SU892239A1

SU892239A1 - Heat flow pickup

Info

Publication number: SU892239A1
Application number: SU802945952A
Authority: SU
Inventors: Евгений Александрович Максимов; Михаил Валерьянович Страдомский
Original assignee: Институт Технической Теплофизики Ан Украинской Сср
Priority date: 1980-07-17
Filing date: 1980-07-17
Publication date: 1981-12-23

Description

(54) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА(54) HEAT FLOW SENSOR

II

Изобретение относитс к области теплофизических измерений.The invention relates to the field of thermophysical measurements.

Известен датчик теплового потока , представл ющий собой базовую пластину, в которой на разной высоте просверлены два радиальных отверсти и в них установлены термопары , разность температур термопар пропорциональна проход щему через пластину тепловому потоку 1.A heat flux sensor is known, which is a base plate in which two radial holes are drilled at different heights and thermocouples are installed in them, the temperature difference of the thermocouples is proportional to the heat flux 1 passing through the plate.

Однако в такой конструкции датчика невозможно точно определить глубину заделки головки термопары в пластину из-за конечного размера диаметра сверлени под термопару , что вызывает погрешность в измерении нестационарного теплового потока. Кроме того, невозможно обеспечить надежный тепловой контакт головки термопары с пластиной без существенного нарушени структуры пластины, что приводит к искажению температурного тюл пластины и к дополнительной погрешности в измере .нии теплового потока.However, in such a sensor design, it is impossible to accurately determine the depth of insertion of the thermocouple head into the plate due to the finite size of the drilling diameter for the thermocouple, which causes an error in the measurement of unsteady heat flow. In addition, it is impossible to ensure reliable thermal contact of the thermocouple head with the plate without significant disruption of the plate structure, which leads to a distortion of the temperature tul of the plate and to an additional error in measuring the heat flux.

Известен одноэлементный датчик теплового потока, представл ющий J собой базовую пластину с отверстием и приваренным к ней, например контактной сваркой, по кромке отверсти электродом, вывод второго электрода со второй стороны пластины ,Q может быть осуществлен так же, как и первого 21.A single-element heat flux sensor is known, which is J as a base plate with a hole and welded to it, for example contact welding, along the edge of the hole with an electrode, the output of the second electrode from the second side of the plate, Q can be carried out in the same way as the first 21.

Однако дл этого датчика характерна невозможность точного определени места расположени спа электрод- - пластина по глубине, так как при осуществлении контактной сварки по кромке отверсти контакт имеет неконтролируемую прот женность по 2J) глубине. При установке Пластины на пробку, вл ющуюс вторым электродом , местом спа вл етс вс зона приварки, температура в разных местах которой может быть различна, в результате в измерение вноситс неконтролируема погрешность. Известен также датчик теплового потокаi содержащий холодильник, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, тепловоспринимающую пластину из материала с оче,нь низким коэффициентом т плопроводности и расположен. между ними электроизол ционный слой. На противоположных гран х тепловоспринимающей пластины установлен р д дифференциальных микротермопар р. Недостатками такого датчика вл ютс непригодность его дл измерени нестационарных тепловых потоков из-за большой инерционности тепловоспринимающего сло , значительна погрешность в измерении локального стационарного теплового потока, который в действительности квазистационарный как во времени, так ив пространстве , и при неоднородности его плотности по площади датчика из-за большого термического сопротивлени тепловоспринимающего сло измерений перепад температур на нем будет соответствовать некому фиктивному тепл вому потоку, причем погрешность в и мерении перепада температур увеличиваетс за счет перетока тепла по проводам термопары от спа , располо женного на наружной поверхности пла стины, к спаю на внутренней ее стороне , непригодность датчика дл измерени в средах с повышенной темпе ратурой из-за низкой жаростойкости тепловоспринимающей пластины и дл измерени больших тепловых потоков, например Вт/м из-за ограни ченных возможностей вод ного охлаждени . Кроме того, к недостаткам датчика относитс сложность и громо . кость его конструкции из-за специального вод ного охла одени , нали-. чие штуцеров, подвод щих трубок, за порной арматуры и потребность в спе циальной обработке хладагента. . - В 1звестных датчиках чувствитель ным элементом вл етс пластина, ко фициент теплопроводности материала которой известен. При обеспечении одномерности температурного пол в серединной зоне пластины перепад те ператур на ней вл етс величиной, пропорциональной плотности теплового потока через пластину. Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достига . 4 емому результату вл етс конструкци датчика, в которой использована модель полубесконечного пространства , при этом дл измерени нестационарного теплового потока применена поверхностна термопара, представл юща собой цилиндр из одного термопарного материала, встроенный в него аксильно и изолированный по образующей электрод из другого тер- . мопарного материала, соединенный между собой металлической пленкой на тепловоспринимающей поверхности 4. К недостаткам этого датчика следует отнести невозможность измерени стационарных тепловых потоков а также погрешность, вызываемую неоднородностью температурного пол детал х и их конечными размерами . Целью изобретени вл етс повышение точности и расширение диапазона измерений стационарных и им- пульсных локальных тепловых потоков переменной во времени плотности при высоких температурах стенки. Указанна цель достигаетс тем, что в датчик теплового потока, содержащий поверхностную термопару, o6pa30BaHH5TO цилиндром и размещенным в нем аксиально и изолированным от него электродом, соединенными между собой поверхностным слоем, введен термостабилизированный элемент , выполненный в виде металлической пластины с изолированной боковой поверхностью, размещенный между поверхностным слоем и цилиндром , и дополнительный электрод, размещенный аксиально в цилиндре и электрически изолированный от него , контактирующий с термостабилизированным элементом и образздащий в паре с первым электродом дифференциальную термопару со спа ми в фиксированных точках на противоположных поверхност х термостабилизированного элемента, причем термо электрический коэффициент материала , из которого выполнены цилиндр, поверхностный слой и электроды, от- личен от термоэлектрического коэффициента материала термостабилизированного элемента., Геометрические размеры пластины Степлометрического элементаj харак ,л теризуютс отношением 21где толщина.пластины 3 - диаметр пластины, который выбираетс 43 условий распределени локальных тепловых потоков по площади и обычно принимаетс в пределах 10 мм; Бокова поверхность пластины изолирована и через нее практически отсутствует теплообмен, что обеспечивает ее терместабилизацию и распределение температур в пластине, близкое к равномерному при измерении импульсных тепловых потоков. Электроды термопары пропущены по нормали через цилиндр, причем первый из них соединен с наружной поверхностью термостабилизированного элемента поверхностным слоем, дополнительный соединен с внутренней поверхностью пластины, образу на ее гран х спай дифференциальной термопары, что ис- . ключает неопределенность в глубине заделки электродов и вли ние на результаты измерений оттока тепла по электродам.However, this sensor is characterized by the impossibility of accurately determining the location of the spa electrode –– plate in depth, since during contact welding on the edge of the hole, the contact has an uncontrolled length of 2J) depth. When installing the plate on the plug, which is the second electrode, the place of the spa is the entire welding zone, the temperature in different places of which may be different, as a result, an uncontrollable error is introduced into the measurement. Also known is a heat flow sensor containing a refrigerator made of a material with a high thermal conductivity, a heat-receiving plate made of a material with very low thermal conductivity coefficient and positioned. between them is an electrically insulating layer. On the opposite faces of the heat-receiving plate there is a series of differential microthermopair p. The disadvantages of such a sensor are its unsuitability for measuring non-stationary heat fluxes due to the large inertia of the heat-receiving layer, a significant error in measuring the local stationary heat flux, which is actually quasi-stationary both in time and in space, and when its density is heterogeneous over the sensor area from - due to the large thermal resistance of the heat-receiving layer of measurements, the temperature difference on it will correspond to some fictitious heat flux Moreover, the error in measuring the temperature difference increases due to heat transfer through the thermocouple wires from the spa located on the outer surface of the plate to that on the inner side, the sensor is unsuitable for measurement in environments with an elevated temperature due to low heat resistance. a heat receiving plate and for measuring large heat fluxes, e.g. W / m, due to limited water cooling capabilities. In addition, the disadvantages of the sensor include complexity and thunder. the bone of its design is due to the special water cooling, pipe fittings, for fittings and the need for special treatment of the refrigerant. . - In 1 known sensors, the sensitive element is a plate, the thermal conductivity of the material of which is known. While ensuring the one-dimensionality of the temperature field in the middle zone of the plate, the differential temperature on it is a value proportional to the density of the heat flux through the plate. Closest to the proposed technical essence and reach. 4, the result is a sensor design in which a semi-infinite space model is used, whereby a surface thermocouple is used to measure the transient heat flux, which is a cylinder of one thermocouple material, embedded in it axially and insulated along an electrode from another temperature. moparic material interconnected by a metal film on the heat-absorbing surface 4. The disadvantages of this sensor include the inability to measure stationary heat fluxes as well as the error caused by the non-uniformity of the temperature field of the parts and their final dimensions. The aim of the invention is to improve the accuracy and expand the range of measurements of stationary and pulsed local heat fluxes of time-varying density at high wall temperatures. This goal is achieved by the fact that a heat-stabilized element, made in the form of a metal plate with an insulated side surface, placed between surface layer and the cylinder, and an additional electrode placed axially in the cylinder and electrically isolated from it, in contact with thermally stabilized A differential thermocouple paired with the first electrode with splices at fixed points on opposite surfaces of the thermally stabilized element, the thermal electric coefficient of the material from which the cylinder is made, the surface layer and electrodes is different from the thermoelectric coefficient of the material of the thermally stabilized element. The geometrical dimensions of the plate of the Steelometric Elementj, the characteristic, are determined by the ratio 21 where the thickness. The plate 3 is the diameter of the plate, which in 43 conditions of local heat flux distribution over the area are selected and are usually taken within 10 mm; The side surface of the plate is insulated and there is practically no heat exchange through it, which ensures its thermostabilization and temperature distribution in the plate, which is close to uniform when measuring pulsed heat fluxes. Thermocouple electrodes are passed through the normal through a cylinder, the first of which is connected to the outer surface of a thermostabilized element by a surface layer, an additional one is connected to the inner surface of the plate, forming on its faces a junction of a differential thermocouple, which is. Includes uncertainty in the depth of the electrode termination and the effect on the measurement results of heat outflow from the electrodes.

На чертеже показана схема датчика теплового потока.The drawing shows a diagram of the heat flow sensor.

Датчик теплового потока содержит цили11др 1, выполненный из жаростойкого материала с хорошей теплопроводностью , например из чистого никел , термостабилизированный элемент 2, выполненный, например, из константана и расположенный между поверхностным слоем и цилиндром, никелевый поверхностный слой 3, два никелевых электрода 4 и 5 в виде стержней , электрическую изол цию электродов 6.The heat flow sensor contains cylindrical 1, made of heat-resistant material with good thermal conductivity, for example, of pure nickel, thermally stabilized element 2, made, for example, of constantan and located between the surface layer and the cylinder, nickel surface layer 3, two nickel electrodes 4 and 5 rods, electrical insulation of electrodes 6.

Датчик теплового потока работает следующим образом.The heat flux sensor works as follows.

Тепловой поток, падающий на датчи за счет теплопроводности поверхностного сло 3 и термостабилизированног элемента 2, поступает в металлический цилиндр 1, который обеспечивает сток тепла в датчике. При этом термическое сопротивление термостабилизированного элемента 2 вызывает разность температур на его гран х, котора пропорциональна плотности теплового потока, проход щего через термостабилизированный элемент 2 и измер етс дифференциальной термопарой образованной электродом 4, термостабилизированным элементом 2 и электродом 5. Поскольку в термостабилизированном элементе 2 достигаетс с заданной погрешностью одномерность температурного пол , измерение температуры на его гран х в двух строго фик .сированных точках обеспечивает высокую точность определени плотности теплового потока, пропорционального этой разности температур. J , В св зи с тем, что амплитуда колебани температ-ур на поверхности полубесконечного константанового стерж достаточно быстро затухает и уже при частоте колебани 50-60 Гц на глуби1в не 1 мм составл ет 1 % от амплитуды колебани на глубине 0,1 мм, то реал зованный принцип полубесконечного тела в конструкции предлагаемого датчика обеспечивает надежное измерениеThe heat flux incident on the sensors due to the thermal conductivity of the surface layer 3 and the thermally stabilized element 2 enters the metal cylinder 1, which provides heat flow in the sensor. At the same time, the thermal resistance of the thermally stabilized element 2 causes a temperature difference on its faces, which is proportional to the density of the heat flux passing through the thermally stabilized element 2 and is measured by a differential thermocouple formed by the electrode 4, the thermally stabilized element 2 and the electrode 5. Since given one-dimensional error of the temperature field, temperature measurement on its faces in two strictly fixed points provides It provides high accuracy in determining the density of the heat flow proportional to this temperature difference. J, Due to the fact that the amplitude of temperature fluctuations on the surface of a semi-infinite constantan rod quickly decays and already at a frequency of 50-60 Hz at a depth of not 1 mm it is 1% of the amplitude of oscillation at a depth of 0.1 mm, then the realized principle of a semi-infinite body in the design of the proposed sensor ensures reliable measurement

fS не толькостационарных, но и высокочастотных импульсных тепловых потоков , что позвол ет на 30-35% повысит точность измерени плотности тепловых потоков за счет использовани fS is not only stationary, but also high-frequency pulsed heat fluxes, which allows a 30–35% increase in the accuracy of heat flux density measurement by using

20 в датчике термостабилизированного эл мента с температурным полем, близким к одномерному, которое формируетс при отсутствии растечек тепла за счет изол ции боковой поверхности пластиjj ны и обеспечени равномерного стока тепла через ее внутреннюю поверхность в хорошо теплопровод щий цилиндр датчика. Причем спаи дифференциальной термопары на противоположньгх20 in the sensor of a thermostabilized element with a near-one-dimensional temperature field, which is formed in the absence of heat leakage due to the insulation of the lateral surface of the plastic and ensuring uniform heat flow through its internal surface into the well-conducting sensor cylinder. Moreover, the differential thermocouple junction on the opposite

JO гран х термостабилизированного элемента обеспечивают четкую фиксацию места контакта при одновременном исключеьши вли ьш оттока тепла по электродам на результаты измерени .JO edges of the thermostabilized element provide a clear fixation of the contact point, while at the same time eliminating the influence of heat outflow through the electrodes on the measurement results.

3S Датчик теплового потока может3S heat flow sensor can

быть использован как дл научных исследований и испытаний натурных устройств различного назначени , так и дл оперативного контрол теплового состо ни деталей энергетических установок в процессе эксплуатации, а также в качестве одного из элементов в системе, автоматизации измереНИИ при экспериментальных исследовани х тёплонапр женности деталей to be used both for scientific research and testing of full-scale devices for various purposes, as well as for operative control of the thermal state of parts of power plants during operation, as well as one of the elements in the system, automating the measurement of R & D in experimental studies of the heat intensity of parts

45 вновь создаваемых энергетических двигателей и установок.45 newly created energy engines and installations.

формула изобретени invention formula

Датчик теплового потока, содержащий поверхностную термопару, образованную цилиндром и размещенным в нем аксиально и изолированным от него электродом, соединенными между собой поверхностным слоем, о т личающийс тем, что, с целью повышени тЬчности и расширени диапазона измерений стационаных и импульсных локальных тепловых потоков с переменной во времени плотностью при высоких температурах стенки, в него введен термостабилизированный элемент, выполненный в виде пластины с изолированной боковой поверхностью, размещенный между поверхностным слоем и цилиндром , и дополнительньй электрод, размещенный аксиально в цилиндре, электрически изолированный от него, контактирующий с термостабилизированным элементом и образующий в паре с первым электродом дифференциальную термопару со спа ми в фиксированньпс точках на противоположных поверхност х термостабшшзированного элемента, причем термоэлектрический коэффициент материала, из которого,, выполненыA heat flux sensor containing a surface thermocouple formed by a cylinder and an electrode placed axially and isolated from it, interconnected by a surface layer, is characterized by the fact that, in order to increase the temperature and expand the range of measurements of stationary and pulsed local heat fluxes with variable in time, the density at high temperatures of the wall, a thermally stabilized element is introduced into it, made in the form of a plate with an isolated side surface, placed between surface layer and cylinder, and an additional electrode placed axially in the cylinder, electrically isolated from it, in contact with a thermostabilized element and forming a differential thermocouple paired with the first electrode with junction points at fixed points on opposite surfaces of the thermostable element, and the material thermoelectric coefficient, of which ,, are made

92239. 892239. 8

цилиндр, поверхностный слой и электроды , отличен от термоэлектрического коэффициента материала термостабилизированного элемента.cylinder, surface layer and electrodes, is different from the thermoelectric coefficient of the material of the thermostabilized element.

Источники информации, прин тые во внимание при экспертизеSources of information taken into account in the examination

1.Черноголовов А.И. Приборы дл измерени потоков тепла в высокотемпературных печах. - Заводска лаборатори , 1949, 15, 2.1. Chernogolovov A.I. Instruments for measuring heat flux in high-temperature furnaces. - Factory Laboratory, 1949, 15, 2.

2.Геращенко О.А. Основы теплометрии . Киев, Наукова думка, 1971, с. 192.2.Gerashchenko O.A. Basics of heat metering. Kiev, Naukova Dumka, 1971, p. 192.

5 3. Авторское свидетельство СССР № 705281, кл. G 01 К 17/08, 1979.5 3. USSR Author's Certificate No. 705281, cl. G 01 K 17/08, 1979.

4. Овс нников М.К,, Волонков В.А, Методика экспериментального и лучистого теплопотоков в стенки дета , 20 лей ЦПГ. - Энергомашиностроение, 1973, 4, с. 38-40 (прототип).4. Ovs nikov M.K., Volonkov V.A, Methods of experimental and radiant heat flux into the walls of a part, 20 lei CPG. - Power Engineering, 1973, 4, p. 38-40 (prototype).

Claims

Claim

A heat flux sensor containing a surface thermocouple formed by a cylinder and an electrode placed axially and isolated from it, connected by a surface layer, characterized in that, in order to increase the accuracy and increase the measurement range of stationary and pulsed local heat fluxes with a time-variable density at high wall temperatures, a thermally stabilized element is introduced into it, made in the form of a plate with an insulated lateral surface, located between the surface layer and the cylinder, and an additional electrode placed axially in the cylinder, electrically insulated from it, in contact with the thermostabilized element and forming a differential thermocouple with junctions at fixed points on opposite surfaces of the thermostabilized element paired with the first electrode, and the thermoelectric coefficient of the material from which. . made cylinder, surface layer and electrodes, different from the thermoelectric coefficient of the material is thermally stabilized element.