SU1093914A1

SU1093914A1 - Heat flow pickup

Info

Publication number: SU1093914A1
Application number: SU823440778A
Authority: SU
Inventors: Юрий Анатольевич Пшеничнов
Original assignee: Красноярский Политехнический Институт
Priority date: 1982-05-20
Filing date: 1982-05-20
Publication date: 1984-05-23

Abstract

ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА, содержащий теплоприемный элемент с размещенными в нем основной и корректирующим термобатаре ми, расположенными следующими один за другим сло ми и соединенными последовательно , отличающийс тем. что, с целью повышени точности измерений нестационарных тепловых потоков , основна и корректирующие термобатареи мполнены одинаковой толщины , при этом каждые две р дом размещенные термобатареи включены встречно , а количество содержащихс в каждой термобатарее дифференциальных термопар определ етс по формуле ffl Uiili u-oibu-v.k где i - пор дковый номер термобатареи , начина с основной; k - цела величина, мен юща с от i до (Т1;и т - общее количество размещен (Л ных в теплоприемном элементе термобатарей. со 00 со ш4 4 A HEAT FLOW SENSOR containing a heat-receiving element with a main and corrective thermopile placed in it, arranged one after the other layers and connected in series, differing in that. that, in order to improve the measurement accuracy of unsteady heat fluxes, the main and corrective thermopiles are of equal thickness, each two thermocouples placed oppositely are included, and the number of differential thermocouples contained in each thermopile is determined by the formula ffl Uiili u-oibu-vk where i is the serial number of the thermopile, starting with the main one; k is an integer value varying from i to (T1; and t is the total number placed (On the heat-receiving element of the thermopile) from 00 to w4 4

Description

Изобретение относитс к тепловым измерени м и может найти применение в энергетике, металлургии, строител ной теплофизике, геофизике и в экспериментальных исследовани х теплообмена при изменении как стационарнь5Х , так и нестационарных тепловк-х потоков. Известны датчики теплового поток содержащие размещенную в теплоприем ном элементе термобатарею, образованную из дифференциальных термопар l . Однако эти датчики не обеспечива ют высокой точности измерений нестационарных тепловых потоков. Наиболее близким к 413обретению по технической сущности вл етс датчик теплового потока, содержащий теплоприемный элемент с размешенным в нем основной и корректирующими термобатаре ми, расположенными след ющими один за другим сло ми и соеди ненными последовательно 2 , Однако известный датчик не позво л ет измер ть посто нную составл ющую теплового потока. Кроме того, точность измерени переменной составл ющей теплового потока также недостаточно высока. Целью изобретени вл етс повышение точности измерени нестационарных тепловых потоков. Поставленна цель достигаетс те что .в датчике теплового потока, содержащем теплоприемный элемент с размещенными в нем основной и корректирующими термобатаре ми, рас положенными следующими один за другим сло ми и соединенными последова . тельно, основна и корректирующие термобатареи выполнены одинаковой толщины, при этом каждые две р дом размещенные термобатареи включены встречно, а количество содержащихс в каждой термопаре дифференциальных термопар определ етс по формуле N ifi 4iH);bc- i где - пор дковый номертермобатар . начина с основной; k - цела величина, мен юща с от 1 до ш; m общее количество размещенны в теплоприемном элементе термобатарей. На фиг. 1 схематично изображен вариант предлагаемого датчика, использующий две корректирующей,термо батареи (т 3) ; на фиг. 2 - график зависимости ЭДС от времени основной термобатареи, первой корректирующие второй корректирующей, а также суммарных ЭДС от времени цепи из основ ной и первой корректирующей термоба тарей и 1епи из основной и двух кор)ректирующих термобатарей. Датчик содержит теплоприемный элемент 1, основную 2 и корректирующие 3 и 4 термобатареи, тепловоспринимающую поверхность 5. Рассмотрим работу варианта предлагаемого датчика, (Лиг. 1), когда измер емый тепловой поток в нулевой момент времени 2 мгновенно измен етс от нул до некоторого значени и в дальнейшем остаетс посто нным. В первые моменты теплового воздействи нагреваютс только сваи основной термобатареи 2, примыкающие к тепловоспринимаюцей поверхности 5 теплоприемного элемента 1, и основна термобатаре 2 вырабатывает ЭДС (крива 6, фиг. 2) , пропорциональную разности температуры тепловоспринимЕющей поверхности 5 теплоприемного элемента 1 и температуры на стыке основной .2 и первой 3 корректирующей термобатарей. Через некоторое врем тепловое возмущение достигает примыкающих к основной термобатарее 2 спаев первой корректирующей батареи 3, котора начинает вырабатывать ЭДС (крива 7, фиг.2) , противоположную по пол рности к ЭДС основной термобатареи 2. При этом да.ннд ЭДС частично корректирует ЭДС (крива 6, фиг. 2} основной термобатареи 2. Через некоторое врем становитс отличной от нул ЭДС (крива 8, фиг. 2) второй кор- ректирующей термобатареи 4, пол рность которой совпадает с пол рностью ЭДС основной, термобатареи 2 и противоположна пол рности ЭДС первой корректирующей термобатареи 3. ЭДС второй корректирующей термобатареи 4 дополнительно корректирует суммарную ЭДС крива 9, фиг. 2 основной 2 и первой 3 корректирующей термобатарей . Когда датчик выходит на стационарный режим, основна 2 и корректирующие 3 и 4 термобатареи вырабатывают неизмен ющиес во времени ЭДС, и суммарна ЭДС этих термобатарей, содержащих соответственно количество 11,7 и 2 дифференциальных термопар , становитс равной ЭДС основной термобатареи 2, в которой использовалось бы 11-7+2 6 дифференциальных термопар. Таким образом, высока степень пропорциональности суммарной ЭДС (крива 10, фиг. 2) , вырабатываемой /датчиком, объ сн етс тем, что в начале действи теплового потока ЭДС основной термобатареи 2, котора в это врем практически совпадает с суммарной ЭДС трех термобатарей, формируетс большим числом дифференциальных термопар, чем это нужно дл измерени стационарного теплового потока, а в дальпеншем по ме{зе приближеш-г к стационарному режиму это превьипение последовательно компенсируетс корректирующими термобатаре ми 3 и 4 ЭДС которых начинают вырабатыватьс с некоторым запаздыванием, вследствие их расположени на больших рассто Н11ЯХ от тепловоспринимающей поверхности б теплоприеммого элемента 1.The invention relates to thermal measurements and can be used in power engineering, metallurgy, building thermal physics, geophysics, and in experimental studies of heat exchange with changes in both stationary and unsteady heat flows. Heat flow sensors are known that contain a thermopile placed in a heat-receiving element, formed from differential thermocouples l. However, these sensors do not provide high accuracy measurements of unsteady heat fluxes. The closest to the 413 invention according to the technical essence is a heat flux sensor containing a heat-receiving element with a main thermopile placed in it and a corrective thermopile located next to each other and connected in series 2. However, the known sensor does not allow measuring constant component of the heat flux. In addition, the measurement accuracy of the variable component of the heat flux is also not high enough. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurement of unsteady heat fluxes. This goal is achieved by those in the heat flux sensor containing the heat-receiving element with the main and corrective thermopiles placed in it, placed one after the other layers and connected in series. Basically, the main and corrective thermopiles are made of the same thickness, with each two thermocouples placed oppositely included, and the number of differential thermocouples contained in each thermocouple is determined by the formula N ifi 4iH; bc- i where is the serial number of thermobaths. starting with the main; k is an integer value varying from 1 to w; m the total number is placed in the heat-receiving element of thermopiles. FIG. 1 schematically shows a variant of the proposed sensor using two corrective, thermal batteries (t 3); in fig. 2 is a graph of the EMF versus the time of the main thermopile, the first corrective second corrective, as well as the total EMF versus time of the circuit from the main and first corrective thermo batteries and 1epi from the main and two core thermopiles. The sensor contains a heat-receiving element 1, the main 2 and corrective 3 and 4 thermopiles, a heat-receiving surface 5. Consider the operation of a variant of the proposed sensor (Lig. 1) when the measured heat flux at time zero 2 instantaneously changes from zero to some value and further remains constant. In the first moments of heat exposure, only the piles of the main thermopile 2, adjacent to the thermal perception surface 5 of the heat-receiving element 1, are heated, and the main thermopile 2 produces an emf (curve 6, fig. 2) proportional to the temperature difference between the heat-receiving surface 5 of the heat-receiving element 1 and the temperature at the junction of the main .2 and the first 3 corrective thermopiles. After some time, thermal perturbation reaches the junctions of the first correction battery 3 adjacent to the main thermopile, which begins to produce an emf (curve 7, figure 2) opposite to the emf of the main thermopile 2. EMF partially corrects the emf ( curve 6, fig. 2} of the main thermopile 2. After some time, the EMF (curve 8, fig. 2) of the second correcting thermopile 4 becomes different from zero, the polarity of which coincides with the polarity of the EMF of the primary, thermopile 2 and opposite to polarity ED the first corrective thermopile 3. The EMF of the second corrective thermopile 4 additionally corrects the total EMF of curve 9, Fig. 2 of the main 2 and first 3 of the corrective thermopile.When the sensor goes into stationary mode, the main 2 and corrective 3 and 4 thermopods produce an emf that does not change in time, and the total emf of these thermopiles, containing respectively the number of 11.7 and 2 differential thermocouples, becomes equal to the emf of the main thermopile 2, in which 11-7 + 2 6 differential thermocouples would be used. Thus, a high degree of proportionality of the total emf (curve 10, fig. 2) produced by the sensor is explained by the fact that at the beginning of the heat flux the emf of the main thermopile 2, which at this time almost coincides with the total emf of the three thermopiles, a greater number of differential thermocouples than is necessary for measuring the stationary heat flux, and in the approximate steady state mode, this excess temperature is successively compensated by corrective thermopiles 3 and 4 x start to be produced with some delay, due to their location at large distances from the heat-receiving surface b of the heat-receiving element 1.

Повьлиение точности измерени теплового потдка с помощью предлагаемого датчика по сравнению с известным обусловлено размещением термобатарей в теплоприемном элементе и их соединением в электрическую цепь в таком пор дке и с таким количеством дифференциальных термопар в каждой из термобатарей, когда ЭДС вырабатываема датчиком, т.е. цепью термобатарей, пропорциональна градиенту температурного пол на тепловоспринимающей поверхности теплоприемного элемента, определ емому по формуле численного дифференцировани функции, представл ющей собой распределение температуры по толщине теплоприемного элемента, измеренное в конечном числе плоскостей, в которых располагаютс спаи термопар . Требование пропорциональности ЭДС, вырабатываемой датчиком, гради енту температурного пол вытекает из закона теплопроводности Фурье atu.ti ( где t - врем ; - коэффициент теплопроводност материала, из которого выполнен теплоприемный элемент; t( ,)- температурное поле теплоприем ного элемента; X - координата, отсчитываема от тепловоспринимающей поверхност теплоприемного элемента. Из формулы () следует, что дл нахождени теплового потока q (t) необходимо знать производную температурного пол при X 0. Обозначим через Б ,Е2 ,...,Е значени ЭДС термопар, измер ющих температуры 11,Ц,...,( в плоскост х с координатами , 2-4Х ,...,гпдх соответственно, где ttX - рассто ние между двум соседними плоскост ми. Тогда можно записат формулу численного дифференцировани The increase in the accuracy of heat measurement using the proposed sensor as compared to the known one is due to the placement of thermopiles in the heat-receiving element and their connection to an electrical circuit in this order and with so many differential thermocouples in each of the thermopiles when the EMF is produced by the sensor, i.e. A thermopile chain is proportional to the gradient of the temperature field on the heat-receiving surface of the heat-receiving element, determined by the formula for numerical differentiation of the function representing the temperature distribution over the thickness of the heat-receiving element measured in the final number of planes in which the junctions of thermocouples are located. The requirement of proportionality of the EMF produced by the sensor to the gradient of the temperature field follows from the Fourier thermal conductivity law atu.ti (where t is time; is the thermal conductivity coefficient of the material from which the heat-receiving element is made; t (,) is the temperature field of the heat-receiving element; X is the coordinate , calculated from the heat-receiving surface of the heat-receiving element. From the formula () it follows that to find the heat flux q (t) it is necessary to know the derivative of the temperature field at X 0. Let B, E2, ..., E denote the EMF values pairs measuring temperatures 11, C, ..., (in planes with coordinates, 2-4X, ..., gpdx, respectively, where ttX is the distance between two adjacent planes. Then you can write down the formula for numerical differentiation

i Г h.i h h.

atat

91 9J: 91 9J:

UE,- -т -0 laE ЭхUE, - -t -0 laE Eh

9Е9E

UXUx

XrOXrO

.,ч-,,.,,., h - ,,. ,,

где Е - значение ЭДС термопарн,измер ющей температуру t , Е E(where E is the value of the emf of a thermocouple measuring temperature t, Е E (

ти т + 1.. twHlm . Ь Е,.,t.,.40 Е,,ty t + 1 .. twHlm. B e,., T.,. 40 e ,,

,- абсолютна погрешностт, нычисленр г ill- absolute error, but the compiler r ill

Змх оФормулу (. преобразуем к видуZmh o Formula (. Convert to the form

..

31 ЗЕ ( 1) ....-. --Г U,,..,w Из формул (3) и (4) следует, что если -ю термобатарею составить из М дифференциальных термопар и если в общей электрической г.епи ее вкттчить встречно (-1)-(V и (i+1) -и термобатаре ми , то ЭДС электрической цепи, составленной из гч таких термобатарей , пропорциональна тепловому потокуQ(tl, причем степень пропорциональности тем вьпие, чем большее число термобатарей используетс в конструкции датчика, так как с ростом m уменьшаетс погреиность вычислени производной -5 ( У- 0. При выполнении данного требовани достигаетс максимальна точность измерени теплового потока. Так как точность формулы (2) численного дифференцировани повышаетс с увеличением числа плоскостей, в которых измер етс температура, т.е. числа измерений температуры по толщине теплоприемного элемента, с ростом количества корректирующих термобатарей происходит увеличение точности измерени51 теплового потока.31 WE (1) ....-. --Г U ,, .., w From formulas (3) and (4) it follows that if -th thermopile is made up of M differential thermocouples and if in the general electrical circuit of the thermometer it is inserted (-1) - (V and (i + 1) - and thermopile, then the emf of an electrical circuit made up of these thermocouple capacitors is proportional to the heat flux Q (tl, and the degree of proportionality is greater than the larger number of thermopile used in the sensor design, as the calculation accuracy decreases with increasing m derivative -5 (Y- 0. When this requirement is met, maximum accuracy is achieved Measurement of heat flux. Since the accuracy of formula (2) of numerical differentiation increases with the number of planes in which temperature is measured, i.e. the number of temperature measurements across the thickness of the heat-receiving element, with an increase in the number of corrective thermopiles, the measurement accuracy of heat flux increases.

Claims

A HEAT FLOW SENSOR containing a heat-receiving element with a main and correcting thermopile placed in it, arranged next to each other in layers and connected in series, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurements of unsteady heat fluxes, the main and correct thermopile are made of the same thickness, while every two adjacent thermopiles are included in the opposite direction, and the number of differential thermocouples contained in each thermopile is determined by the formula

s. - L · - r ^N ' ^1S G -')! B; U - '^' where i is the serial number of the thermopile starting from the main one;

k is an integer that varies from <to u;

tn is the total number of thermopiles placed in the heat-receiving element.

11) h? 91 4 g