RU9959U1

RU9959U1 - HEAT FLOW SENSOR

Info

Publication number: RU9959U1
Application number: RU98115419U
Authority: RU
Inventors: Н.П. Дивин
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный технический университет
Priority date: 1998-08-10
Filing date: 1998-08-10
Publication date: 1999-05-16

Description

ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКАHEAT FLOW SENSOR

Пастоящая полезная модель относится к области тепловых измерений и может быть использована при определении величины теплового потока в газовых, жидких и твердых средах, а также на границе раздела этих сред и в областях многофазного и многокомпонентного состава. Датчик теплового потока можно, в частности, использовать для определения тепловых потерь на поверхностях стен, теплоизолированных помещений и трубопроводов, в задачах калориметрии, анемометрии и т.д.The real utility model relates to the field of thermal measurements and can be used to determine the magnitude of the heat flux in gas, liquid, and solid media, as well as at the interface between these media and in areas of multiphase and multicomponent composition. The heat flux sensor can, in particular, be used to determine heat loss on the surfaces of walls, insulated rooms and pipelines, in calorimetry, anemometry, etc.

Известен датчик теплового потока, предложенный Гайлингом (L. Gelling, Das Thermoelement als StraMungsmesser. Zschr. f. angew. Phys., Bd.3.12, 1951). Он представляет собой пластину, состоящую из последовательно чередующихся термоэлектродных материалов (например, меди и константана). Границы раздела слоев наклонены под углом 20-45° к плоскостям датчика. Когда тепловой поток проходит через сечение датчика, между верхней и нижней его поверхностями возникает разность температур, возбуждающая термо-эдс, способную накапливаться вдоль поверхностей датчика. Величина термо-э.д.с. при этом линейно связана с температурным градиентом и, следовательно, с величиной теплового потока.A known heat flux sensor proposed by Giling (L. Gelling, Das Thermoelement als StraMungsmesser. Zschr. F. Angew. Phys., Bd.3.12, 1951). It is a plate consisting of sequentially alternating thermoelectrode materials (for example, copper and constantan). The layer boundaries are inclined at an angle of 20-45 ° to the planes of the sensor. When the heat flux passes through the cross section of the sensor, a temperature difference arises between its upper and lower surfaces, exciting a thermo-emf that can accumulate along the sensor surfaces. The value of thermo-emf. in this case, it is linearly related to the temperature gradient and, therefore, to the magnitude of the heat flux.

Недостатком датчика Гайлинга является то, что его удается практически использовать лишь тогда, когда он вьшолнен из материалов с резко различными тепловыми, термоэлектрическими свойствами и устойчив к нагреву и охлаждению. Кроме того, создание многослойной системы пластин представляет самостоятельную и сложную технологическую задачу.The disadvantage of the Geiling sensor is that it can only be used when it is made of materials with sharply different thermal, thermoelectric properties and is resistant to heating and cooling. In addition, the creation of a multilayer system of plates is an independent and complex technological task.

Паиболее близким по технической сущности предлагаемой полезной модели является датчик теплового потока, вьшолненный из анизотропных термоэлементов (Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник /Л.И. Анатычук. - Киев: Наук.думка, 1979.-С. 664). Датчик представляет собой спираль, образованную системой прорезей в тодпцине полого бруска из термоэлектрического материала. Каждый виток спирали рассматривается как четьфе последовательно включенных термоэлемента. Тепловой поток подводится к внутренней поверхности датчика, проходит через термоэлементы, образующие его стенки, и поглощается термостатированной оболочкой из теплопроводного материала.The closest in technical essence of the proposed utility model is a heat flux sensor made of anisotropic thermoelements (Thermoelements and thermoelectric devices: Reference book / L.I. Anatychuk. - Kiev: Nauk.Dumka, 1979.- P. 664). The sensor is a spiral formed by a system of slots in the todzcin of a hollow bar of thermoelectric material. Each coil of a spiral is considered as a couple of series-connected thermocouples. The heat flux is supplied to the inner surface of the sensor, passes through the thermocouples forming its walls, and is absorbed by a thermostatically controlled shell of heat-conducting material.

Недостатком выбранного прототипа является то, что он не позволяет измерять тепловой поток произвольного направления. Кроме того, вырастить монокристаллическую спираль весьма сложно, а система прорезей ослабляет конструкцию и снижает ее надежность. Короткие части витков спирали включены встречно по отношению к длинным, что снижает чувствительность датчика теплового потока.The disadvantage of the selected prototype is that it does not allow to measure the heat flux of an arbitrary direction. In addition, it is very difficult to grow a single-crystal spiral, and the slot system weakens the structure and reduces its reliability. The short parts of the coils of the spiral are included counter to the long ones, which reduces the sensitivity of the heat flux sensor.

Целью данной полезной модели является повышение эффективности измерения теплового потока, технологичности производства датчика и расширение возможностей применения его при разнообразных тепловых измерениях.The purpose of this utility model is to increase the efficiency of measuring the heat flux, the manufacturability of the sensor and expanding the possibilities of its use in a variety of thermal measurements.

Для решения поставленной задачи предложен датчик, содержащий пластину, вьшолненную в виде батареи анизотропных термоэлементов, расположенных параллельно друг другу, разделенных вдоль больших сторон электроизолируюпщми слоями, соединенных элементами коммутации последовательно с чередованием по.11ярности и установленных на электроизолирующей подложке, причем крайниеTo solve this problem, a sensor is proposed that contains a plate made in the form of a battery of anisotropic thermocouples located parallel to each other, separated along large sides by electrically insulating layers, connected by switching elements in series with alternating 11-pole alternations and mounted on an electrically insulating substrate,

термоэлементы снабжены токосъемными проводниками.thermocouples are equipped with collectors.

При параллельном расположении анизотропных элементов и их последовательном соединении возможно измерение теплового потока любой природы и плотности от 10 до 10 Вт/м. В такой конструьсции исключается встречное включение термоэлементов и, следовательно, чувствительность датчика теплового потока не снижается.With a parallel arrangement of anisotropic elements and their series connection, it is possible to measure the heat flux of any nature and density from 10 to 10 W / m. In such a design, counter-inclusion of thermocouples is excluded and, therefore, the sensitivity of the heat flux sensor is not reduced.

Наличие электроизолирующей подложки делает конструкцию надежной и стойкой к механическим нагрузкам, что позволяет изменять размеры и форму датчиков и применять их при разнообразных тепловых измерениях.The presence of an electrically insulating substrate makes the design reliable and resistant to mechanical loads, which allows you to change the size and shape of the sensors and apply them for a variety of thermal measurements.

На фиг. 1 представлен общий вид датчика теплового потока.In FIG. 1 shows a general view of a heat flux sensor.

На фиг. 2 представлены результаты фадуировки датчржа теплового потока.In FIG. 2 shows the results of fading of heat flow sensors.

На фиг.З представлены результаты опытов по определению постоянной времени датчика теплового потока.On Fig.3 presents the results of experiments to determine the time constant of the heat flux sensor.

Конструкция датчика теплового потока (фиг.1) содержит токосьемные проводники 1, плоские термоэлементы 2, электроизолирующие слои 3, элементы коммутации (пайки, сварки) 4 и электроизолирующую подложку 5.The design of the heat flux sensor (Fig. 1) contains current collectors 1, flat thermocouples 2, electrical insulating layers 3, switching elements (soldering, welding) 4 and electrical insulating substrate 5.

Нлоские термоэлементы 2 вьтолнены из анизотропного монокристалла (например, висмута) и вырезаны так, что их образующая наклонена под определенным углом к главной кристаллографической оси исходного монокристалла (для висмута этот угол состав.пяет 37-41°), Плоские термоэлементы 2 разделены электроизолирующими слоями 3 (например, пластинками слюды) вдоль больших сторон. Укладка плоских термоэлементов 2 на электроизолирующей подложке 5 с чередованием полярности обеспечивает суммирование термо-э.д.с. по всему датчику теплового потока. Элементы коммутации 4 представляют собой паяные или сварные соединения и обеспечивают надежный и механически прочный контакт между плоскими термоэлементами 2. Плоские термоэлементы 2, расположенные по краям датчика, имеют токосьемные проводники 1, включенные далее в схему измерения термо-э.д.с. Электроизолирующая подложка 5 скрепляет пакет плоских термоэлементов 2 и электроизолирующих слоев 3 и, кроме того, обеспечивает работоспособность датчика теплового потока в случае, когда одна из его плоскостей прилегает к электропроводной поверхности.The flat thermocouples 2 are made of an anisotropic single crystal (for example, bismuth) and cut out so that their generatrix is inclined at a certain angle to the main crystallographic axis of the initial single crystal (for bismuth this angle composes 37-41 °), Flat thermocouples 2 are separated by insulating layers 3 (e.g. mica plates) along large sides. Laying flat thermocouples 2 on an electrically insulating substrate 5 with alternating polarity provides the summation of thermoelectric power. throughout the heat flow sensor. The switching elements 4 are soldered or welded joints and provide reliable and mechanically strong contact between the flat thermocouples 2. The flat thermocouples 2 located along the edges of the sensor have current collector conductors 1, which are further included in the thermoelectric power measurement circuit. The electrically insulating substrate 5 fastens a package of flat thermocouples 2 and electrically insulating layers 3 and, in addition, ensures the operability of the heat flux sensor when one of its planes is adjacent to the electrically conductive surface.

Датчик теплового потока работает следующим образом: тепловой поток подводится к одной из плоскостей датчика, проходит через его сечение и выходит со стороны противоположной плоскости. .Анизотропия теплофизических и термоэлектрических свойств плоских термоэлементов 2 приводит к тому, что вектор теплового потока, проходящего через датчик, отклоняется от вектора температурного градиента, а на токосъемных проводниках 1 возникает термо-э.д.с., пропорциональная величине теплового потока. Эта термо-э.д.с. представляет собой сумму отдельных термо-э.д.с., генерируемых каждым из плоских термоэлементов 2. Суммирование обеспечивают элементы коммутации 3, последовательно и с чередованием полярности соединяющее друг с другом плоские термоэлементы 2. Сигнал, снимаемый с токосъемных проводников 1, поступает на регистрирующий прибор, где, с учетом индивидуальных характеристик датчика, определенных при его градуировке, преобразуется в значения теплового потока.The heat flux sensor works as follows: the heat flux is brought to one of the planes of the sensor, passes through its cross section and leaves from the opposite plane. Anisotropy of the thermophysical and thermoelectric properties of planar thermoelements 2 leads to the fact that the heat flux vector passing through the sensor deviates from the temperature gradient vector, and thermoelectric power appears on the current-collecting conductors 1, which is proportional to the heat flux. This thermo-emf. represents the sum of the individual thermo-emfs generated by each of the flat thermocouples 2. The summation is provided by switching elements 3, sequentially and with alternating polarity, connecting the flat thermocouples 2. The signal taken from the collector conductors 1 is fed to the recording a device where, taking into account the individual characteristics of the sensor, determined during its calibration, it is converted into heat flux values.

Датчики градуируют абсолютным методом - по джоуль-ленцеву тепловому потоку. Результаты градуировки датчика размером 4x7x0.5 мм представлены на фиг.2. Градуировка производилась при температуре 20-540 К и давлении до 30 МПа.The sensors are graduated by the absolute method - by the Joule-Lentz heat flux. The calibration results of the sensor with a size of 4x7x0.5 mm are presented in figure 2. The graduation was carried out at a temperature of 20-540 K and a pressure of up to 30 MPa.

Для определения постоянной времени датчика бьш поставлен вспомогательный эксперимент с использованием импульсного лазера. Датчик помещался в зону действия излучения импульсного лазера «Delta-201 со следующими параметрами: длительность импульса - 0,15 мс; длина волны - 1,06 мкм; период между импульсами - 60,0 мс; мощность излучения в импульсе - 1,25 МВт/м. Опыты показали (фиг.З.), что сигнал датчика достигает максимума через 0,3 мс после начала облучения. Амплитуда сигнала с точностью 2% соответствует значению мощности, определяемой путем независимой градуировки.To determine the time constant of the sensor, an auxiliary experiment using a pulsed laser was performed. The sensor was placed in the radiation range of a Delta-201 pulsed laser with the following parameters: pulse duration - 0.15 ms; wavelength - 1.06 microns; the period between pulses is 60.0 ms; pulse radiation power - 1.25 MW / m. The experiments showed (Fig.Z.) that the sensor signal reaches a maximum 0.3 ms after the start of irradiation. The signal amplitude with an accuracy of 2% corresponds to the power value determined by independent calibration.

Таким образом, повысилась эффективность измерения теплового потока:Thus, the efficiency of measuring the heat flux has increased:

-возможно измерять тепловой поток любой природы при произвольном расположении источников и стоков теплоты;- it is possible to measure the heat flux of any nature with an arbitrary arrangement of sources and sinks of heat;

-вольт-ваттная чувствительность датчиков составляет 5-20 мВ/Вт, она остается практически неизменной для потоков плотностью the volt-watt sensitivity of the sensors is 5-20 mV / W, it remains almost unchanged for flux densities

-постоянная времени датчиков в среднем составляет 0.3-0.15 мс. Повышена технологичность производства датчиков:- the time constant of the sensors is on average 0.3-0.15 ms. Improved manufacturability of sensors:

-использован однородный и химически чистый исходный материал, что обеспечивает высокую стабильность, а также исключает погрешности, связанные с образованием термо - э.д.с. при коммутащш разнородных материалов;- a homogeneous and chemically pure starting material was used, which provides high stability, and also eliminates errors associated with the formation of thermo-emf. at commutation of dissimilar materials;

-разработана рациональная схема коммутации термоэлементов, исключающая встречное их включение;-developed a rational circuit switching thermocouples, excluding the oncoming inclusion;

-возможно изменение размеров и формы датчиков и их применение при разнообразных тепловых измерениях.- it is possible to change the size and shape of the sensors and their application with a variety of thermal measurements.

Claims

1. The heat flux sensor containing thermocouples from a material with anisotropy of thermophysical and thermoelectric properties, characterized in that the thermocouples are parallel to each other, separated along the larger sides by insulating layers and connected by switching elements in series with alternating polarity.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that the thermocouples are mounted on an electrically insulating substrate, and the extreme thermocouples are provided with current-collecting conductors.