают из приспособления и приваривают к термоэлектродам выводные концы из проводов аналогичного электродам материала.