RU2131118C1

RU2131118C1 - Sensor of heat flow and process of its manufacture

Info

Publication number: RU2131118C1
Application number: RU97110347A
Authority: RU
Inventors: В.А. Слесарев; А.В. Озеров
Original assignee: Уфимский государственный авиационный технический университет
Priority date: 1997-06-17
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 1999-05-27

Abstract

FIELD: measurement technology, measurement of heat flow from moving medium to surface of solid body. SUBSTANCE: sensor of heat flow has calorimetric body in the form of cylinder. Annular groove forms two coaxial cylinders with common base in calorimetric body. Thermocouple is installed in internal cylinder. Calorimetric body has additional cone-shaped surface. Line of crossing of generatrices of cone-shaped surface and of elements of internal cylinder is located at distance δ =0.01-10.0 mm from heat absorbing surface. In accordance with process of manufacture of sensor of heat flow thermal electrodes of thermocouple are set in holes of calorimetric body. Then calorimetric body is deformed in axial direction. Deformation is carried out in area formed by crossing of normals to heat absorbing surface with specified surface. EFFECT: increased measurement accuracy and diminished sluggishness of sensor. 2 cl, 2 dwg

Description

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. The invention relates to devices for measuring heat fluxes, including non-stationary ones, in particular for measuring heat flux from a moving medium to the surface of a solid body. Perhaps its use for measuring surface temperature. The heat flow sensor can be used in all types of heat engines, heat-consuming and heat-transmitting devices and devices, as well as any objects whose operation is associated with heat transfer, which may be related to all areas of technology.

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. A known heat flux sensor [1], comprising a heat-conducting membrane mounted on the end face of the heat-conducting sleeve, a temperature difference sensor between the center of the membrane and the junction of the membrane with the sleeve located on the inside of the membrane, a cap made of heat-conducting material is fixed on the inner wall of the sleeve under the membrane with a gap made in the form of a glass, with an insert made of heat-insulating material installed in it from the side of the membrane. The disadvantage of this analogue is the presence of a noticeable measurement error due to the inertia of the sensor due to the need to heat the cap and insert. The disadvantage is the difficulty of ensuring reliable thermal contact between the cap and the sleeve, and at the same time, its exclusion between the membrane and the cap, the use of precious and semiprecious metals, structural complexity.

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. A heat flux sensor [2] is also known, which contains two thermocouple-forming conductors made of materials with different properties, and a thin plate made of a conductor or semiconductor and designed to be placed in the housing opposite the heat flux. Conductors are fixed at various points on the plate, which forms the hot junction of the thermocouple. This sensor is applicable for measuring the heat flux generated by pyrotechnic components.

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. In addition, a heat flux sensor [3] is known, including: a calorimeter made in the form of a copper disk, a thermosensitive element (for example, a thermocouple) attached to the inner surface of the disk, a heat reservoir that is isolated from the calorimeter by a heat-insulating pad, a heat-insulating sleeve, an insulating calorimeter from the model. Its disadvantage is the lack of measurement accuracy, due to the fact that the sensor is made of heterogeneous material, which leads to heterogeneity of the temperature field, heat transfer between the calorimeter and the insulating sleeve and the presence of significant temperature gradients. Insufficient measurement accuracy is also affected by the fact that the heat-sensitive element is not as close as possible to the heat-absorbing surface, therefore, the error in the measured temperature when solving the inverse heat conduction problem leads to an increase in the error in determining the heat flux.

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. A known heat flow sensor [4], consisting of a calorimetric mass, equipped with a heat-sensitive element mounted on the inner surface of the guard sleeve, heat-insulating rings separating the calorimetric mass, the guard sleeve and the housing, a heat-sensitive element attached to the guard sleeve to control the rate of its heating. This analogue has several disadvantages. This is insufficient measurement accuracy due to the inertia of the sensor due to the large distance of the thermocouple from the heat-absorbing surface, and therefore the increase in the error in solving the inverse heat conduction problem, and the need to ensure the same ratio of the active area to the heat capacity of the calorimetric mass and the guard sleeve. This low reliability when using a sensor to measure heat flux from environments with high pressure.

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. A known heat flow sensor and method of its manufacture [5]. The sensor contains a housing, a holder and a thermocouple, the insulated thermoelectrodes of which are installed without a gap in the openings of the housing, the housing is made with a supporting element located in the hot junction of the thermocouple, and the diameter of the housing is at least twice the distance from the hot layer of the thermocouple to the contact surface case, and with a voltage concentrator in the form of an annular groove and a manufacturing method by which thermocouple thermoelectrodes are installed in the holes of the case, and then the case is deformed in the axial direction, acting from the side opposite to the support element, and the magnitude of the axial deformation course is determined from the condition L = (1.15 - 1.25) d. The disadvantage of this analogue is the lack of measurement accuracy due to radial heat flows between the heat-absorbing surface and the holder.

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. The closest in technical essence and the achieved result to the declared one is a heat flux sensor [6], which contains a calorimetric body made of a heat-conducting material with an annular groove, which forms two coaxial cylinders with a common base, and a protective sleeve made of a calorimetric body material, between by which the heat-insulating rings and the thermocouple installed in the calorimetric body, in the inner cylinder, the wires of which are led out through the groove and located suspended on the surface of the calorimetric body. The disadvantage is the lack of measurement accuracy due to the location of the thermocouple at a considerable distance from the heat-absorbing surface, which will lead to an increase in the error in solving the inverse heat conduction problem to determine the specific heat flux and inertia due to the same. The maximum proximity of the thermocouple to the heat-absorbing surface in this design is prevented by the presence of a heat-insulating ring. Low reliability when using a sensor to measure heat flux from media with high pressure.

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. As well as the heat flux sensor and the method of its manufacture [7], consisting of a housing with a thermocouple embedded in it, located at a small distance from the heat-receiving surface. Thermocouple thermoelectrodes have heat-resistant insulation and are laid in the gap between the housing (calorimetric body) and the holder of the sensor, manufactured by installing thermocouples in the holes of the thermoelectrode body, making cavities in the body of the housing for stress concentration, located in the same plane with the hole for the thermocouple parallel to the contact surface of the device . After that, the casing is deformed in the axial direction with a magnitude of the deformation stroke equal to 1.15 - 1.25 of the diameter of the opening of the housing, the cavity for stress concentration is made in the form of holes, the diameter of each of which is equal to the course of deformation. The disadvantage of this analogue is the insufficient measurement accuracy due to radial heat flows between the heat-receiving surface and the holder, as well as the heterogeneity of the material structure in the plane of the thermocouples parallel to the heat-receiving surface, caused by drilling additional holes for the deformation.

Задачей данного изобретения является повышение точности измерения теплового потока и уменьшение инерционности датчика теплового потока. The objective of the invention is to increase the accuracy of measuring the heat flux and reducing the inertia of the heat flux sensor.

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 δ = 0.01 - 10 мм от тепловоспринимающей поверхности. Угол пересечений образующих конусообразной и цилиндрической поверхностей равен 5 - 45^o. Чем меньше расстояние δ, тем меньше площадь соприкосновения внутренней части калориметрического тела, ограниченной внутренним цилиндром, и наружной части калориметрического тела, и тем меньше, следовательно, радиальные тепловые потоки, проходящие через эту поверхность соприкосновения. Конусообразная поверхность калориметрического тела выполнена с целью сведения к минимуму площади, которая в прототипе является основанием цилиндра, образованного кольцевой проточкой, т. е. той части внутренней поверхности калориметрического тела, которая удалена от тепловоспринимающей поверхности на расстояние δ. Это способствует уменьшению радиальных градиентов температуры вблизи тепловоспринимающей поверхности калориметрического тела и, обеспечению одинакового отношения активной площади к теплоемкости у калориметрической массы внешней части и внутреннего цилиндра калориметрического тела, обеспечивающей теплоотвод в поверхность одинаковым образом как во внутреннем цилиндре калориметрического тела, так и во внешней его части.The problem is solved in that the heat flux sensor contains a calorimetric body in the form of a cylinder that implements a one-dimensional model of heat transfer, having an annular groove forming two coaxial cylinders with a common base in it, and a thermocouple installed in the inner cylinder. An annular groove serves to reduce heat inflows from the side of the cylindrical surface of the inner cylinder of the calorimetric body. Unlike the prototype, the thermocouple is located in the maximum proximity to the heat-absorbing surface to ensure minimal inertia of the sensor. Limitations on the proximity of the location of thermoelectrodes to a heat-absorbing surface are associated with strength requirements to prevent destruction of the sensor, in particular extrusion of the inner cylinder of the calorimetric body during the measurement process. The calorimetric body has a cone-shaped surface near the heat-receiving one, passing into the cylindrical surface of the outer external cylinder of the calorimetric body. In this case, the line of intersection of the generators of the cone-shaped surface and the generators of the inner cylinder of the calorimetric body is located at a distance of δ = 0.01 - 10 mm from the heat-receiving surface. The intersection angle of the generatrices of the conical and cylindrical surfaces is 5 - 45 ^o . The smaller the distance δ, the smaller the contact area of the inner part of the calorimetric body bounded by the inner cylinder and the outer part of the calorimetric body, and the smaller, therefore, the radial heat flux passing through this contact surface. The cone-shaped surface of the calorimetric body is designed to minimize the area, which in the prototype is the base of the cylinder formed by an annular groove, that is, that part of the inner surface of the calorimetric body that is removed from the heat-receiving surface by a distance of δ. This helps to reduce the radial temperature gradients near the heat-absorbing surface of the calorimetric body and to ensure the same ratio of active area to heat capacity of the calorimetric mass of the outer part and the inner cylinder of the calorimetric body, which provides heat removal to the surface in the same way both in the inner cylinder of the calorimetric body and in its outer part .

Кроме того, поставленная задача достигается также способом изготовления датчика теплового потока, по которому термоэлектроды термопары устанавливают в отверстия калориметрического тела, расположенные параллельно тепловоспринимающей поверхности датчика, после чего калориметрическое тело деформируют в осевом направлении, в отличие от прототипа для максимального возможного сохранения однородности и структуры материала в сечении калориметрического тела, где расположены термоэлектроды, деформацию материала со стороны термовоспринимающей поверхности выполняют только в области, образованной пересечением нормалей к тепловоспринимающей поверхности с указанной поверхностью, проходящих через отверстия в калориметрическом теле. Степень деформации определяется надежным тепловым контактом между термоэлектродами и стенками деформированных отверстий, где эти термоэлектроды расположены, и плотным соприкосновением противоположных сторон отверстий, где термоэлектродов нет. Затем тепловоспринимающую поверхность шлифуют, добиваясь удаления вмятин, образованных после деформации, и шлифование продолжают до тех пор, пока расстояние δ от тепловоспринимающей поверхности до линии пересечения образующих конусообразной поверхности и внутреннего цилиндра калориметрического тела не достигнет заранее выбранного значения в пределах 0.01 - 10 мм. In addition, the task is also achieved by a method of manufacturing a heat flux sensor, according to which thermocouple thermoelectrodes are installed in the holes of the calorimetric body parallel to the heat-sensitive surface of the sensor, after which the calorimetric body is deformed in the axial direction, in contrast to the prototype for the maximum possible preservation of uniformity and structure of the material in the section of the calorimetric body where the thermoelectrodes are located, the deformation of the material from the side of the thermal sensing ayuschey surfaces operate only in the region formed by the intersection of the normals to the heat reception surface with said surface, extending through holes in calorimetric body. The degree of deformation is determined by reliable thermal contact between the thermoelectrodes and the walls of the deformed holes where these thermoelectrodes are located, and by the tight contact of the opposite sides of the holes where there are no thermoelectrodes. Then, the heat-absorbing surface is ground, achieving the removal of dents formed after deformation, and grinding is continued until the distance δ from the heat-receiving surface to the line of intersection of the generatrices of the conical surface and the inner cylinder of the calorimetric body reaches a predetermined value in the range of 0.01 - 10 mm.

На фиг. 1 изображен датчик теплового потока, на фиг. 2 схема - способа изготовления датчика. In FIG. 1 shows a heat flow sensor, FIG. 2 diagram - a method of manufacturing a sensor.

Датчик содержит калориметрическое тело 1, состоящее из внутреннего цилиндра 2 и внешней части 3 с общим основанием, в котором выполнена проточка 4, состоящая из двух частей - кольцевой и конусообразной, обоймы 5 с отверстием для подвода термоэлектродов 6 в термостойкой изоляции 7, концы которых установлены в калориметрическом теле 1 параллельно тепловоспринимающей поверхности 8. The sensor contains a calorimetric body 1, consisting of an inner cylinder 2 and an outer part 3 with a common base, in which a groove 4 is made, consisting of two parts - annular and conical, casing 5 with an opening for supplying thermoelectrodes 6 in heat-resistant insulation 7, the ends of which are installed in the calorimetric body 1 parallel to the heat transfer surface 8.

Основное назначение датчика теплового потока - определение величины теплового потока, поступающего через тепловоспринимающую поверхность 8 во внутренний цилиндр 2 калориметрического тела 1. Датчик теплового потока способен измерять тепловые потоки как установившиеся, так и изменяющиеся во времени. Косвенное назначение датчика, вытекающее из основного, заключается в определении температуры калориметрического тела 1 в максимальной близости от тепловоспринимающей поверхности 8. С этой точки зрения датчик теплового потока служит датчиком температуры поверхности калориметрического тела 1. The main purpose of the heat flux sensor is to determine the magnitude of the heat flux entering through the heat-absorbing surface 8 into the inner cylinder 2 of the calorimetric body 1. The heat flux sensor is capable of measuring heat fluxes, both steady-state and time-varying. The indirect purpose of the sensor, which follows from the main one, is to determine the temperature of the calorimetric body 1 in the maximum proximity to the heat-absorbing surface 8. From this point of view, the heat flux sensor serves as a temperature sensor for the surface temperature of the calorimetric body 1.

Для определения теплового потока по результатам термометрирования используется одномерная математическая модель, как одна из наиболее точных. При разработке датчика теплового потока необходимо обеспечить наиболее полное соответствие реальной конструкции и математической модели. Технические решения, приведенные ниже, служат именно этой цели. To determine the heat flux from the results of thermometry, a one-dimensional mathematical model is used, as one of the most accurate. When developing a heat flux sensor, it is necessary to ensure the most complete correspondence between the real design and the mathematical model. The technical solutions below serve just this purpose.

Кольцевая проточка 4 служит для уменьшения теплопритоков со стороны поверхности внутреннего цилиндра 2 калориметрического тела 1 за счет теплоизолирующего эффекта воздуха, заполняющего его. The annular groove 4 serves to reduce heat inflows from the surface of the inner cylinder 2 of the calorimetric body 1 due to the heat-insulating effect of the air filling it.

Калориметрическое тело 1 имеет конусообразную поверхность вблизи тепловоспринимающей 8, переходящей в цилиндрическую поверхность внешней части 3 калориметрического тела 1. При этом линия пересечения образующих конусообразной поверхности и образующих внутреннего цилиндра 2 калориметрического тела 1 расположена на малом на расстоянии δ = 0.01 - 10 мм от тепловоспринимающей поверхности 8. Таким образом, площадь соприкосновения внутреннего цилиндра 2 калориметрического тела 1 и наружной части 3 калориметрического тела 1 будет равна F = dπδ, где d - диаметр внутреннего цилиндра 2 калориметрического тела, δ - расстояние от тепловоспринимающей поверхности 8 до линии пересечения образующих внутреннего цилиндра 2 и конусообразной поверхности калориметрического тела 1. Минимальность δ обозначает минимальность F и, следовательно, минимальность радиальных тепловых потоков между внутренним цилиндром 2 и внешней частью 3 калориметрического тела 1. Сходство формирования температурных полей во внутреннем цилиндре 2 и внешней части 3 калориметрического тела 1 и, что особенно важно, минимальная площадь соприкосновения между ними сводят к минимуму погрешность определения теплового потока, проходящего через внутренний цилиндр 2 калориметрического тела 1, вызванную отличием реального температурного поля от одномерного, лежащего в основе математической модели распространения теплоты. The calorimetric body 1 has a cone-shaped surface near the heat-sensing 8, which passes into the cylindrical surface of the outer part 3 of the calorimetric body 1. The intersection line of the generators of the conical surface and the inner cylinder 2 of the calorimetric body 1 is located at a small distance δ = 0.01 - 10 mm from the heat-receiving surface 8. Thus, the contact area of the inner cylinder 2 of the calorimetric body 1 and the outer part 3 of the calorimetric body 1 will be F = dπδ, where d - the diameter of the inner cylinder 2 of the calorimetric body, δ is the distance from the heat-absorbing surface 8 to the line of intersection of the generatrices of the inner cylinder 2 and the cone-shaped surface of the calorimetric body 1. Minimum δ means the minimum F and, therefore, the minimum radial heat flux between the inner cylinder 2 and the outer part 3 of the calorimetric body 1. The similarity of the formation of temperature fields in the inner cylinder 2 and the outer part 3 of the calorimetric body 1 and, most importantly, the minimum the contact area between them minimizes the error in determining the heat flux passing through the inner cylinder 2 of the calorimetric body 1, caused by the difference between the real temperature field and the one-dimensional one that underlies the mathematical model of heat propagation.

В прототипе кольцевая проточка между внутренним и наружным цилиндром, образующая полый цилиндр, имеет плоское основание вблизи тепловоспринимающей поверхности. Прогрев или охлаждение поверхности стенки, заключенной между тепловоспринимающей поверхностью и этим основанием, будет происходить намного быстрее, чем поверхность, которая заключена внутри линии пересечения образующих внутреннего цилиндра с тепловоспринимающей поверхностью, а также вне линии пересечения наружного цилиндра с той же поверхностью. Это является причиной значительных радиальных температурных градиентов вблизи поверхности, что искажает одномерную модель распространения теплоты. Для уменьшения этих радиальных градиентов температуры выполнена конусообразная поверхность внешней части 3 калориметрического тела 1. При этом практически сведена к минимуму площадь, которая в прототипе является основанием цилиндра, образованного кольцевой проточкой, т.е. та часть внутренней поверхности калориметрического тела, которая удалена от тепловоспринимающей поверхности на расстояние δ. Это означает, что внешняя часть 3 калориметрического тела 1 практически на всей площади контакта с тепловоспринимающей поверхностью 8 имеет массивную часть, обеспечивающую теплоотвод или теплоподвод в поверхность, аналогично тому, как это происходит во внутреннем цилиндре 2 калориметрического тела 1. In the prototype, an annular groove between the inner and outer cylinders forming a hollow cylinder has a flat base near the heat-receiving surface. The heating or cooling of the wall surface enclosed between the heat-absorbing surface and this base will occur much faster than the surface that is enclosed inside the line of intersection of the generators of the inner cylinder and the heat-receiving surface, as well as outside the line of intersection of the outer cylinder with the same surface. This is the reason for significant radial temperature gradients near the surface, which distorts the one-dimensional model of heat propagation. To reduce these radial temperature gradients, a cone-shaped surface of the outer part 3 of the calorimetric body 1 is made. In this case, the area which in the prototype is the base of the cylinder formed by an annular groove is practically minimized. that part of the inner surface of the calorimetric body that is removed from the heat-absorbing surface by a distance of δ. This means that the outer part 3 of the calorimetric body 1 practically over the entire area of contact with the heat-absorbing surface 8 has a massive part that provides heat removal or heat supply to the surface, similar to how it happens in the inner cylinder 2 of the calorimetric body 1.

Датчик работает следующим образом. Тепловоспринимающая поверхность 8 монтируется вровень с поверхностью объекта. Тепловой поток от среды проходит через тепловоспринимающую поверхность 8 калориметрического тела 1, при этом регистрируется температура в сечении, где установлены термопары 7, которая может изменяться во времени, а может и сохранять постоянное значение. Измеренное значение температуры является основной для определения теплового потока из решения обратной задачи теплопроводности, который также может изменяться во времени или сохранять постоянное значение, в том числе и равное нулю. The sensor operates as follows. The heat-absorbing surface 8 is mounted flush with the surface of the object. The heat flux from the medium passes through the heat-absorbing surface 8 of the calorimetric body 1, while the temperature is recorded in the section where the thermocouples 7 are installed, which can vary in time, or can keep a constant value. The measured temperature value is the basis for determining the heat flux from solving the inverse heat conduction problem, which can also change in time or maintain a constant value, including zero.

Пример конкретного выполнения способа. An example of a specific implementation of the method.

Берется цилиндрическое тело из материала объекта, диаметром 40 мм. Известным способом изготавливают обойму 2 с внутренним диаметром 16 мм и заготовку калориметрического тела 1 с диаметром тепловоспринимающей поверхности 8, равным 24 мм, и толщину внешней части 3 калориметрического тела 1, равной 7.5 мм. В заготовке калориметрического тела 1 сверлят кольцевую проточку 4, глубиной 2.5 мм, наружным диаметром 16 мм и внутренним диаметром 8 мм, затем в продолжение кольцевой проточки сверлят конусообразную проточку под углом 45^o, глубиной 4 мм. С наружной стороны калориметрического тела 1 сверлят два глубоких отверстия 9, диаметром 0.5 мм параллельно тепловоспринимающей поверхности 8 и на расстоянии от нее, равном 1.25 мм, глубиной 10 мм. После чего термоэлектроды 6, одним из которых является хромель, другим алюмель, диаметром 0.3 мм, располагают в отверстиях 9, находящихся во внутреннем цилиндре 2 калориметрического тела 1 через проточку 4, и производят деформацию тепловоспринимающей поверхности 8 в осевом направлении в области, образованной пересечением нормалей к тепловоспринимающей поверхности 8 с указанной поверхностью, проходящей через отверстия 9 в калориметрическом теле 1, причем для отверстий 9, расположенных во внутреннем цилиндре 2 калориметрического тела 1 глубина деформации не менее 0.22 - 0.26 мм для обеспечения надежного теплового контакта между термоэлектродами 7 и калориметрическим телом 1, а для отверстий 9 во внешней части 3 калориметрического тела 1 глубина деформации до плотного соприкосновения противоположных сторон этих отверстий. Затем тепловоспринимающую поверхность 8 шлифуют для устранения вмятин и доведения расстояния δ до величины 0.3 мм. Устанавливают обойму 5 на калориметрическое тело 1 с тыльной стороны, предварительно пропустив термоэлектроды 6 через отверстие в обойме 5, и заваривают фольгой при помощи конденсаторной сварки кольцевую щель между калориметрическим телом 1 и обоймой 5.A cylindrical body is taken from the material of the object, with a diameter of 40 mm. In a known manner, a ferrule 2 with an inner diameter of 16 mm and a blank of a calorimetric body 1 with a diameter of the heat-absorbing surface 8 of 24 mm and a thickness of the outer part 3 of the calorimetric body 1 of 7.5 mm are made. In the blank of the calorimetric body 1, an annular groove 4 is drilled with a depth of 2.5 mm, an outer diameter of 16 mm and an inner diameter of 8 mm, then a conical groove is drilled at an angle of 45 ^o , a depth of 4 mm during the annular groove. On the outside of the calorimetric body 1, two deep holes 9 are drilled, with a diameter of 0.5 mm, parallel to the heat-absorbing surface 8 and at a distance from it equal to 1.25 mm and a depth of 10 mm. Then the thermoelectrodes 6, one of which is chromel, the other alumel, with a diameter of 0.3 mm, are placed in the holes 9 located in the inner cylinder 2 of the calorimetric body 1 through the groove 4, and the heat-absorbing surface 8 is deformed in the axial direction in the region formed by the intersection of the normals to the heat-absorbing surface 8 with the specified surface passing through the holes 9 in the calorimetric body 1, and for holes 9 located in the inner cylinder 2 of the calorimetric body 1 depth a strain of at least 0.22 - 0.26 mm to ensure reliable thermal contact between the thermoelectrodes 7 and the calorimetric body 1, and for holes 9 in the outer part 3 of the calorimetric body 1, the depth of deformation to the tight contact of the opposite sides of these holes. Then, the heat-absorbing surface 8 is ground to eliminate dents and bring the distance δ to a value of 0.3 mm. Install the clip 5 on the calorimetric body 1 on the back side, after passing the thermoelectrodes 6 through the hole in the clip 5, and weld a foil using capacitor welding ring gap between the calorimetric body 1 and the clip 5.

Итак, заявленное изобретение позволяет повысить точность измерения теплового потока и уменьшить инерционность датчика. So, the claimed invention allows to increase the accuracy of measuring the heat flux and reduce the inertia of the sensor.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1509635, G 01 K 17/06, опубликовано в 1989 году.Sources of information
1. USSR author's certificate N 1509635, G 01 K 17/06, published in 1989.

2. Патент Франции N 2706610, G 01 K 17/00, опубликовано в 1994 году. 2. French Patent N 2706610, G 01 K 17/00, published in 1994.

3. Авторское свидетельство СССР N 322661, G 01 K 17/08, опубликовано в 1971 году. 3. USSR author's certificate N 322661, G 01 K 17/08, published in 1971.

4. Авторское свидетельство СССР N 301573, G 01 K 17/20, опубликовано в 1971 году. 4. USSR author's certificate N 301573, G 01 K 17/20, published in 1971.

5. Авторское свидетельство СССР N 1201689, G 01 K 17/02, опубликовано в 1984 году. 5. The author's certificate of the USSR N 1201689, G 01 K 17/02, published in 1984.

6. Авторское свидетельство СССР N 1206633, G 01 K 17/20, опубликовано в 1986 году. 6. USSR author's certificate N 1206633, G 01 K 17/20, published in 1986.

7. Авторское свидетельство СССР N 1415077, G 01 K 17/02, опубликовано в 1988 году. 7. Copyright certificate of the USSR N 1415077, G 01 K 17/02, published in 1988.

Claims

1. The heat flux sensor containing a calorimetric body in the form of a cylinder, having an annular groove forming two coaxial cylinders with a common base, and a thermocouple installed in the inner cylinder, characterized in that the calorimetric body additionally has a conical surface, and the line of intersection of the generatrix the conical surface and the generatrix of the cylindrical surface of the inner cylinder of the calorimetric body is located at a distance of δ = 0.01 - 10 mm from the heat-receiving surface , and the angle between the generators of the conical and cylindrical surfaces is 5 - 45 ^o .

2. A method of manufacturing a heat flux sensor according to claim 1, in which thermocouple thermoelectrodes are installed in holes of the calorimetric body parallel to the heat-sensitive surface of the sensor, then the calorimetric body is deformed in the axial direction, characterized in that the axial deformation is performed in the region formed by the intersection normals to the heat-absorbing surface with the specified surface passing through holes in the calorimetric body, then the heat-receiving surface grind to remove dents and at the same time during the grinding process control the distance from the surface to the line of intersection of the generatrices of the conical surface and the cylindrical surface of the inner cylinder of the calorimetric body.