ГЛАВА И

ОДИНОЧНЫЕ ДАТЧИКИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Низкая чувствительность одиночных датчиков в значительной мере компенсируется простотой конструкции, надежностью и стабильностью. Сочетание этих качеств привело к тому, что применение таких датчиков связано с высокофорсированным теплообменом, характерным для многих областей техники.

Описываемые датчики в основном предназначены для измерения потоков с.плотностью 10-10 вг/ж2. Нижний предел плотности обусловлен чувствительностью электрических приборов, верхний - возможностями корректной градуировки. Если допустима экстраполяция градуировки, то одиночные датчики вообще не имеют верхней границы по величине измеряемого потока.

В данной главе изложены общие конструктивные и технологические особенности одиночных датчи.ков, а также проведен анализ природы сигнала датчика при неравномерном распределении измеряемого потока по полю датчика.

Для группы явлений, природа которых не настолько выяснена, чтобы количественно учесть их влияние, дан качественный анализ и намечены пути уменьшения помех.

Доказано, что шумы на электронном и молекулярном уровнях не оказывают влияния на результаты измерений. Поскольку для практики измерений важно знать величину искажений, вносимых наличием датчиков, приведены формулы для определения соответствующих поправок. Описаны особенности измерения нестационарных потоков.

1. КОНСТРУКЦИИ одиночных ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА (О. Д. Т. п.) и ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Одиночный датчик представляет собой своеобразную сплющенную дифференциальную термопару, промежуточный термоэлектрод которой служит вспомогательной стенкой (рис. 25). При

расположении, датчика на изотермической поверхности исследуемого тела на гранях промежуточного слоя толщиной 62 возникает разность температур, пропорциональная пронизывающему его измеряемому потоку. Эта разность температур вызывает соответствующую термо- э. д. с, которая токосъемными проводами подается на измерительный прибор. Теоретическая величина сигнала датчика е, соответствующая некоторому потоку q, может быть определена по формуле

,= KZ,. (IU)

2 4 -

. ;

Рис. 25. Одиночный датчик теплового потока:

/ - никелевое покрытие; 2 - медные термоэлектроды; 3 - промежуточный термоэлектрод; 4 -токосъемные провода; ,

5 - изоляционные втулки.

откуда чувствительность датчика

JlJHZ. . ( .2)

Поскольку все величины в правой части равенства (П. 2) зависят от температуры, чувствительность также должна быть функцией температуры.

При выборе материалов для датчиков был проведен анализ свойств различных термоэлектродных материалов. Результаты расчетов по литературным данным [7, 11] приведены на рис. 26, на котором по оси абсцисс отложена рабочая температура датчика, а по оси ординат - изменение рабочего коэффициента, отнесенного к его значению при 50° С. Под рабочим коэффициентом здесь и ниже подразумевается величина, обратная чувствительности, т. е. поток, вызывающий сигнал, равный 1 в:

k = .. (П.З)

Как видно из графика, наиболее перспективны Пары медь-константан [265] и особенно константан-нихром. Изменения теп-

4-264 49

лофизических характеристик оказались такими, что получалась почти полная взаимная компенсация влияния изменения теплопроводности и термоэлектрических свойств. По справочным данным (см. рис. 26) такая полная компенсация не имеет места. Причина, видимо, лежит в значительном разбросе свойств материалов в различных образцах.

В первых сериях медь-константановые датчики изготовлялись круглыми. Заготовки штамповались из листового материала: кон-

стантановые чистые круги толщиной 0,6 мм, медные круги толщиной 0,1 мм с токосъемны-ми выступами (рис. 27). Токосъемные провода приваривались к выступам на медных пластинах. Затем токосъемные пластины на конденсаторной сварочной машине приваривались к основной. Для измерений при высоких температурах около 40 датчиков было изготовлено с токосъемными пластинами и проводами из платины.

Недостаток датчиков со съемом сигнала на периферии - большой разброс в данных последовательно проводимых градуировок. Особенно показателен следующий опыт. Датчик описанной конструкции был припаян ко дну открытого сосуда, который заливали холодной водой и ставили на разогретую электрическую плитку. В опытах регистрировали температуру воды и сигнал датчика. Результаты многократных измерений, полученные на раз-

-W -20 -30 О -10

о

-10 -70 -30 -40

Рис. 26. Зависимость рабочих коэффициентов датчиков от температуры (по справочным данным):

/ - константан-нихром; 2 - никель-нихром; 3 - медь-константан; 4 - нихром-константан; 5 - алюмель-хромель; 6 - железо-константан.

Рис. 27. Круглый датчик с токосъемными выступами.

Рис. 28. График изменения показаний датчика с периферийным токосъемом при закипании жидкости.