датчик теплового потока и способ его изготовления
Классы МПК: | G01K17/20 по сечению излучающей поверхности в сочетании с измерением коэффициента теплопередачи G01K7/02 с использованием термоэлектрических элементов, например термопар |
Автор(ы): | Слесарев В.А., Озеров А.В. |
Патентообладатель(и): | Уфимский государственный авиационный технический университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
1997-06-17 публикация патента:
27.05.1999 |
Изобретение относится к устройствам для измерения тепловых потоков, в том числе нестационарных, в частности для измерения теплового потока от движущейся среды к поверхности твердого тела. Возможно его применение для измерения температуры поверхности. Датчик теплового потока содержит калориметрическое тело в форме цилиндра. Кольцевая проточка образует в калориметрическом теле два коаксиальных цилиндра с общим основанием. Во внутреннем цилиндре установлена термопара. Калориметрическое тело дополнительно имеет конусообразную поверхность. Линия пересечения образующих конусообразной поверхности и образующих внутреннего цилиндра расположена на расстоянии
= 0,01 - 10 мм от тепловоспринимающей поверхности. Способ изготовления датчика теплового потока заключается в том, что термоэлектроды термопары устанавливают в отверстия калориметрического тела. Затем калориметрическое тело деформируют в осевом направлении. Деформацию выполняют в области, образованной пересечением нормалей к тепловоспринимающей поверхности с указанной поверхностью. Благодаря такому выполнению датчика достигается повышение точности измерения и уменьшение инерционности датчика. 2 с.з.п.ф-лы, 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2

Формула изобретения
1. Датчик теплового потока, содержащий калориметрическое тело в форме цилиндра, имеющее кольцевую проточку, образующую в нем два коаксиальных цилиндра с общим основанием, и термопару, установленную во внутреннем цилиндре, отличающийся тем, что калориметрическое тело дополнительно имеет конусообразную поверхность, причем линия пересечения образующих конусообразной поверхности и образующих цилиндрической поверхности внутреннего цилиндра калориметрического тела расположена на расстоянии
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к устройствам для измерения тепловых потоков, в том числе нестационарных, в частности для измерения теплового потока от движущейся среды к поверхности твердого тела. Возможно его применение для измерения температуры поверхности. Датчик теплового потока может быть использован в тепловых двигателях всех типов, теплоиспользующих и теплопередающих аппаратах и устройствах, а также любых объектах, эксплуатация которых связана с теплообменом, что может иметь отношение ко всем областям техники. Известен датчик теплового потока [1], содержащий теплопроводную мембрану, установленную на торце теплопроводной гильзы, датчик разности температур между центром мембраны и местом соединения мембраны с гильзой, расположенной с внутренней стороны мембраны, на внутренней стенке гильзы под мембраной с зазором закреплен колпачок из теплопроводного материала, выполненный в виде стакана, с установленным в нем со стороны мембраны вкладышем из теплоизоляционного материала. Недостатком данного аналога является наличие заметной погрешности измерения, обусловленной инерцией датчика из-за необходимости прогрева колпачка и вкладыша. Недостатком также является сложность обеспечения надежного теплового контакта колпачка и гильзы, и в то же время его исключение между мембраной и колпачком, применение драгоценных и полудрагоценных металлов, конструктивная сложность. Известен также датчик теплового потока [2], содержащий два образующих термопару проводника, изготовленных из материалов с различными свойствами, и тонкую пластинку, изготовленную из проводника или полупроводника и предназначенную для размещения в корпусе напротив теплового потока. В различных точках пластинки, которая образует горячий спай термопары, закреплены проводники. Данный датчик применим для измерения теплового потока, создаваемого пиротехническими компонентами. Кроме того, известен датчик теплового потока [3], включающий в себя: калориметр, выполненный в виде медного диска, термочувствительный элемент (например термопару), прикрепленный к внутренней поверхности диска, теплового резервуара, который изолируется от калориметра теплоизоляционной прокладкой, теплоизоляционной втулкой, изолирующей калориметр от модели. Его недостатком является недостаточная точность измерения, обусловленная тем, что датчик выполнен из разнородного материала, что ведет к неоднородности температурного поля, теплообмену между калориметром и теплоизоляционной втулкой и наличию значительных градиентов температуры. На недостаточную точность измерения влияет также то, что термочувствительный элемент максимально не приближен к тепловоспринимающей поверхности, поэтому погрешность измеренной температуры при решении обратной задачи теплопроводности приводит к росту погрешности в определении теплового потока. Известен датчик теплового потока [4], состоящий из калориметрической массы, снабженной термочувствительным элементом, закрепленным на внутренней поверхности, охранной втулки, теплоизоляционных колец, разделяющих калориметрическую массу, охранную втулку и корпус, термочувствительного элемента, прикрепленного к охранной втулке для контроля темпа ее нагрева. Данный аналог обладает рядом недостатков. Это недостаточная точность измерения, обусловленная инерционностью датчика ввиду большого удаления термопары от тепловоспринимающей поверхности, а следовательно, и увеличение погрешности при решении обратной задачи теплопроводности, и необходимостью обеспечения одинакового отношения активной площади к теплоемкости у калориметрической массы и у охранной втулки. Эта невысокая надежность при применении датчика для измерения теплового потока от сред с повышенным давлением. Известен датчик теплового потока и способ его изготовления [5]. Датчик содержит корпус, обойму и термопару, изолированные термоэлектроды которой установлены без зазора в отверстия корпуса, корпус выполнен с опорным элементом, расположенный в зоне горячего спая термопары, причем диаметр корпуса не менее чем в два раза превышает расстояние от горячего слоя термопары и до контактной поверхности корпуса, и с концентратором напряжения в виде кольцевой канавки и способ изготовления, по которому термоэлектроды термопары устанавливаются в отверстия корпуса, и затем корпус деформируют в осевом направлении, воздействуя со стороны, противоположной опорному элементу, причем величину хода осевого деформирования определяют из условия L = (1.15 - 1.25)d. Недостатком данного аналога является недостаточная точность измерения, обусловленная радиальными перетоками тепла между тепловоспринимающей поверхностью и обоймой. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является датчик теплового потока [6], содержащий размещенные в корпусе калориметрическое тело из теплопроводного материала с кольцевой проточкой, образующей в нем два коаксиальных цилиндра с общим основанием, и охранную втулку из материала калориметрического тела, между которыми и корпусом размещены теплоизоляционные кольца, и термопару, установленную в калориметрическом теле, во внутреннем цилиндре, провода которой выведены через проточку и расположенные на поверхности калориметрического тела. Недостатком является недостаточная точность измерения, обусловленная расположением термопары на значительном удалении от тепловоспринимающей поверхности, что приведет к увеличению погрешности при решении обратной задачи теплопроводности для определения удельного теплового потока и инерционности, обусловленной тем же. Максимальному приближению термопары к тепловоспринимающей поверхности в данной конструкции препятствует наличие теплоизоляционного кольца. Невысокая надежность при применении датчика для измерения теплового потока от сред с повышенным давлением. А также датчик теплового потока и способ его изготовления [7], состоящий из корпуса с заделанной в него термопарой, находящейся на малом удалении от тепловоспринимающей поверхности. Термоэлектроды термопары имеют термостойкую изоляцию и прокладываются в зазоре между корпусом (калориметрическим телом) и обоймой датчика, изготавливаемого путем установки в отверстия корпуса термоэлектродов термопары, выполнения в теле корпуса полостей для концентрации напряжений, расположенных в одной плоскости с отверстием для термопары, параллельной контактной поверхности устройства. После чего корпус деформируют в осевом направлении с величиной хода деформации, равной 1.15 - 1.25 диаметра отверстия корпуса, полости для концентрации напряжений выполнены в виде отверстий, диаметр, каждого из которых равен ходу деформирования. Недостатком данного аналога является недостаточная точность измерения, обусловленная радиальными перетоками тепла между тепловоспринимающей поверхностью и обоймой, а также неоднородностью структуры материала в плоскости расположения термопар, параллельной тепловоспринимающей поверхности, вызванной высверливанием дополнительных отверстий для хода деформации. Задачей данного изобретения является повышение точности измерения теплового потока и уменьшение инерционности датчика теплового потока. Поставленная задача решается тем, что датчик теплового потока содержит калориметрическое тело в форме цилиндра, реализующее одномерную модель передачи теплоты, имеющее кольцевую проточку, образующую в нем два коаксиальных цилиндра с общим основанием, и термопару, установленную во внутреннем цилиндре. Кольцевая проточка служит для уменьшения теплопритоков со стороны цилиндрической поверхности внутреннего цилиндра калориметрического тела. В отличие от прототипа термопару располагают в максимальной близости от тепловоспринимающей поверхности для обеспечения минимальной инерционности датчика. Ограничения на близость расположения термоэлектродов к тепловоспринимающей поверхности связаны с требованиями по прочности, для предотвращения разрушения датчика, в частности выдавливания внутреннего цилиндра калориметрического тела в процессе измерения. Калориметрическое тело имеет конусообразную поверхность вблизи тепловоспринимающей, переходящую в цилиндрическую поверхность наружного внешнего цилиндра калориметрического тела. При этом линия пересечения образующих конусообразной поверхности и образующих внутреннего цилиндра калориметрического тела расположена на расстоянии










1. Авторское свидетельство СССР N 1509635, G 01 K 17/06, опубликовано в 1989 году. 2. Патент Франции N 2706610, G 01 K 17/00, опубликовано в 1994 году. 3. Авторское свидетельство СССР N 322661, G 01 K 17/08, опубликовано в 1971 году. 4. Авторское свидетельство СССР N 301573, G 01 K 17/20, опубликовано в 1971 году. 5. Авторское свидетельство СССР N 1201689, G 01 K 17/02, опубликовано в 1984 году. 6. Авторское свидетельство СССР N 1206633, G 01 K 17/20, опубликовано в 1986 году. 7. Авторское свидетельство СССР N 1415077, G 01 K 17/02, опубликовано в 1988 году.
Класс G01K17/20 по сечению излучающей поверхности в сочетании с измерением коэффициента теплопередачи
Класс G01K7/02 с использованием термоэлектрических элементов, например термопар